探析建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對焊接的基本要求

【摘 要】近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，建筑行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展時期。在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，焊接技術(shù)直接關(guān)系著建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量，由于建筑鋼結(jié)構(gòu)本身具有功能多樣性、形式多變性特征，使其在設(shè)計中對焊接提出了更高要求。文章將對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對焊接的基本要求進(jìn)行深入分析和探究，以期為相關(guān)設(shè)計人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；焊接；節(jié)點(diǎn)設(shè)計；焊接余應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度

當(dāng)今，隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛的被應(yīng)用于建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的建筑工程通用體系相比具有自重輕、工業(yè)化程度高、強(qiáng)度高、布置靈活簡便的特點(diǎn)，對加快施工進(jìn)度、提高工程質(zhì)量具有重要作用。但是由于各種因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)因為失穩(wěn)引起的事故也時有發(fā)生，所以，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性設(shè)計的重視，而焊接作為鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要支撐，被提出了更高的要求。

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)設(shè)計

建筑鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或穩(wěn)定性不足會引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，嚴(yán)重的話甚至?xí)?dǎo)致安全事故的發(fā)生。建筑鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是指的是應(yīng)力問題，即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常穩(wěn)定狀態(tài)下由荷載引起的最大應(yīng)力是否在建筑材料的承載范圍。穩(wěn)定性主要指的是結(jié)構(gòu)外部荷載與構(gòu)件內(nèi)部抵抗力之間的不穩(wěn)定，只有找出能夠保持兩者平衡的狀態(tài)，才能避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，增加鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。焊接結(jié)構(gòu)與建筑鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性息息相關(guān)，隨著建筑高度的增加，鋼結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計對鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)和焊接質(zhì)量提出了更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)形式和體系繁多，涉及到的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也比較復(fù)雜，這就造成了焊接接頭形式多樣，焊接技術(shù)難度大大增加，一些焊接結(jié)構(gòu)比如剪力板與柱的焊接、框架梁與柱的焊接等必須引起建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的高度重視，應(yīng)科學(xué)、合理設(shè)計各個節(jié)點(diǎn)。

在建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計非常重要，主要包括梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計、梁板節(jié)點(diǎn)設(shè)計、梁與梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計、柱與柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計等。結(jié)構(gòu)分析前，要結(jié)合工程實際情況對節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行確定，保證每個節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性，避免設(shè)計的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析中節(jié)點(diǎn)形式的不一致，并盡量采用簡單、可靠的施工工藝，減少甚至是避免現(xiàn)場的焊縫連接。節(jié)點(diǎn)可按照傳力特性的不同分為剛接、鉸接和半剛接，連接形式不同，對鋼結(jié)構(gòu)的影響也是不同的。在設(shè)計節(jié)點(diǎn)的時候，設(shè)計內(nèi)容主要包括焊接、栓接、連接板、梁腹板、螺絲。對于焊接，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，合理確定焊接焊縫的尺寸和形式，設(shè)計人員不得隨意加大焊縫，焊縫與連接構(gòu)件的重心要接近，焊條的材質(zhì)必須與連接金屬的材質(zhì)一致。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對焊接的基本要求

2.1 焊接鋼材的選擇

為了提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性，在選擇焊接用鋼材的時候，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定對建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接用鋼材提出的要求進(jìn)行選擇，包括焊接用鋼材的焊接性、伸長率、屈強(qiáng)比以及屈服臺階。其中，伸長率、屈強(qiáng)比、屈服臺階與鋼材的延性有關(guān)，而良好的焊接性則是指鋼材的焊接性，它涵蓋了鋼材全部焊接性能，在焊接性中，最重要的是掌握S含量，保證焊接性的穩(wěn)定。

2.2 分清主、次結(jié)構(gòu)

建筑鋼結(jié)構(gòu)中的主結(jié)構(gòu)主要是承載各種重力荷載、結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力、地震作用等，是保證整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形性能的重要系統(tǒng)，包括框架梁、柱、支撐體系、抗剪墻板等，在主結(jié)構(gòu)設(shè)計中，各個構(gòu)件的連接必須達(dá)到抗震要求。次結(jié)構(gòu)承載力不包括地震作用，即不需要承載地震作用力，比如外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、次梁、樓蓋屋蓋等都是次結(jié)構(gòu)，次結(jié)構(gòu)的設(shè)計中各構(gòu)件的連接不需要達(dá)到抗震要求。

框架梁與柱的連接、柱腳連接、支撐與框架的連接以及其他抗側(cè)力構(gòu)件與框架的連接都是主結(jié)構(gòu)中重要的連接部位，也是焊接最重要的部位。在主結(jié)構(gòu)中，采用焊接結(jié)構(gòu)的時候比較關(guān)鍵的焊縫有柱拼接焊縫、梁柱連接焊縫、梁腹板與柱的連接焊縫、剪力板與柱的連接焊縫、消能梁段與柱的連接焊縫等。當(dāng)前，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中被高度重視的焊縫為梁柱連接焊縫和柱的拼接焊縫。

2.3 焊縫的設(shè)計

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對焊縫的設(shè)計也有要求，不同結(jié)構(gòu)要采用不同的連接焊縫。對于沒有抗震要求的結(jié)構(gòu)，其連接一般是按照內(nèi)力來進(jìn)行設(shè)計，連接的承載力必須大于構(gòu)件承載力的一半，如果有必要則可采用等強(qiáng)度設(shè)計法進(jìn)行設(shè)計。對于有抗震要求的框架構(gòu)件的連接，其設(shè)計必須采用抗震設(shè)計法進(jìn)行，連接的最大承載力要大于構(gòu)件整體塑性承載力，這種連接相較于等強(qiáng)度連接具有更高的要求，能夠在一定程度上保證鋼結(jié)構(gòu)整體耐力，使構(gòu)件在承受大震后仍保持連接的狀態(tài)。主結(jié)構(gòu)中的框架梁與柱的連接、柱腳連接、支撐與框架的連接以及其他抗側(cè)力構(gòu)件與框架的連接都必須滿足抗震設(shè)計要求。

2.4 梁柱連接

對于框架梁與柱的連接形式主要有兩種，即梁柱的現(xiàn)場連接、梁的懸臂段預(yù)先與柱焊接，待進(jìn)施工現(xiàn)場后再進(jìn)行梁的拼接。這兩種連接方式都在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中得到了廣泛的應(yīng)用，其中梁柱的現(xiàn)場連接是采用高強(qiáng)度的螺栓將梁腹板與柱剪力板連接起來，待進(jìn)入施工現(xiàn)場再焊接梁翼緣與柱；而后者則是將梁與柱全部焊接起來。雖然這兩種連接形式應(yīng)用都比較廣泛，但是前者相較于后者有更好的抗震性。由于主結(jié)構(gòu)中的梁翼緣與柱的連接焊縫需要承載梁翼緣傳來的負(fù)荷，因此，在梁柱連接中，梁翼緣與柱的焊接非常重要，為了保證各節(jié)點(diǎn)的整體性，最大限度的減小構(gòu)件間連接的破壞，可采用全熔透焊縫。

2.5 焊接殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力能夠直接影響建筑鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低焊接用鋼材的有效比例極限，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷，因此，在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候必須考慮焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由于焊接過程中焊接區(qū)周圍的不均勻受熱。為了保證結(jié)構(gòu)剛度、靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、受壓桿件的穩(wěn)定性和桿件脆性，必須從熱學(xué)角度分析并研究焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

2.6 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度

焊接接頭應(yīng)力集中區(qū)是引起焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞的重要來源，為了使焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)要求，必須對焊接接頭進(jìn)行抗疲勞設(shè)計，并采取必要措施，提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。首先，必須保證結(jié)構(gòu)形式和合理性，降低焊接接頭集中應(yīng)力，從而提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度；也可通過采用應(yīng)力集中系數(shù)較小的焊接接頭，降低集中應(yīng)力。其次，對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，盡量將應(yīng)力集中區(qū)的殘余拉應(yīng)力消除。再次，改善焊接用鋼材的力學(xué)性能，可通過涂保護(hù)層的方法改變環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響?？傊?，焊接殘余應(yīng)力必須得到消除或降低才能提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，這對建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗震性有著積極影響。

3.結(jié)語

總之，鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑工程中已得到了廣泛的應(yīng)用，同時，也應(yīng)清楚認(rèn)識到建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞帶來的危害，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重視穩(wěn)定性和抗震性設(shè)計。焊接是建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中框架體系的重要組成部分，是建筑結(jié)構(gòu)的重要支撐力量，直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，在設(shè)計中必須對其予以足夠的重視。設(shè)計人員要找出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對焊接的基本要求，采取相應(yīng)技術(shù)措施，將焊接對建筑鋼結(jié)構(gòu)的不良影響降到最低，使焊接充分發(fā)揮在保證建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性、提高鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量和壽命方面的作用。

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