鋼結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生的變形與焊接應(yīng)力分析

李世旺　李勝

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)由于重量輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在高層、超高層建筑中得到了極為廣泛的應(yīng)用。高層、超高層建筑往往會(huì)設(shè)置轉(zhuǎn)換層，以供主體結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件截面改變時(shí)上部荷載能很好的傳遞到下部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越高時(shí)轉(zhuǎn)換層所設(shè)的節(jié)點(diǎn)也將越大，重大轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的高空施工給吊裝及焊接作業(yè)都帶來了一定的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的施工方法施工時(shí)效低，弊端越來越明顯。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)階段的受力分析已經(jīng)非常完善，但是對(duì)其在施工階段的技術(shù)研究相對(duì)欠缺，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)在施工階段的焊接變形控制正好可以彌補(bǔ)這一塊的不足。鑒于此，文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生的變形與焊接應(yīng)力分析提出了一些建議，僅供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接產(chǎn)生的變形;焊接應(yīng)力;分析

引言

建筑領(lǐng)域的重要建筑結(jié)構(gòu)之一是鋼結(jié)構(gòu)。使用鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于降低建筑能源消耗、加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在后期維護(hù)和保養(yǎng)的工作方面，鋼結(jié)構(gòu)也具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，能夠美化建筑結(jié)構(gòu)的外觀的同時(shí)，適應(yīng)多種環(huán)境和氣候。在建筑建設(shè)施工當(dāng)中，分析鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝技術(shù)，做好相應(yīng)的工藝發(fā)展以及常見工藝并進(jìn)行總結(jié)和論證非常關(guān)鍵。

1、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力的基本組成分析

鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊接變形主要包括面外變形和面內(nèi)變形這兩種。面外變形又可以分為：扭曲形變、彎曲形變、失穩(wěn)波浪形變和角形變等。面內(nèi)變形可以分為縱向收縮變形、橫向收縮變形以及焊縫回轉(zhuǎn)變形等。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來講，其所發(fā)生的變形種類，大都是橫向收縮和縱向收縮變形。一般來講，鋼結(jié)構(gòu)焊接后，進(jìn)行冷卻處理的焊接結(jié)構(gòu)中，往往會(huì)存在一些并未消除的應(yīng)力。這種焊接應(yīng)力主要可以分為橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力以及沿焊縫厚度方向的應(yīng)力。

2、鋼結(jié)構(gòu)焊接常見問題

2.1 焊接局部變形產(chǎn)生的原因

焊接局部變形往往是由于在焊縫較多的位置，由于出現(xiàn)變形較大，收縮快，焊后收縮變形不一致，導(dǎo)致了加工件的剛性不均勻和剛性小的問題。加工過程中由于操作人員的操作，使得為對(duì)稱分段、分層以及焊接電流速度等發(fā)生了不一致的情況，導(dǎo)致焊接時(shí)應(yīng)力過大，引起焊接應(yīng)力集中以及過量變形、放置不平，甚至在應(yīng)力集中釋放時(shí)，導(dǎo)致了焊接不對(duì)稱的情況。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果異常

在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，由于檢驗(yàn)中的相關(guān)問題，導(dǎo)致了焊縫等級(jí)檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定結(jié)果發(fā)生異常。根據(jù)相應(yīng)的評(píng)定級(jí)別，涉險(xiǎn)探傷可以分為多個(gè)級(jí)別。在檢驗(yàn)等級(jí)上也可以根據(jù)檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器等，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精確程度進(jìn)行提升。例如超聲波探傷則采用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的方式，分為A、B、C三個(gè)級(jí)別，在探測(cè)面、探測(cè)范圍和允許缺陷當(dāng)量情況下，對(duì)于靈敏度進(jìn)行設(shè)置，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)也各有不同。對(duì)于超標(biāo)缺陷處理和復(fù)探，參照了建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程中的相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，得到檢測(cè)合格確認(rèn)之后，方可確認(rèn)件焊縫合格。

2.3 焊接的裂紋問題

鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋產(chǎn)生的原因是由于應(yīng)力因素和溫度因素共同作用的結(jié)果。焊接裂縫分為熱裂縫以及冷裂縫。等熱裂縫是在高溫下發(fā)生的，裂縫通常產(chǎn)生在焊縫內(nèi)部。由于出現(xiàn)縱向橫向根部熱影響，裂縫等諸多情況，分別以結(jié)晶液態(tài)狀態(tài)分布在結(jié)晶過程中以及焊接熔池中。此時(shí)由于固態(tài)金屬拉開，焊接應(yīng)力足夠大，導(dǎo)致的裂紋是出現(xiàn)了雜質(zhì)，一旦被拉開，焊接的應(yīng)力也會(huì)變成足夠大。

3、加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生的變形與焊接應(yīng)力措施

3.1 局部變形問題的解決措施

對(duì)于局部變形，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)將焊縫均勻布置，對(duì)稱設(shè)置焊縫，減少密級(jí)和交叉焊縫，制定合理的焊接過程。首先要保證變形、減少，對(duì)于對(duì)稱部分進(jìn)行焊縫的焊接線焊接，收縮量大的焊縫在焊接收縮量小的焊縫，采用分段分層，間斷式焊、控制電流速度方向一致，對(duì)尺寸大、焊縫多的共建，要保持手工焊接和分段焊接相結(jié)合的方法.

3.2 焊接變形控制措施

①對(duì)板材進(jìn)行應(yīng)力消除：采用鋼板矯平機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行矯平處理，以達(dá)到對(duì)鋼板內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行釋放從而減小鋼板內(nèi)部的殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的影響效果。②下料：下料時(shí)采用對(duì)同一零部件兩側(cè)同時(shí)加熱的方式進(jìn)行切割，防止因材料不均勻受熱發(fā)生變形。③焊接前要對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度控制在80℃～120℃，采用紅外測(cè)溫儀行溫度測(cè)量，當(dāng)溫度達(dá)到要求后才能開始焊接并且要嚴(yán)格按照方案要求的順序進(jìn)行焊接。④因十字柱翼緣板寬度較寬，為防止焊接時(shí)十字柱翼緣板產(chǎn)生側(cè)向變形，焊接前應(yīng)采用張緊器將十字柱四塊翼緣板頂緊，張緊器的結(jié)構(gòu)形式。⑤施工時(shí)將張緊器沿鋼柱縱向方向每間隔1000mm布置一組，同時(shí)對(duì)雙面螺栓施加相同的力矩，使十字柱每塊翼緣板在各個(gè)方向的受力狀況保持平衡，從而約束因焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力，有效降低了因焊接而引起的變形，從而減小鋼柱變形，張緊器裝配示意。⑥十字柱在胎具上焊接完畢，待構(gòu)件自然降溫至外界環(huán)境溫度時(shí)，方可撤去張緊器。

3.3 焊接殘余應(yīng)力消除

在焊接過程中，由于焊接件產(chǎn)生溫度梯度，接頭組織和性能的不均勻，導(dǎo)致焊接件內(nèi)部因溫差而膨脹收縮不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生焊接應(yīng)力，焊后殘留在焊件內(nèi)的應(yīng)力即為焊接殘余應(yīng)力;消除焊接殘余應(yīng)力的方法有：熱處理、錘擊、振動(dòng)法和預(yù)載法等。工程上主要采用退火處理，溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，溫度梯度約小，應(yīng)力釋放越緩慢并均勻，消除焊接殘余應(yīng)力的效果就越好，在冬季施工或焊接環(huán)境溫度較低時(shí)采用此方法。

3.4 焊后處理

①焊接作業(yè)完成后，清理焊縫表面的熔渣和金屬飛濺物，焊工自行檢查焊縫外觀質(zhì)量，如不符合要求，應(yīng)焊補(bǔ)或打磨，修補(bǔ)后的焊縫應(yīng)光滑圓順，不影響原焊縫外觀質(zhì)量要求。②重要構(gòu)件或重要節(jié)點(diǎn)焊縫，焊工自行檢查焊縫外觀合格后，在焊縫附近打上焊工的鋼印。③外露鋼構(gòu)件對(duì)接接頭，磨平焊縫余高，達(dá)到與被焊材料同樣的光潔度，清理完成后的焊縫及時(shí)予以涂刷防腐油漆，防止焊縫生銹。

結(jié)束語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)在制作過程中變形影響因素有好多種，其中最為重要的因素是焊接工藝參數(shù)及防變形措施的正確采用。采用了合適的焊接工藝及防變形措施可以大大減少后道工序的返修工作量，從而大大提高工作效率，節(jié)約成本。

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