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参考文献9

钢框架结构施工焊接变形分析与控制

前言

随着我国钢结构建筑市场的发展，对高层钢框架结构施工技术的要求也越来越高，借助现代技术来提升高层钢框架结构施工技术的水平已成为时代的需要。

钢结构具有强度高、塑性好的特点，但同时，钢结构截面偏小，板厚及壁厚越来越薄。

而且高层钢结构安装过程中，其变形累加也相当大，再加上原材料以及加工、制作、安装、使用过程中的缺陷和不合理的工艺等原因，高层钢框架结构的焊接变形问题更加突出，所以必须给予高度重视。

1、我国钢结构施工现状及特点

高层结构的行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》虽然已经颁布，但在我国，真正意义上的纯钢结构高层建筑采用的仍较少，普遍采用的是钢框架－混凝土核心筒结构，虽然其具有造价低、用钢省等优点，但其应用范围和技术上还有待进一步研究和完善。

而且我国的建筑钢材存在很大不足，在品种、规格和质量水平上和发达国家还有较大差距。

在高层钢框架结构施工领域，技术水平高、管理能力强的建筑企业很少，钢框架结构施工成套技术尚处于完善阶段。

反观国外，已经形成了完善而科学的成套技术和管理措施。

在工人不足及人工费高涨的压力下，发达国家钢结构框架施工已经在机械化、工业化方面取得长足进展，并开始使用机器人进行钢框架结构施工，进而提出了全自动施工的概念，组织全自动楼宇建设系统的开发，这将开创钢框架结构施工技术的新纪元。

2、钢结构的焊接变形及控制方法

焊接变形作为钢框架结构施工变形的主要影响因素，十分复杂，下面予以详细论述。

刚结构具有结构性能良好、建设工期短、绿色、环保等优点，所以在工业与民用建筑中广泛应用。

焊接对钢结构来说是一把双刃剑，它成就了钢结构建设的高速度，但是钢结构在焊接时产生的变形问题，也会极大地影响钢结构的施工质量。

钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的，但可以通过合理的施工措施来予以控制。

2.1变形的种类

钢结构经过焊接加工后，都会发生一定的形状改变，这就是焊接变形。

钢结构焊接变形的几种基本形式主要有以下几种：

2.1.1线性变形

（1）纵向变形:

是焊缝纵向收缩引起的；

（2）横向变形:

是焊缝横向收缩引起的。

2.1.2角变形

贴角焊缝上层焊量大，收缩量也大，因此角变形主要是焊缝在其高度方向横向收缩不均匀引起的。

2.1.3弯曲变形

对丁字型截面，焊缝收缩对重心有偏心距，因而使截面向上弯曲，所以弯曲变形是偏心焊缝的纵向收缩引起的。

2.1.4扭转变形

钢结构焊接过程中，有些特殊的结构形式会出现波浪线型或螺线型变形即为扭转变形，其成因较为复杂。

2.2焊接变形的成因

焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热，以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的刚性拘束作用，通过力、温度和组织等因素的变化，从而在焊接接头区产生不均匀的收缩变形，焊缝的纵向和横向缩短是引起各种复杂变形的根本原因。

2.2.1结构刚度

刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力，它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。

如桁架的纵向变形，主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸；

再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯曲变形，主要取决于截面的抗弯刚度。

2.2.2焊缝位置和数量

在钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理，则只产生线性缩短；

当焊缝布置不对称时，则还会产生弯曲变形；

焊缝截面重心与接头

截面重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，则只产生线性缩短；

当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则还会产生角变形。

2.2.3焊接变形的原因

焊接电流大，焊条直径粗，焊接速度慢，都会造成焊接变形大；

自动焊接的变形较小，但焊接厚钢板时，自动焊比手工焊的焊接变形稍大；

多层焊时，第一层焊缝收缩量最大，第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20%和5%～10%，层数越多焊接变形也越大；

断续焊缝比连续焊缝的收缩量小；

对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2倍～4倍；

焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形。

所以在施工时要制定合理的焊接工艺措施。

2.3预防和减少焊接变形的方法

2.3.1放样和下料措施

为了补偿施焊后焊缝的线性收缩，梁、桁架等受弯构件放样时要起拱，放样下料时要留出收缩余量。

收缩量与很多因素有关，实际生产时要依靠工艺试验来确定。

放拼装台时要放出收缩量，一般受弯构件长度不大于24ｍ时放5ｍｍ，长度大于24ｍ时放8ｍｍ。

2.3.2装配和焊接顺序

钢结构制作拼装的平台应具备标准的水平面，平台的钢度应保证构件在自重压力下，不失稳、不下沉，以保证构件的平直。

小型结构可一次装配，用定位焊固定后，以合适的焊接顺序一次完成。

如截面对称的构件，装配焊接顺序是先整体装配后焊接，焊接时应采用对角焊接法的顺序以平衡变形，同时应采用翻转架或转动胎具，以便形成船形位置焊缝，否则可由两个或四个焊工分别采用平焊和仰焊，由中间向两端焊接。

大型钢结构如大型桁架，尽可能先用小件组焊，再总体装配和焊接。

桁架和屋架端部的基座、屋架的天窗架支承板应预先拼焊成部件，以矫正后再拼装到屋架和桁架上，屋架和桁架的焊接顺序是:

先焊上、下弦连接板外侧焊缝，后焊上、下弦连接板内侧焊缝，再焊接连板与腹杆焊缝，最后焊腹杆、上弦、下弦之间的垫板。

桁架一面全部焊完后翻转，

进行另一面焊接，其焊接顺序相同。

手工焊时，应采用四个焊工同时从上、下弦中间向两端对称焊接。

拼装时，为防止构件在拼装过程中产生过大的应力和变形，应使不同型号零件的规格或形状符合规定的尺寸和样板要求，同时在拼装时不宜采用较大的外力强制组对，以防构件焊后产生过大的拘束应力而发生变形。

构件组装时，为使焊接接头均匀受热以消除应力和减少变形，应做到对接间隙、坡口角度、搭接长度和Ｔ形贴角连接的尺寸正确，其形式、尺寸应符合设计和焊接规范要求。

2.3.3焊接工艺措施

焊接施工时，应选择合适的焊接电流、速度、方向、顺序，以减少变形。

焊接金属构件时，应先焊短，后焊长；

先焊立，后焊平；

先焊对接缝，再焊搭接缝，应从中间到两边，从里到外焊接。

集中的焊缝应采用跳焊法，长焊缝采用分段退步焊和对称焊接法。

2.3.4反变形法

拼装时，根据工艺试验和施工经验，使构件向焊接变形相反方向作适量的预变形，以控制焊接变形。

这种方法需要预先进行试验，根据焊缝的设计要求，调整好焊接规范，选用材质和规格相同的钢板预先做一个试件进行焊接，使焊缝形式、焊角高度符合设计要求，焊完冷却到环境温度后测量翼板的变形量，把所测量的数值作为压制反变形的参数，压力机在翼板中心线上压出变形量的数值，使翼板的两端预先呈上翘状态，抵消焊接变形量，焊后正好持平。

采用这种方法需要一台相应吨位的液压压力机。

2.3.5刚性固定法

焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件，增加刚性后，再进行焊接，这样焊接中的加热和冷却的收缩变形，被固定夹具等外力所限制，但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢，不适应中碳钢和可焊性更差的钢材，因为焊接应力常使焊件产生裂纹。

2.4焊接变形矫正方法

构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须

进行矫正。

变形矫正的方法有:

机械矫正法、火焰矫正法和混合矫正法。

施工时，可以根据实际情况合理选用，矫正时要遵守以下原则:

先总体，后局部；

先主要，后次要；

先下部，后上部；

先主件，后副件。

2.4.1机械矫正法

机械矫正法是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用撑直机、压力机、千斤顶及各种小型机具顶压矫正构件变形。

矫正时，将构件变形部位放在两支撑之间，对准构件凸出部位缓慢施力，即可矫正变形。

2.4.2火焰矫正法

采用火焰矫正的原理与焊接变形的原理相同，只是反其道而用之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生变形，构件被局部加热后，依靠加热区的膨胀与收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。

用火焰加热矫正构件时，一定要让构件处于自由状态，一些自重较大的构件加热后要用吊具提起离开平台，以免自重产生的摩擦力阻碍变形，影响矫正效果。

采用火焰矫正法，20ｍ长的钢柱其侧向弯曲和起拱量可以矫正在6ｍｍ之内，翼板下挠度可控制在2ｍｍ内，远远低于规范要求。

但是用火焰矫正，在实际施工中很难定量地确定加热部位、加热温度、时间、区域长度等，主要靠积累经验，因此，在准备矫正构件时，要选择有一定矫正经验的人员担任此项工作，并且人员要相对固定。

利用火焰矫正方便快捷，但必须注意几项基本要领。

首先加热温度要掌握好，一般控制在650℃～850℃之间，温度太低效果不明显，温度太高易使材质发生变化；

要掌握在不同环境和不同气温情况下的加热温度；

变形量较大的构件一次加热不能完全清除变形时，应错开原来的加热点进行第二次加热矫正；

采取合理的矫正顺序，先矫正翼板的不平、倾斜，再矫正侧向弯曲和起拱；

矫正过程中要经常用靠弯尺、细钢线、水准仪等检查矫正情况，防止矫枉过正，产生新的变形量。

上述方法都是钢结构焊接施工中对变形预防控制和矫正的一些常用方法，但何时应用何种方法并无明确的规定，通常要根据结构形式和施工方案，并结

合丰富的施工经验才能取到事半功倍的效果。

随着建筑市场的发展，新设备的大量使用，各种施工工艺都有新的发展，对于预防和处理焊接变形，会出现更有效的处理方法。

3、厚钢板在低温下的焊接

由于工程需要及技术进步，我国国内厚钢板焊接技术，尤其是冬季低温条件下的厚钢板焊接技术日渐走向成熟，并赢得了国际同行的认可。

普通条件下的厚钢板焊接严格执行相关工艺措施即可，但在低温条件下还需要很多其它措施，下面将重点论述厚钢板在低温下的焊接。

要在冬季的恶劣条件下进行焊接作业，如不在各个环节严格执行焊接工艺及防护措施，极易产生焊后冷裂纹，造成严重后果。

重型钢结构中采用的厚钢板与常用的中厚钢板相比，最为重要的特点在于厚钢板厚度方向受力特性。

理论计算中一般假定钢结构为各向同性体。

中厚板和薄板在轧制过程中通过辊轴反复轧压，其力学性能更加接近于理想的各向同性体。

厚板在轧制过程中由于板厚较大，钢材微观结构的晶格不能均匀细化，局部的气孔和夹杂等缺陷较难消除，因此厚板的问题多集中在于防止钢板厚度方向的层状撕裂上。

厚板多层焊应连续施焊，每一层焊道焊完后应及时清理焊渣及表面飞溅物，在检查时如发现影响焊接质量的缺陷，应清除后再焊。

在连续焊接过程中应检测焊接区母材的温度，使层间最低温度与预热温度保持一致，层间预热温度由现场工艺试验确定。

如必须中断施焊时，因采取适当的后热、保温措施，再焊时应重新预热并根据节点及板厚情况适当提高预热温度。

3.1焊前准备措施

3.1.1焊前防护

对于焊接，风的侵扰最为不利，焊缝在短时间内快速冷却是产生焊接层状撕裂的主要原因，故防护措施尤为重要。

做好气象预报的接收，提前做好大风、雨、雪的预防工作，搭设好的防护棚，如遇6级以上大风，平均气温在－5℃以下等气候条件下应停止焊接作业。

3.1.2焊前检、清理

节点在焊前应对坡口进行严格的检查，并对坡口内的污物、锈蚀等进行清理。

3.1.3焊前预热

由于北方地区冬季的天气非常寒冷，对焊接作业的影响极大，易产生冷裂纹等缺陷，所以预热等措施非常的重要，应高度重视。

一般采用大功率烤枪，由操作者对称加热作业，采用便携式温度仪监控，严格控制加热温度，确保焊缝均匀受热，符合规程要求。

3.2防治焊接处厚板层状撕裂的措施

3.2.1焊接方法的确定

为了保证焊缝层间温度保持在一个最不易产生裂纹的温度区域。

焊接方法首选焊速高、熔深大、焊接质量易得到保障的形式，如CO2气体保护电弧焊。

3.2.2焊接工艺的确定

通过工艺评定前的焊前试验、评估，再检验、再补充完善，通过工艺试验找出施工中的不稳定因素和确实可行的防治方法，从技术上作好防层状撕裂的相应准备。

针对（超）厚板材可焊性不稳定、施工单位地面工棚里试焊结果和实际生产环境中焊接结果存在较大区别等问题。

设计多种不同的焊接形式，模拟现场工况和环境条件，检测人员逐件、逐道、甚至逐层检验，集体分析各种焊接参数工况与焊件机械性能之间的关系，以最终确定一组最佳的焊接工艺参数，并编制切实可行的焊接工艺指导书。

3.2.3层间温度控制

在焊接过程中要严格控制层间温度，一般保证持续、稳定在100－120℃。

3.2.4焊接顺序、工艺流程

a.根据焊前测量报告中的数据，合理修订焊接顺序。

通过从内向外、先焊缩量较大节点、后焊缩量较小、从上到下、先单独后整体，分解拘束力的合理顺序，从根本上减少撕裂源。

严格按照施工员的作业顺序进行施焊，不得随意改变施焊顺序。

b.焊缝质量控制：

每个节点在焊接过程中应全过程的注意焊道质量，发现

问题及时处理。

c.焊缝缺陷返修：

如无损检测发现缺陷需进行返修，应严格按照焊接的预热、后温、保温制度执行，整个返修工艺与焊接工艺相同。

3.2.5柱—柱焊接

为尽量减少施焊过程的焊接应力，防止层状撕裂，作业时一般采取由两名作业习惯相近、焊速相近的焊接技工，同时对称匀速实施焊接，并尽量保持连续焊接，尽量减少碳弧气刨的使用（碳弧气刨刨削后，焊缝表面将附着一层高碳晶粒，是产生裂纹的致命缺陷），并在使用后用角向磨光机磨去刨削部位表面附着的高碳晶粒。

尽量控制焊缝的加强面，减少应力集中，所有焊缝的余高控制在0.5-3mm以内。

3.2.6减小应力集中

为尽量减少焊接应力集中，防止裂纹出现，采取以下焊接措施：

a.每条焊缝焊前全部加装引入引出板，有意识地延长了焊工在进入正式焊缝前的调整和适应时间，有意识地迫使焊工将收弧段更有效地引出焊缝区，起到了将必然和可能出现的起、收弧的缺陷排斥到有效焊缝以外的质量控制目的，并在施工完后精确切除，从措施上免去了缝外部分的缺陷导致接头裂纹发生。

衬板和引入引出板的使用，还极有效地延缓了接头温度散失的时间。

b.先焊收缩量大的部位。

c.先焊梁的上翼板，并且在完成1/2板厚时进入下翼板的焊接，下翼板的焊接采用2名焊工对称交叉焊接的方法进行，确保了与腹板交叉部位的熔合。

下翼板全部完成后再续焊完成上翼板。

3.2.7焊接后的措施

焊接完成后，采用焊缝量规、放大镜等检查工具进行自检，确认焊缝表面无导致裂纹发生的气孔、夹渣、未熔合等现象。

（1）后温及保温措施

后热及保温是防层状撕裂的关键所在：

焊接完毕，确认外观检查合格后，应立即对焊缝进行后温，仍旧采用大功率烤枪沿焊缝中心两侧各150mm范围内

均匀加热至250℃，并持续20分钟后，采用至少2层3mm厚、1000mm长的石棉布围裹并扎紧，再密闭焊接防护棚，使其缓慢冷却，等整个节点冷至常温后方可撤去防护。

后温同预热方法相同，整个预热、层温、后热、保温过程必须采用红外线测温仪进行控制。

（2）无损检测

100%的焊后无损检测使焊接接头受控，配合以对重要接头的代表性延时多批次检测。

确保对所有焊接节点进行100%无损检测（设计一般要求超探比例20%），使焊缝缺陷及时得到了返修，针对层状撕裂的产生常常是在大面积和大体积的框架完成之后，为保证出现层状撕裂现象能得到及时发现，对具有代表性的重要承力节点进行跟踪复测，监控检测时间通常为30天，其中历经现场气候变化直到确认无任何异变才结束日检规定。

以上措施在实际工程的厚板焊接过程中收到良好的效果，为防止厚板焊接过程中的层状撕裂问题提供了有效的解决方案。

4、结论

鉴于钢结构由于具有强度高、结构自重轻、构件截面小、抗震性好、平面布置灵活、有效节约空间、质量可靠、施工速度快、现场用工省，建设周期短等一些列优点，其在建筑行业得到广泛的应用。

但由于在焊接过程中易产生焊接应力和焊接变形，然而由于焊接应力和焊接变形的存在存首先在加工过程中大量增加了加工制造物力和人力，同时使整个构件丧失稳定性，使建筑框架系统承载能力下降，从而使建筑安全使用性大为降低。

故在钢结构施工过程中应制定合理有效控制焊接应力和焊接变形措施，把焊接应力和焊接变形程度降到最低，同时针对仍有超标部分的变形应根据具体结构和变形量采用有效矫正方法进行矫正，以此保证整个建筑工程使用安全性。

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