关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法.docx

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关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法

关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法

秦永乐发表于《造价师》

摘要：

本文结合工程实例，分析了普通轧制H型钢柱与箱型柱的受力特点，介绍了箱型柱的焊接加工方法。

由于H型钢柱只有一个强轴，在梁柱连接节点处受力比较复杂的情况下，一是“节点域”不能满足要求，二是按照“强连接弱构件”的原则，在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时，极限承载力验算不能满足。

而箱型柱由于在X、Y方向均为强轴，加上节点处的加劲板，形成了较强的节点域，受力状况比轧制H型钢优越。

由于目前人们对箱型柱的认识尚不普遍，本文结合参观工厂焊接箱型柱的加工流程，做简单介绍。

关键词：

节点域 箱型柱强度稳定

最近笔者在工作中遇到了一个问题，就是关于箱型柱焊接方法的问题。

由于笔者做的这个工程的具体特点，在设计中中间柱子采用了箱型柱，其它柱子采用了热轧H型钢。

这是一个5层的化工装置的钢结构框架，共9根柱子，跨距为6米x7米，层高分别为6米、6.3米、5.5米、6.7米和5米。

每层的设备荷载大都集中在中间位置，顶层一台设备的重量就接近100吨，因而中间柱子的受力最大。

笔者先按9根柱子均采用轧制H型钢试算，经过对各种工况下的计算结果进行分析比较，中间柱子在梁柱节点处受力较大：

一是“节点域”不能满足要求1，补强后仍无法满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.4.2条的要求，即节点域的强度和局部稳定不能满足规范要求。

二是不能满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第8.2.8条的要求，即按照“强连接弱构件”的原则，在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时，极限承载力验算不能满足2。

经过笔者多次试算，采用国标《热轧H型钢和剖分T型钢》GB/T11263-1998中HW400x400，均不能满足要求。

从既经济又合理的角度考虑，笔者将该柱改为500x500的箱型柱，经过计算，上述两条均能满足，而且用钢量基本接近，但受力状态却是明显的改善。

这是因为“H型钢柱”，只有一个强轴，该处的柱子节点无论是腹板还是翼缘受力都比较复杂，因而出现上述不满足规范的情况。

而“箱型柱”的受力在四个方向均是强轴，两轴的抵抗矩相等，特别是本工程中间这个柱子，四个方向的力都集中到这个柱子上，钢梁与柱子相连接处的节点受力较大。

但由于箱型柱有它的受力特点，能较好的解决这个问题，因而是比较合理的受力结构体系。

但很多业主甚至是有些工程技术人员对“箱型柱”的了解很少，甚至闻所未闻，更有甚者是很多人不知道箱型柱里面的加劲板（隔板）是如何焊进去的，所以有时不被接受。

由于笔者所承担的工程的特点，曾在近10套化工装置中采用过箱型柱，在工程实际中就遇到了这样的问题。

前段时间笔者与一些同行们去工厂参观了箱型柱的加工制作过程：

箱型柱的焊接必须在工厂加工，不能在现场焊接，因为这是一套专门加工制作箱型柱的流水线，该生产线主要由双弧双丝CO2气体保护打底焊机、三弧三丝埋弧焊机、电渣焊机、端面铣床、移动式导轨钻及输送辊道等组成。

1、首先将三面的钢板和里面的加劲板按规定焊接成U型的槽。

（见图片1）

2、在有加劲板的侧面位置留上一个槽，以便填充焊料。

（见图片2）

3、盖上第四块钢板，将熔嘴（管状长焊条）插入待焊焊口内，调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板，再将焊嘴提起20～30mm，拧紧夹头，从熔嘴内插入焊丝送入底部与引弧板相接触，这时焊丝与熔嘴长焊管应在焊口的正中心，焊丝再提起10mm左右，拧紧送丝轮和调直轮，最后检查焊机各部位是否拧紧，加人少量引弧剂和少量焊剂。

4、采用较高电压短路引弧，引弧后，刚开始送丝速度要慢，即电流小点，以便造渣，此为弧焊过程，电流波动较大，随着焊剂的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，温度逐渐升高，这时电流应适当大些，电弧开始消失而转入电渣过程，电流和电压逐渐趋于稳定，随着电渣过程的稳定，可将电流和电压调至附表所示数值，进入正常电渣焊过程，熔化的焊料将加劲板和第四块板焊接成一体。

（见图片3）

5、施焊过程中要密切注意焊机控制箱上电流和电压的变化，根据情况随时调节，并注意熔嘴始终保持在焊口的中心，保证渣池的温度和熔池的形状及深度正常，才能确定焊接质量。

6、焊接试件均经过超声波检验，无裂纹和未熔合等缺陷。

此种焊接工艺称为“熔嘴电渣焊”，已经非常普遍的应用，经过去加工厂参观和对现场已经焊接好的成品进行观察，此种焊接质量非常好。

而如果用“焊接H型钢”，同样也是工厂加工，因为成品的“轧制H型钢”最大的为HW400x400的，在荷载较大的情况下，不能满足设计的需要。

如果改为焊接H型钢，受力情况不如箱型柱，而且并不节省钢材，只是加工费稍微便宜点。

经过调查，钢结构的施工一般为业主供应材料，然后由施工单位加工，也有的是由施工单位总承包。

所以箱型柱的加工费用是由施工单位承担的，与业主几乎没有经济联系，但却对业主的施工质量和结构安全度、结构的永久性带来永久性的收益！

鉴于以上受力分析和经济分析，在荷载较大受力情况复杂的情况下设计为“箱型柱”，是经济合理、安全适用的，值得推广。

电渣焊

电渣焊是利用电流通过液体熔渣产生的电阻热做为热源，将工件和填充金属熔合成焊缝的垂直位置的焊接方法。

渣池保护金属熔池不被空气污染，水冷成型滑块与工件端面构成空腔挡住熔池和渣池，保证熔池金属凝固成形。

一、电渣焊过程  可分为三个阶段

1．引弧造渣阶段

开始电渣焊时，在电极和起焊槽之间引出电弧，将不断加入的固体焊剂熔化，在起焊槽、水冷成形滑快之间形成液体渣籽，当渣池达到一定深度后，即使电弧熄灭，转入电渣过程。

在引弧造渣阶段，电渣过程不够稳定，渣池温度不高，焊缝金属和母材熔合不好，因此焊后应将起焊部分割除。

2．正常焊接阶段

当电渣过程稳定后，焊接电流通过渣池产生的热使渣池温度可达到1600～2000℃。

渣池将电极和被焊工件熔化，形成的钢水汇集在渣池下部，成为金属熔池。

随着电极不断向渣池送进，金属熔池和其上渣池逐渐上升，金属熔池的下部远离热源的液体金属逐渐凝固形成焊缝。

3．引出阶段

在被焊工件上部装有引出板，以便将渣池和在停止焊接时往往易于产生缩孔和裂纹的那部他焊缝金属引出工件。

在引出阶段，应逐步降低电流和电压，以减少产生缩孔和裂纹。

焊后应将引出部分割除。

二、电渣焊特点

和其它熔化焊方法相比，电渣焊的特点如下：

（1）宜在垂直位置焊接  当焊缝中心线处于垂直位置时，电渣焊形成熔池及焊缝成形条件最好，故适合于垂直位置焊缝的焊接。

也可用于倾斜焊缝（与地面垂直线的夹角小于30°）的焊接。

因此焊缝金属中不易产生气孔及夹渣。

（2）厚件能一次焊成  由于整个渣池均牌高温下，热源体积大，故不论工件厚度多大都可以不开坡口，只要有一定装配间隙便可一次焊接成形。

生产率高，与开坡口的焊接方法（如埋弧焊）比，焊接材料消耗较少。

（3）焊缝成形系数调节范围大  通过调节焊接电流和电压，可以在较大范围内调节焊缝成形系数，较易防止产生焊缝热裂纹。

（4）渣池对被焊工件有较好的预热作用  焊接碳当量较高的金属不易出现淬硬组织，冷裂倾向较小，焊接中碳钢、低合金钢时均可预热。

（5）焊缝和热影响区晶粒粗大  焊缝和热影响区在高温停留时间长，易产生晶粒粗大和过热组织，焊接接头冲击韧性较低，一般焊后应进行正火和回火热处理。

三、电渣焊种类

根据采用电极的形状和是否固定，电渣焊方法主要有：

丝极电渣焊、熔嘴电渣焊（包括管极电渣焊）、板极电渣焊。

摘自《焊接手册．电渣焊》  邹积铎、郭明达著

熔嘴电渣焊简介

熔嘴电渣焊是一种利用电流通过导电的液体熔渣所产生的电阻热作为热源使金属熔化的熔焊方法，是电渣焊的一种。

该方法焊接较厚的工件，只要求工件边缘保持一定的装配问隙，不需要坡口，就可以一次成形，效率高，金属熔池凝固速率低，熔池中的气体和杂质容易浮出，不易产生气孔和夹渣等缺陷，因此特别适用于建筑钢结构箱形梁（柱）隔板部位焊口的焊接。

隔板的接口形式如图2所示，它利用焊丝和固定在工件间隙中并与工件绝缘的熔化嘴共同作为熔化电极。

当焊接启动后，焊丝与引弧板接触产生电弧，使焊剂熔化而建立起渣池，熔化嘴和不断送入熔化嘴内的焊丝一起熔化作为填充金属，使渣池逐渐上升（因铁水重渣池轻，熔渣自然上升）而形成焊缝。

详见图2所示。

2.焊接材料与焊接设备

钢种：

Q345B、Q345C，板厚：

δ=16～50mm。

焊丝：

φ2.5mm、φ3.2mm，H08MnMoA、H10Mn2。

熔嘴：

φ8mm、φ12mm。

焊剂：

HJ431。

焊接设备：

ZH—1250专用电渣焊机，直流反接。

3.焊前准备

（1）试件钢板采用半自动气割，以保证切割面平整，清理工件焊口内外100mm处，保证与焊口间隙接触的试件表面均无脏物、氧化铁等，并露出金属光泽。

（2）工件组装所组对的焊缝形式为I形，但装配间

（3）对接焊缝的变形主要表现为横向收缩，组装间隙上口比下口大2mm。

（4）定位焊焊缝要长些，焊角要大些，施焊中以防开裂，没法补救（因隔板焊口在箱形梁/柱内已密封）。

挡板与隔板接触面的间隙应≤0.5mm，以防电渣焊时跑渣漏铁水，中断焊接。

4.焊接操作步骤

（1）所焊试件（箱形梁/柱工件）应水平放置，使熔嘴（管状长焊条）的夹头与试件焊口保持平面垂直，安装熄弧板，将熔嘴插入待焊焊口内，调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板，再将焊嘴提起20～30mm，拧紧夹头。

（2）在试件的底部安装引弧板（钢板自制或原机设备的铜制引弧帽），并垫实或顶紧与工件密合，以防起焊时跑渣漏铁水，影响正常的启动焊接。

（3）从熔嘴内插入焊丝送人底部与引弧板相接触（这时焊丝与熔嘴长焊管应在焊口的正中心），焊丝再提起10mm左右。

拧紧送丝轮和调直轮，最后检查焊机各部位是否拧紧。

（4）加人少量引弧剂和少量焊剂HJ431。

（5）各种接头形式的熔嘴电渣焊焊接参数见附表。

隙尺寸大小将直接影响电极的正常工作和所形成的熔池面积。

问隙小易引起熔合不良等缺陷，间隙过大，使焊丝、焊剂的消耗过大，效率降低。

因此，组对间隙的制备是保证电渣焊质量的关键，电渣焊的间隙制备及装配尺寸应按规范及工艺执行。

各种参数详见附表。

（6）引弧采用较高电压短路（为焊丝接触工件）引弧（方便引弧，比正常电压高3～4v）。

引弧后，刚开始送丝速度要慢些，即电流小些，以便造渣，这时是弧焊过程，电流波动较大，随着焊剂的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，温度逐渐升高，这时电流应适当大些，电弧开始消失而转入电渣过程，电流和电压逐渐趋于稳定，随着电渣过程的稳定，可将电流和电压调至附表所示数值，进入正常电渣焊过程。

（7）施焊过程中要密切注意焊机控制箱上电流和电压的变化，根据情况随时调节，并注意熔嘴始终保持在焊口的中心，保证渣池的温度和熔池的形状及深度正常，才能确定焊接质量。

（8）熄弧收尾时，要保证焊缝高出熄弧板（熄弧铜帽），才能使焊接结束。

冷却后割除引弧板及多余焊缝，并修磨与母材平整一致。

5.几点注意事项

液态熔池的建立主要依靠电弧热来完成，故必需熟练掌握好由电弧过程到电渣过程的速度转变，因此应注意下列事项。

（1）为保证电渣焊过程稳定和焊接质量，应使安装和设备调整、引弧造渣、正常焊接及焊缝收尾等五个关键环节连续完成，中间尽量不要停止。

（2）在箱形梁（柱）组对前，划线钻熔嘴孔（φ30mm），并要求上下必需垂直对正。

（3）熔嘴长度=焊口长度+150mm左右。

（4）施焊中要注意检查熔池熔化是否充分，渣量与深度是否合适。

渣池太深，会导致熔宽面减小，造成渣池温度下降，易使焊接边缘加热不足，而产生未熔合或熔合不良等缺陷；渣池太浅，即使焊接电流增大，电渣焊过程也不稳定，焊丝容易接触到金属熔池发生短路，使飞溅加大，导致焊接中断。

因此，渣池深度十分重要，渣池深度控制在30～40mm为宜。

渣池深度靠听觉也可判断，渣池深度适中发出的声音像煮粥，发出“咕嘟”声，观察焊口外钢板接触面烧红的颜色与宽窄也可判断内部熔合情况，熔合良好的外钢板烧红颜色均匀，比焊口稍宽，且宽窄较均匀。