鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房構(gòu)件焊接應(yīng)力及變形控制措施

王興元

摘要：工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)搭建過程中，廣泛使用以H型鋼柱為代表的各類鋼構(gòu)件，涉及到加工與組裝作業(yè)，在此過程中易產(chǎn)生焊接應(yīng)力并伴隨明顯的變形現(xiàn)象，若缺乏合理的矯正措施，將會對鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性造成影響。因此，從焊接應(yīng)力與變形特點出發(fā)，提出可行的控制措施極具必要性。

Abstract： In the process of building the steel structure of industrial plants， various steel components represented by H-shaped steel columns are widely used， which involves processing and assembly operations. During this process， welding stress is likely to occur and accompanied by obvious deformation. If there is no reasonable corrective measures， it will affect the overall stability of the steel structure. Therefore， it is extremely necessary to propose feasible control measures based on the characteristics of welding stress and deformation.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);工業(yè)廠房;構(gòu)件焊接應(yīng)力;變形控制

Key words： steel structure;industrial workshop;component welding stress;deformation control

中圖分類號：TU391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0135-02

1 ?鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件特征

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的特殊性。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在實際施工過程中，因為自重輕、施工公開工期短、環(huán)保、抗震性能高等特征，與以往傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行比較，具有較大的優(yōu)點：

第一，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身重量輕。鋼結(jié)構(gòu)雖然具有較大的容重，僅僅與其他建筑材料相比較，會有較高的強度。因此，在承受條件與荷載相同時，鋼結(jié)構(gòu)相比較于其他結(jié)構(gòu)較輕，有利于安裝與運輸，并且能夠跨越更大的跨度。自重輕有利于降低運輸與吊裝費用，也能減少基礎(chǔ)造價;

第二，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置較為靈活。鋼結(jié)構(gòu)可以最大程度地滿足工業(yè)廠房的實際建筑需求，最大跨度可以實現(xiàn)48m，在同一梁高環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)開間相比較于混凝土結(jié)構(gòu)開間，會增加50%，從而促進柱網(wǎng)布置靈活?？v向溫度區(qū)段通常長度標(biāo)準(zhǔn)范圍可實現(xiàn)300m，橫向溫度區(qū)段長度則為150m;鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有利于節(jié)約面積。鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較占用面積，會在很大程度上增加使用面積，提高空間利用率。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所形成的屋面會有較大空間，可以布置通風(fēng)、給水、管道、消防、采暖、封閉母線、空調(diào)冷水等;

第三，抗震性能高。因為鋼結(jié)構(gòu)自身具有一定的韌性用戶塑性，可以有效分耗震能。不會由于局部超載突然出現(xiàn)斷裂損壞，鋼結(jié)構(gòu)針對動力荷載，具有較強的適應(yīng)性，鋼柱與鋼梁組成的框架可以有效抵御8級以上的地震;

第四，鋼結(jié)構(gòu)施工工期短。輕鋼廠房所有鋼構(gòu)件都能夠在專門的金屬結(jié)構(gòu)廠商進行加工制作，具有較高的機械化生產(chǎn)程度，確保精度，從而保證鋼構(gòu)件質(zhì)量。成品構(gòu)件在運輸?shù)浆F(xiàn)場后，進行組裝過程中，工作人員需要安裝固件與螺栓即可，施工工期短，能夠有利于縮短施工工期，從而保證廠房能夠較快生產(chǎn)，從而獲取更高的經(jīng)濟效益。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件為環(huán)保建筑材料，自身屬于高效能、高強度的材料，相比混凝土結(jié)構(gòu)進行施工，鋼結(jié)構(gòu)安裝位干式作業(yè)，對環(huán)境造成的污染少，不會產(chǎn)生粉塵污染以及噪聲，已經(jīng)完成的鋼結(jié)構(gòu)方便拆卸、改造以及加固，并且也能回收二次利用。

2 ?鋼結(jié)構(gòu)工程施工方法

2.1 鋼結(jié)構(gòu)加工

①放樣全面核對圖紙內(nèi)容，經(jīng)放樣后完成各類構(gòu)件的加工作業(yè)。放樣過程中，銑、刨工件時應(yīng)充分考慮加工余量，以既定的工藝流程為指導(dǎo)，合理預(yù)留焊接收縮余量。

②號料做好對各類原材料的檢查與核對工作，在材料上確定加工位置，以便給銑、刨等環(huán)節(jié)的施工作業(yè)提供指導(dǎo);打沖孔并準(zhǔn)確標(biāo)識零件編號，此過程中應(yīng)遵循用材合理的基本原則。

③切割基于切割的方式下料，在此之前需要做好檢查工作，將殘留在鋼材上的鐵銹等雜質(zhì)清理干凈;切割過程中確保斷口質(zhì)量，不允許出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的缺口需在1.0mm以內(nèi)，及時清理邊緣的各類飛濺物。切割截面以及表面垂直度都要得到合理控制，其產(chǎn)生的偏差需控制在鋼材厚度的10%以內(nèi)，且須不大于2mm。見圖1。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接組裝

H型鋼下料作業(yè)時，需充分考慮到翼板、腹板長度，在原有基礎(chǔ)上加30mm的余量，若存在拼接需求，合理的工藝順序是先拼接作業(yè)再下料。根據(jù)設(shè)計要求，于L/3處拼接，且拼縫間距小于200mm。針對存在起拱要求的梁，其腹板起拱形式以圓弧形為宜。

定位焊施工作業(yè)時，要求間隙得到合理控制。以腹板厚度t為基準(zhǔn)，若t≥12mm，加固作業(yè)采取的是4.0mm焊條點固的形式。所有焊點應(yīng)足夠牢固，焊縫長20～30mm，各焊點間距控制在200～300mm，不可出現(xiàn)焊點高度過高的情況，以便為后續(xù)埋弧焊接提供優(yōu)良條件。通過對H型鋼的焊接作業(yè)，隨后采取機械矯正措施，有效控制翼板角變形現(xiàn)象。在翼、腹板處精確標(biāo)出中心線，在該處打上樣沖，通過此方式為零件裝配作業(yè)提供基準(zhǔn)。后續(xù)組裝作業(yè)時需將一端對齊，經(jīng)焊接矯正后再處理多余部分，將超出部分切下。梁端處孔的設(shè)置不可按邊距尺寸劃線，需要精確檢測構(gòu)件長度，在此基礎(chǔ)上修正劃線。完成構(gòu)件焊接作業(yè)后需處理外形，進行修正與焊疤清理工作，經(jīng)打磨處理使其具有足夠的光潔度，要求邊緣處形成2R倒角。

3 ?焊接應(yīng)力的消除

焊接過程中易形成應(yīng)力，為避免這一現(xiàn)象，需注重如下內(nèi)容：

①常規(guī)構(gòu)件較可行的是焊后錘擊方法要求構(gòu)件處于受熱狀態(tài)，此時利用手錘多次敲擊焊縫（此操作應(yīng)注重對稱性與均勻性），可達到焊縫收縮補償?shù)男Ч?，從而控制焊接殘余?yīng)力。

②局部加熱方法通過對焊縫周邊進行加熱可達到消除殘余應(yīng)力的效果。（見圖2、圖3）。

③關(guān)鍵性構(gòu)件較可行的是焊后熱處理方法將焊件放置在爐中并采取加熱措施，使其達到特定溫度后再冷卻，此方式的應(yīng)用效果較好，且得到了廣泛應(yīng)用。（見圖4）。

4 ?控制焊接變形的措施

4.1 材料質(zhì)量控制

各類構(gòu)件需滿足質(zhì)量要求，并出具質(zhì)量合格證，在強度、塑性等方面都要足夠良好，以免焊接過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。

4.2 鋼構(gòu)件焊接變形的矯正

針對鋼構(gòu)件整體變形現(xiàn)象，需在下料、裝配等環(huán)節(jié)采取合適的控制措施，基于矯正工藝有助于消除局部變形現(xiàn)象，在波浪變形、角變形等質(zhì)量問題中具有較好的應(yīng)用效果。針對鋼構(gòu)件焊接變形問題，主要有如下兩種處理方法：①機械矯正法借助機械實現(xiàn)對各類構(gòu)件的矯正，應(yīng)用較為廣泛的有翼緣矯直機矯正法，該裝置設(shè)置有圓盤滾輪，在其作用下可實現(xiàn)對焊縫的碾壓處理，同時控制壓縮塑性變形區(qū)，最終有效消除變形。此方法的局限之處在于適用性不強，只有在翼緣寬度大于200mm的工字鋼中才具有應(yīng)用價值。②火焰矯正法以低碳鋼為例展開分析，可細分為低溫矯正、中溫矯正與高溫矯正三種，所采取的冷卻途徑也不相同，其中低溫矯正采取的是水冷卻的方式，高溫矯正為空氣冷卻，較特殊的是中溫矯正，采取空氣與水相混合的形式。火焰矯正對加熱溫度提出較高的要求，不可出現(xiàn)溫度過高的情況，否則會引發(fā)金屬變脆等問題。

4.3 翼緣板的角變形

針對H型鋼柱變形等問題，采取縱向線狀加熱的方式，實際操作中加熱溫度需在650℃以內(nèi)，同時要控制好加熱范圍，需限定在兩焊腳操控范圍內(nèi)。在此過程中，應(yīng)避免同一方位重復(fù)加熱現(xiàn)象。①翼緣板加熱時，需要從彎曲中心處開始逐步向兩頭加熱，整個過程呈線狀特性，若處理效果欠佳，還可采取輔助加載的方式。②腹板處采取三角形加熱措施，此方式可有效處理柱、梁彎曲變形問題，橫向線狀加熱過程中實際寬度以20～90mm為宜，若處理的板厚度偏小，此時需適當(dāng)縮小加熱寬度，需從頂部開始加熱，由中心逐步向兩邊擴大，最后完成整個區(qū)域的加熱處理。

4.4 柱、梁腹板的波浪變形

尋找波峰處，通過圓點加熱法輔以手錘的方式實現(xiàn)對變形的有效矯正，此過程中加熱圓點直徑需得到有效控制，普遍介于100～200mm，以中溫矯正較為適宜，達到波峰時增設(shè)墊板并捶打，從而達到加熱區(qū)金屬受壓的效果，后續(xù)經(jīng)冷卻后即可恢復(fù)平整狀態(tài)。

5 ?結(jié)語

鋼構(gòu)件焊接變形現(xiàn)象將對鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量造成影響，實際施工中需注重如下要點：①針對構(gòu)件采取分段、分片焊接作業(yè)，在此基礎(chǔ)上再進行拼裝;②以大塊材料為宜，以達到控制焊縫數(shù)量的效果;③針對構(gòu)件采取定位加固措施，提升結(jié)構(gòu)剛性;④采取自動埋弧焊的方法，確定合適的焊接參數(shù);⑤基于反變形法有助于控制焊接變形現(xiàn)象。

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