兩種施工方案在縱向筋焊接設(shè)計(jì)中的差異

樓一鳴，趙 菲

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

結(jié)合工業(yè)4.0生產(chǎn)要推廣自動(dòng)化的要求，為了改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，對(duì)部分符合設(shè)計(jì)要求的鋼結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)的再優(yōu)化。鑒于RTG（Rubber-Tyred Gantry Crane，輪胎式集裝箱門式起重機(jī)）鋼結(jié)構(gòu)制作中長(zhǎng)距離縱向筋以往一直采用的雙面手工間斷焊方式焊縫成型質(zhì)量差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)際情況，決定對(duì)此類縱向筋的焊接設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，推廣單面自動(dòng)連續(xù)焊焊接方式。

1 單面自動(dòng)連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的差異

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響最大的主要為疲勞等級(jí)。在一些規(guī)范中，明確提及了自動(dòng)焊與手工焊的比較、單面焊與雙面焊的比較、連續(xù)焊與間斷焊的比較。綜合中外多份起重機(jī)或鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，從設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)等方面，對(duì)單面自動(dòng)連續(xù)焊和雙面手工間斷焊方案的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行比較、分析。

1.1 自動(dòng)焊與手工焊的比較

《EN 1993 1-9—2005 Eurocode 3 Design of steel structure》中，明確了平板件和機(jī)械連接接頭的構(gòu)造細(xì)節(jié)及相關(guān)描述。手工焊接方式有2種：①?gòu)膬蓚?cè)進(jìn)行的自動(dòng)角焊或?qū)雍?，有起?熄弧位置；②從單邊進(jìn)行的自動(dòng)對(duì)接焊，利用連續(xù)背襯板施工，但無(wú)起弧/熄弧位置。構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖1所示。112為該疲勞細(xì)節(jié)的200萬(wàn)循環(huán)許用疲勞應(yīng)力幅，即表示在此應(yīng)力幅值范圍內(nèi)，當(dāng)前疲勞細(xì)節(jié)可認(rèn)為使用200萬(wàn)次不損壞。

自動(dòng)焊接方式也有2種：①手工角焊或?qū)雍?；②從單邊進(jìn)行的手工或自動(dòng)對(duì)接焊，尤其適用于箱梁結(jié)構(gòu)。構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖2所示。該焊接方式疲勞細(xì)節(jié)的200萬(wàn)循環(huán)許用疲勞應(yīng)力幅為100。

上述2種焊接方式的第一步驟的差異在于自動(dòng)焊和手工焊，對(duì)比自動(dòng)焊/手工焊許用疲勞應(yīng)力幅結(jié)果為112/100=112%。因此，自動(dòng)焊明顯優(yōu)于手工焊。

圖1 手工焊接方式

圖2 自動(dòng)焊接方式

1.2 單面焊與雙面焊的比較

同樣，對(duì)于單面焊與雙面焊，EN 1993—2005也明確規(guī)定。例如，圖2中的2種焊接方法，分別屬雙面角焊縫及單面角焊縫，但在圖示應(yīng)力方向（主梁板內(nèi)應(yīng)力方向）的情況下，同屬同一等級(jí)。因此，單面焊與雙面焊在此條件下為同等設(shè)計(jì)。

1.3 連續(xù)焊與間斷焊的比較

關(guān)于連續(xù)焊與間斷焊的比較，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、FEM（歐洲機(jī)械搬運(yùn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）、BS（British Standard，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）、EN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）的規(guī)范中都有提及。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和歐洲機(jī)械搬運(yùn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《FEM 1.001/3—1987起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)連續(xù)焊與間斷焊的描述不盡相同。前者的描述為：焊縫平行于力的方向，將加勁肋焊接到連續(xù)主構(gòu)件上，焊縫端頭相等于10倍厚度的長(zhǎng)度上為角焊縫，且經(jīng)打磨以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中；焊縫平行于力的方向，用間斷角焊縫或用焊在缺口間的角焊縫將加勁肋固定到連續(xù)主構(gòu)件上（圖3）。

圖3 平板件和機(jī)械連接接頭的自動(dòng)焊接方式

后者的描述為：平行于應(yīng)力方向的連續(xù)焊接筋板，端部為特殊質(zhì)量的角焊縫，長(zhǎng)度超過(guò)10倍筋板厚度，打磨避免應(yīng)力集中；平行于應(yīng)力方向的連續(xù)焊接筋板，采用間斷焊或交叉間斷焊。

但是因?yàn)閮烧卟捎昧私y(tǒng)一的理論體系，所以結(jié)論是一致的。

在這兩份標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于筋板采用連續(xù)焊還是間斷焊給出的設(shè)計(jì)分組為同一組。

在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5400-4—1990中，連續(xù)的筋板焊縫為D類，而間斷焊縫的起熄弧位置為E類焊縫，因此，連續(xù)焊縫優(yōu)于間斷焊縫。

在EN 1993—2005中，對(duì)于連續(xù)焊與間斷焊的比較如圖2和圖4所示。其中，圖4的焊接方法為縱向間斷角焊縫，焊接方式的細(xì)節(jié)類別為80。兩種方式差異主要在于連續(xù)焊和間斷焊，對(duì)比連續(xù)/間斷焊許用疲勞應(yīng)力幅結(jié)果為100/80=125%。因此，連續(xù)焊明顯優(yōu)于間斷焊。

圖4 縱向間斷角焊縫的焊接方式

由上述比較可知，自動(dòng)/手動(dòng)=112/100=112%，單面/雙面=100/100=100%，連續(xù)/間斷=100/80=125%。因此，自動(dòng)單面連續(xù)焊/手動(dòng)雙面間斷焊=112% ×100% ×125%=140%。在規(guī)范有明確數(shù)值差異提示的前提下，采用單面自動(dòng)連續(xù)焊相比雙面手工間斷焊具有40%的額外的設(shè)計(jì)疲勞安全裕度。

2 單面自動(dòng)連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的技術(shù)差異

單面自動(dòng)連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 單面自動(dòng)連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)在，自動(dòng)焊機(jī)的焊接方式主要有平吸式和側(cè)吸式2種，均為主流工業(yè)產(chǎn)品，簡(jiǎn)單可靠。常用的自動(dòng)角焊小車如圖5所示。

圖5 自動(dòng)角焊小車

3 結(jié)論

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，推廣單面自動(dòng)連續(xù)焊接有多個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)范的理論支持，還有疲勞壽命的數(shù)理支持、現(xiàn)場(chǎng)施工的操作支持以及焊縫成品的質(zhì)量支持等有利因素。因此，具備施工條件的情況下，如果想提升產(chǎn)品的質(zhì)量和美譽(yù)度，建議實(shí)施單面自動(dòng)連續(xù)焊接。

[1]全國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]EN 1993 1-9 2005 Eurocode 3 Design of steel structure[S].2005.

[3]歐洲機(jī)械搬運(yùn)協(xié)會(huì).FEM 1.001/3-1987，起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1987.

[4]BS 5400-4-1990 Steel,concrete and composite bridges-Part10：Codeof practice[S].1990.