鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工中焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度影響的研究

張濤

摘 要：在施工過(guò)程中，焊接應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，是鋼構(gòu)件安裝精度控制的重要環(huán)節(jié)?；诖耍ㄟ^(guò)對(duì)焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因、焊接工藝、焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析，找準(zhǔn)正確施工方法，減少焊接應(yīng)力和變形，提高構(gòu)件安裝精度，確保框架結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接構(gòu)件；焊接應(yīng)力；安裝精度；焊接施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG457.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）02-0118-04

1研究背景及目的

1.1 研究背景及方向

鋼結(jié)構(gòu)住宅在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，構(gòu)件截面尺寸大，屬于細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，且構(gòu)件數(shù)量多。鋼框架柱垂直度精度控制要求非常嚴(yán)格，焊接工藝、焊接應(yīng)力等因素，可對(duì)鋼框架柱的垂直度偏差、軸線偏差造成不同程度的影響[1]。

焊接應(yīng)力對(duì)施工質(zhì)量起到關(guān)鍵作用，是安裝精度控制的重要環(huán)節(jié)。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了焊接應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝精度的影響，通過(guò)分析焊接應(yīng)力產(chǎn)生原因、焊接工藝和焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)，總結(jié)減少焊接應(yīng)力和變形、提高構(gòu)件安裝精度的施工方法，確保施工質(zhì)量。

1.2 研究目的

一是測(cè)試典型鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)的焊縫收縮應(yīng)變，分析焊接工藝對(duì)鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)焊縫收縮應(yīng)力影響規(guī)律，為施工工藝的改進(jìn)提供參考數(shù)據(jù)。

二是測(cè)試鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)焊接工藝對(duì)構(gòu)件垂直度的影響。

三是綜合分析鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)焊接施工對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系線型的影響。

2 焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響分析

2.1 焊接應(yīng)力產(chǎn)生原因

焊接應(yīng)力是在焊接過(guò)程中由于材料的熱脹冷縮以及焊縫形成引起的內(nèi)部應(yīng)力。

焊接應(yīng)力的產(chǎn)生主要有以下4個(gè)原因：①熱應(yīng)力。焊接過(guò)程中，由于焊接熱源的作用，焊接區(qū)域局部產(chǎn)生高溫，發(fā)生局部膨脹，而周圍區(qū)域處于低溫狀態(tài)，產(chǎn)生收縮。由于溫度不同，造成了焊接接頭的內(nèi)部應(yīng)力[1]。②冷卻收縮應(yīng)力。焊接完成后，焊接接頭在冷卻過(guò)程中發(fā)生收縮。由于焊縫的約束和冷卻速率的差異，焊接接頭上會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。③相變應(yīng)力。在焊接過(guò)程中，由于材料的顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如固溶體析出、相變等，引起應(yīng)力的重新分布。④機(jī)械應(yīng)力。在焊接過(guò)程中，由于焊接壓力或外力的作用，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭存在機(jī)械應(yīng)力。

2.2 焊接工藝對(duì)安裝精度的影響

焊接工藝對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝精度具有重要影響。具體有以下4個(gè)常見(jiàn)的影響：①焊接準(zhǔn)備。焊接前的焊縫準(zhǔn)備對(duì)焊接質(zhì)量和安裝精度至關(guān)重要。焊縫的準(zhǔn)備包括清潔焊接表面、角度、尺寸等，對(duì)于保證焊接接頭的配合精度具有重要作用。②焊接順序。焊接過(guò)程中的焊接順序也會(huì)對(duì)安裝精度產(chǎn)生影響。選擇合理的焊接順序可以減少焊接應(yīng)力的積累和變形的發(fā)生。③焊接溫度。焊接過(guò)程中的溫度控制對(duì)安裝精度的影響也十分重要。過(guò)高的焊接溫度會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的變形和熱影響區(qū)擴(kuò)大，而過(guò)低的焊接溫度則可能影響焊縫的質(zhì)量[2]。④焊接速度。焊接速度也會(huì)對(duì)安裝精度產(chǎn)生影響。過(guò)快或過(guò)慢的焊接速度都可能影響焊接接頭的質(zhì)量和變形情況。

2.3 焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

為了準(zhǔn)確評(píng)估焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響，需要采用適當(dāng)?shù)暮附討?yīng)力監(jiān)測(cè)方法。具體有以下4種常用的焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法。

2.3.1 應(yīng)變測(cè)量法

通過(guò)在焊接接頭上安裝應(yīng)變測(cè)量片，測(cè)量焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變值，從而推斷焊接應(yīng)力的存在和分布情況[3]。

2.3.2 應(yīng)力釋放法

在焊接完成后，通過(guò)局部加熱或機(jī)械加載等方法來(lái)釋放焊接接頭中的焊接應(yīng)力，并觀察其變形情況，從而推斷焊接應(yīng)力的存在和分布情況。

2.3.3 數(shù)值模擬方法

利用有限元分析等數(shù)值模擬方法，對(duì)焊接接頭進(jìn)行模擬計(jì)算，推斷焊接應(yīng)力的存在和分布情況。

2.3.4 非破壞檢測(cè)方法

利用超聲波、紅外線熱像儀等非破壞檢測(cè)方法，對(duì)焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)，觀察焊接應(yīng)力的影響程度。

通過(guò)合理選擇和使用這些焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，可以全面了解焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響，為改進(jìn)焊接施工技術(shù)提供有效的參考依據(jù)。

3改進(jìn)焊接施工技術(shù)

3.1 合理預(yù)熱和采用低溫焊接

預(yù)熱和低溫焊接是一種改進(jìn)焊接施工技術(shù)，旨在減小焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響。通過(guò)預(yù)熱和低溫焊接這兩種改進(jìn)施焊技術(shù)，可以有效減小焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響。這兩種方法的綜合應(yīng)用可以提高施焊過(guò)程的精度和質(zhì)量[4]。

3.1.1 預(yù)熱

在進(jìn)行焊接過(guò)程之前，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加熱處理。預(yù)熱的目的是提高構(gòu)件的溫度，使其能夠更好地承受焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，并減小焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的影響。預(yù)熱的方式可以采用火焰加熱、電加熱等方法。

3.1.2 低溫焊

通過(guò)控制焊接過(guò)程中的溫度來(lái)減小焊接應(yīng)力的一種方法。焊接過(guò)程中的溫度升高會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的熱膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。通過(guò)降低焊接溫度，可以減小焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力，從而降低焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的影響。在低溫焊接中，需要根據(jù)具體的焊接材料和焊接工藝合理選擇焊接溫度，以確保焊縫質(zhì)量和構(gòu)件的安全性。

3.2 優(yōu)化焊接工藝

針對(duì)焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響，在具體的焊接施工中，可以采用兩人對(duì)稱施焊的工藝。傳統(tǒng)的單人施焊工藝中，焊接應(yīng)力容易導(dǎo)致鋼柱的傾斜和偏移，從而影響安裝精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，依托工程采用兩人對(duì)稱施焊的工藝，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面來(lái)優(yōu)化焊接工藝。

3.2.1 焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制

采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程中的溫度、應(yīng)力和變形等參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并通過(guò)相應(yīng)的控制手段進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.2.2 對(duì)稱施焊焊接

由兩名焊工同時(shí)施焊，一個(gè)位于鋼柱的一側(cè)，另一個(gè)位于相對(duì)的一側(cè)，對(duì)稱地進(jìn)行施焊。兩名焊工按照預(yù)定的焊接工藝進(jìn)行焊接操作，包括選擇適當(dāng)?shù)暮附与娏?、電壓和速度等參?shù)。在焊接過(guò)程中，焊工應(yīng)注意保持焊接電流和速度的一致性，以保證施焊區(qū)域的均勻加熱和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.2.3 應(yīng)力消除熱處理

在焊接完成后，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力消除熱處理，以減小殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)應(yīng)力消除熱處理，可以使焊接結(jié)構(gòu)獲得較低殘余應(yīng)力，從而提高安裝精度[5]。

3.2.4 科學(xué)選材與調(diào)控

選擇具備良好焊接性能和較低熱膨脹系數(shù)的鋼材，可以減少焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。在控制焊接參數(shù)的同時(shí)，通過(guò)合理的熱處理和材料組織調(diào)控，可以改善焊接接頭的強(qiáng)度、韌性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高施工質(zhì)量。

3.2.5 加強(qiáng)培訓(xùn)與質(zhì)量管理

對(duì)焊工進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，提高其焊接技能和操作水平。加強(qiáng)焊接質(zhì)量管理，建立科學(xué)的質(zhì)量控制體系，確保焊接過(guò)程按照規(guī)范進(jìn)行，從而保證施工質(zhì)量。

通過(guò)采用兩人對(duì)稱施焊工藝，可以保證焊接應(yīng)力的均勻分布，減小焊接應(yīng)力對(duì)鋼柱的影響，從而提高安裝精度。

4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

本研究旨在探究鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工中焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響，采取如下實(shí)驗(yàn)方案。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

4.1.1 樣本選擇

依托工程17#～19#樓，選擇具有代表性的鋼框架柱，在焊接過(guò)程中進(jìn)行焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)、進(jìn)行位移及變形的監(jiān)測(cè)。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用先進(jìn)的焊接設(shè)備和測(cè)量工具來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。焊接設(shè)備應(yīng)具備高精度和穩(wěn)定性，以確保焊接質(zhì)量的一致性。測(cè)量工具應(yīng)具備高精度和可靠性，以準(zhǔn)確測(cè)量構(gòu)件的安裝精度。具體如表1所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.2.1 結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)檢查及資料收集

首先，對(duì)依托工程的17#～19#樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)檢查，包括初始線形和初始缺陷的檢查。檢查包括使用測(cè)量工具對(duì)結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行目視檢查，查看是否存在明顯的缺陷。

其次，進(jìn)行外觀檢查，以目測(cè)結(jié)構(gòu)安裝是否存在初始缺陷，如焊縫開(kāi)裂、變形等。

最后，收集相關(guān)技術(shù)資料，包括建筑與結(jié)構(gòu)施工圖、焊接施工圖和鋼框架柱與橫梁連接施工圖等。通過(guò)研究這些資料，了解原設(shè)計(jì)意圖、要求和技術(shù)背景，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供背景知識(shí)。

4.2.2 鋼框架柱焊接應(yīng)力測(cè)試

鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)焊接施工質(zhì)量是保障構(gòu)件承載力、穩(wěn)定性和線型的關(guān)鍵施工工序，對(duì)接節(jié)點(diǎn)位置處上、下兩個(gè)鋼框架柱節(jié)段首先通過(guò)連接板做臨時(shí)固定，焊接前后上、下柱節(jié)段的對(duì)接焊縫區(qū)將產(chǎn)生復(fù)雜的焊縫收縮應(yīng)力，進(jìn)而在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起焊接次內(nèi)力。

分別從角柱、邊柱和中柱中抽選出檢驗(yàn)批，測(cè)試鋼框架柱對(duì)接焊縫和臨時(shí)連接板的軸向應(yīng)力，分析臨時(shí)連接板拆除前后對(duì)接焊縫位置的應(yīng)力重分布，及其對(duì)鋼框架柱垂直度的影響。每種鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)的抽樣數(shù)為1組，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)初始狀況調(diào)查結(jié)果隨機(jī)抽取，3種鋼框架柱抽選檢驗(yàn)批總數(shù)共3組。

依據(jù)測(cè)試任務(wù)要求，針對(duì)不同的測(cè)點(diǎn)位置分別選用電阻式應(yīng)變計(jì)和振弦式應(yīng)變計(jì)作為前端傳感器。每個(gè)鋼框架柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)含8塊臨時(shí)連接板，分別在每塊連接板的中部與對(duì)接焊縫同標(biāo)高位置各布設(shè)一個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，使用2支BX120-5BA型電阻應(yīng)變計(jì)組成半橋，測(cè)試臨時(shí)連接板的焊接應(yīng)力，分別在對(duì)接節(jié)點(diǎn)上、下柱端四個(gè)面各布設(shè)一個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，使用2支BX120-5BA型電阻應(yīng)變計(jì)組成半橋，測(cè)試焊接前后柱端應(yīng)力。電阻應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

由于焊接溫度的影響，柱端電阻式應(yīng)變計(jì)的安裝位置須距離焊縫50 cm以上，無(wú)法直接量測(cè)對(duì)接焊縫的收縮應(yīng)力。因此，在選定鋼框架柱的4個(gè)表面跨對(duì)接焊縫分別布設(shè)BGK4000HP型振弦式應(yīng)變計(jì)各1支，安裝位置如圖2所示。

試驗(yàn)過(guò)程從焊接前一直持續(xù)到整個(gè)立柱對(duì)接焊縫焊接完成并冷卻，連接板去除止。角柱、邊柱采用對(duì)稱焊接，中柱采用非對(duì)稱焊接。

對(duì)于鋼框架柱梁框架體系，除上述布置外，分別在上述對(duì)應(yīng)角柱、邊柱及中柱試件的梁柱連接的梁底進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。采用電阻式應(yīng)變計(jì)和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)試，應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)分別布置在鋼框架柱梁底下10 cm位置，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

4.2.3 鋼框架柱垂直度檢測(cè)

按照相關(guān)測(cè)量規(guī)范的要求，布置鋼框架柱垂直度觀測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上設(shè)置全站儀，測(cè)量鋼框架柱的垂直度，并記錄測(cè)量結(jié)果。

4.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集到的焊接前、焊接結(jié)束時(shí)刻和冷卻時(shí)刻的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算出應(yīng)變的差值和相對(duì)應(yīng)變率等相關(guān)指標(biāo)。應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

中柱測(cè)點(diǎn)編號(hào)L1～L8表示節(jié)點(diǎn)板處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C1～C4表示焊縫下側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C5～C8表示焊縫上側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)T1～T4表示距柱頂10 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)S1～S4表示中柱跨焊縫的振弦應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

邊柱測(cè)點(diǎn)編號(hào)L1～L8表示節(jié)點(diǎn)板處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C1～C4表示焊縫下側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C5～C8表示焊縫上側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)T1～T4表示距柱頂10 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。L2測(cè)點(diǎn)因應(yīng)變片在焊接時(shí)被燒壞所以該點(diǎn)的數(shù)據(jù)無(wú)效。C7測(cè)點(diǎn)因無(wú)法安裝所以沒(méi)有數(shù)據(jù)。

角柱測(cè)點(diǎn)編號(hào)L1～L8表示節(jié)點(diǎn)板處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C1～C4表示焊縫下側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C5～C8表示焊縫上側(cè)50 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)編號(hào)T1～T4表示距柱頂10 cm處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。L2測(cè)點(diǎn)因應(yīng)變片在焊接時(shí)被燒壞所以該點(diǎn)的數(shù)據(jù)無(wú)效。C4測(cè)點(diǎn)無(wú)法安裝所以沒(méi)有數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)鋼框架柱的安裝精度具有明顯的影響。②熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致柱子產(chǎn)生一定的變形，使其偏離垂直度要求，并可能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不良影響[6]。因此，在焊接過(guò)程中必須充分考慮和控制焊接應(yīng)力的影響。

基于研究結(jié)果，提出了改進(jìn)焊接施工技術(shù)的建議，采用預(yù)熱和低溫焊接等措施來(lái)降低熱應(yīng)力的影響，優(yōu)化焊接工藝來(lái)減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，提高構(gòu)件的安裝精度。

改進(jìn)建議如下：①優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，如焊接順序、焊接方法等，減小熱應(yīng)力對(duì)鋼框架柱安裝精度的影響。②采用預(yù)熱處理的方法，在焊接前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?，以減小焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。③在焊接過(guò)程中，采用兩人對(duì)稱施焊的方法，平衡焊接應(yīng)力，避免構(gòu)件因焊接引起的偏移。

5結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)住宅在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛，但其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且焊接應(yīng)力對(duì)施工質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了焊接應(yīng)力產(chǎn)生原因、焊接工藝和焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，并驗(yàn)證了焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件安裝精度的影響。

未來(lái)的研究可以進(jìn)一步深化和細(xì)化，具體有2方面：①擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍。本研究?jī)H針對(duì)某一具體工程進(jìn)行了測(cè)試，未來(lái)可以擴(kuò)大樣本范圍，對(duì)不同類型的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢赃x擇不同尺寸、不同焊接順序和不同施焊工藝的構(gòu)件，全面分析焊接應(yīng)力對(duì)安裝精度的影響。②綜合考慮多種因素。除了焊接應(yīng)力，還可以綜合考慮其他因素對(duì)安裝精度的影響，如焊接接頭形式、焊接順序等。通過(guò)綜合分析多個(gè)因素，更全面地了解各因素對(duì)安裝精度的貢獻(xiàn)程度，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

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