美標抗震鋼結(jié)構(gòu)的制作要點

姜金泉 孫陳晨 徐文敏

上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司 江蘇 海門 226100

建筑結(jié)構(gòu)抗震性能直接關(guān)系到人員的生命安全及財產(chǎn)安全，震后的相關(guān)調(diào)查和研究表明，造成震害的主要原因之一是建筑立面與平面不規(guī)則而造成的結(jié)構(gòu)不連續(xù)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)是躍層的特點，從豎向看，抗側(cè)力較小，剛度易形成突變，進而造成斷裂。所以為了避免地震造成的不利影響，應(yīng)采用有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

鋼材是均質(zhì)材料，且各向同性，有強度高、質(zhì)量輕、延性好的特點。鋼結(jié)構(gòu)框架由于鋼材強度高和材質(zhì)均勻，因而結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性較大。鋼結(jié)構(gòu)建筑的自重輕，從而地震波動作用對結(jié)構(gòu)的作用會減小。因為鋼結(jié)構(gòu)延性較好，所以鋼結(jié)構(gòu)具有的變形能力很大，鋼結(jié)構(gòu)建筑在很大的變形下也不會倒塌，從而使得結(jié)構(gòu)的抗震安全性得以保證。

另外，在材料選擇得當(dāng)?shù)耐瑫r，結(jié)構(gòu)構(gòu)造、節(jié)點形式優(yōu)化、工藝方法優(yōu)化以及加工質(zhì)量保證進一步增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性[1]。

本文基于美國抗震規(guī)范系統(tǒng)對涉及加工要點進行研究，保證產(chǎn)品質(zhì)量符合規(guī)范要求，同時也為后續(xù)美標抗震鋼結(jié)構(gòu)加工制作提供類似經(jīng)驗。

1 項目背景

1.1 項目地質(zhì)條件

秘魯Quellaveco銅礦項目位于秘魯南部。秘魯位于南美洲安第斯山西側(cè)，山地占全國面積的1/3，國土南北縱貫狹長，處在南極洲板塊和美洲板塊交界處，屬于環(huán)太平洋地震帶，地殼運動活躍，因此該國地震多發(fā)。

1.2 項目采用規(guī)范

項目主要采用美國規(guī)范標準，另外因此項目位于地震帶，鋼結(jié)構(gòu)制作部分，從結(jié)構(gòu)設(shè)計到加工制作都對抗震能力有較高的要求。所涉及的規(guī)范主要包括：

AISC 360-10《鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范》、AISC 341-10《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震規(guī)定》、AISC 358-10《預(yù)審連接在特殊和中間抗震鋼框架的應(yīng)用》、AISC 303-10《鋼結(jié)構(gòu)建筑和橋梁行業(yè)規(guī)范》、RCSC/AISC《結(jié)構(gòu)用高強螺栓技術(shù)規(guī)范》、AWS D1.1/D1.1M-15《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、AWS D1.8-16《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范地震補充》。

2 美標抗震鋼結(jié)構(gòu)制作要點

2.1 材料選擇要點

對于地震力抵抗系統(tǒng)中的鋼結(jié)構(gòu)，材料的性能關(guān)系到結(jié)構(gòu)強度及抗震性能，鋼材及焊接材料在選擇時需要注意以下要求：

2.1.1 鋼材要求

材料選擇時需遵循AISC 341-10設(shè)計規(guī)范中給出預(yù)期強度要求進行設(shè)計。

對于抗震（SLRS）中的鋼結(jié)構(gòu)，除了設(shè)計規(guī)范ANSI/AISC 360章節(jié)A3.1C的要求之外增加鋼板沖擊韌性要求：材料厚度≥1.5 in（38 mm）翼板的熱軋型材應(yīng)按照ASTM A6補充要求S30的說明，在21 ℃時夏比V形缺口韌度測試最小為27 J；當(dāng)材料厚度≥2 in（50 mm）時，鋼板應(yīng)按照ASTM A673所允許的任何位置處測量，在21 ℃時夏比V形缺口韌度測試最小為27 J。

此要求適用以下結(jié)構(gòu)位置：由鋼板構(gòu)造的構(gòu)件、要求在地震加載下有非彈性應(yīng)變之處的連接鋼板、作為壓曲限制支架的構(gòu)件。

2.1.2 焊接材料

為避免氫致冷裂紋產(chǎn)生，焊接材料在選用上應(yīng)優(yōu)先考慮裂紋敏感度低的H16低氫焊材。焊接料需按AWS D1.8規(guī)范附錄A相關(guān)要求對每個批次進行最大、最小熱輸入試驗。確保焊接材料符合抗震結(jié)構(gòu)制作要求。避免焊接金屬位置沖擊韌性過低，當(dāng)遇到地震易造成局部斷裂。

在抗震的構(gòu)件和連接節(jié)點焊接時使用焊材也應(yīng)滿足－18 ℃時夏比V形缺口韌度27 J的要求，可以通過AWS A5分類試驗方法試驗保證或者焊材廠家的質(zhì)保證書來確定。

當(dāng)采用FCAW焊接材料時，因其拆封后暴露在環(huán)境中易受潮，受潮后焊絲中水分含量偏高，增加焊縫中氫含量，影響焊接性能，增加裂紋敏感指數(shù)甚至導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，所以在AISC 341條文W6.3中規(guī)定其暴露在環(huán)境中的累積時間不得超過72 h，應(yīng)可以將它們儲存在保護性包裝中或者箱子里，避免焊絲受潮，影響焊接性能。

2.2 加工要點

2.2.1 過焊孔加工要求

抗震構(gòu)件過焊孔開設(shè)方式及形狀直接影響到應(yīng)力釋放性能，在抗震體系中強柱弱梁的運用有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，過焊孔的開設(shè)其主要目的應(yīng)為應(yīng)力釋放，在瞬間應(yīng)力釋放過程中有關(guān)鍵性影響，合理的形狀對于應(yīng)力釋放及建筑物遭遇強地震時，不會因地震瞬間破壞性導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)瞬間斷裂造成建筑坍塌。

在美國抗震系統(tǒng)中，對梁柱焊接節(jié)點中過焊孔形狀及表面質(zhì)量有著明確要求，打磨后表面粗糙度不得超過13μm，過焊孔開設(shè)形狀如圖1所示。圖1中相關(guān)部分的具體要求為：①表示坡口角度參照焊接工藝（WPS）；②表示翼板厚度（tbf）或者12 mm兩者中的大值；③表示最小3/4翼板厚度或者20 mm兩者中的大值，最大尺寸為翼板厚度，允許偏差0～＋6 mm；④表示最小半徑為10 mm；⑤表示3倍的翼板厚度，允許偏差±12mm；⑥表示表面粗糙度不得超過13 μm；⑦表示當(dāng)過焊孔與翼緣板夾角嚴禁超過25°。

圖1 過焊孔開設(shè)形狀

2.2.2 引熄弧板設(shè)置要求

引熄弧板設(shè)置能夠有效避免引（熄）弧過程中焊接電弧不穩(wěn)，以及焊接成形差、焊接缺陷的產(chǎn)生。對于抗震構(gòu)件焊縫質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到建筑的抗震性能。AWS D1.8美標焊接規(guī)范抗震補充部分，對引熄弧板尺寸及裝配均有特殊要求及規(guī)定。具體要求如下：

1）引（熄）弧板需與母材材料同材質(zhì)、同厚度、同坡口。

2）引（熄）弧板最小長度25 mm，最大長度50 mm。

3）引（熄）弧板裝配及定位焊接要求如圖2所示。

圖2 引（熄）弧板接頭形式及安裝方法

4）采用火焰切割除時，留根2～3 mm切除后，打磨平滑，表面粗糙度不得超過3μm，并進行100%磁粉檢測，避免表面裂紋等缺陷。

2.2.3 鋼印標記要求

對于抗震構(gòu)件，構(gòu)件標識如有要求采用鋼印標記時，應(yīng)采用低應(yīng)力鋼印進行標識，避免鋼印沖擊構(gòu)件表面造成材料表面產(chǎn)生缺陷，如表面微裂紋。當(dāng)微裂紋存在，裂紋會隨著時間推移及工況條件的變化而延伸，存在結(jié)構(gòu)斷裂風(fēng)險。特別對于位于地震帶建筑，結(jié)構(gòu)斷裂的潛在風(fēng)險相對要高。所以如做鋼印標記應(yīng)采用低應(yīng)力鋼印，例如針式或激光打碼機。同時避免表面應(yīng)力集中形成表面缺陷。

2.3 焊接要點

2.3.1 焊接工藝

對于焊接工藝評定，當(dāng)焊接抗震構(gòu)件中關(guān)鍵焊縫接頭時，焊接工藝在滿足AWS D1.1規(guī)范中相關(guān)要求外，還需按AWS D1.8規(guī)范，進行最大及最小熱輸入量焊接時焊材性能補充試驗，以確保焊接材料性能及焊接工藝滿足關(guān)鍵焊縫接頭性能要求。

2.3.2 焊接人員資質(zhì)

從事美標鋼結(jié)構(gòu)焊接工作的焊工、焊接操作工及定位焊工，應(yīng)持有被認可的AWS焊工證書。美標抗震構(gòu)件中關(guān)鍵焊縫焊接時必須由滿足AWS D1.8焊工技能測試合格的焊工進行焊接。

焊接時需在引熄弧板上進行引弧，焊接時焊縫必須穿過腹板厚度方向。第1道焊接完成后，下一道需要從相對側(cè)開始焊接。焊工測試試板裝配如圖3所示。

圖3 焊工測試試板裝配示意

2.3.3 定位焊要求

為避免焊接產(chǎn)生缺陷在特殊工況下導(dǎo)致焊縫失效，定位焊一般要求點焊在焊接側(cè)，非焊接側(cè)不允許進行點焊，如坡口焊縫需點焊在坡口內(nèi)側(cè)，合格的定位焊縫可以融入焊縫，成為其一部分，不需要在焊接前清除，存在焊接缺陷的定位焊焊前需刨除，不得作為焊縫一部分。角焊縫及坡口焊縫定位焊見圖4。

圖4 角焊縫及坡口焊縫定位焊

2.3.4 保護區(qū)焊接注意點

在AISC抗震體系中，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，部分地震產(chǎn)生的勢能需通過特定的構(gòu)件或連接節(jié)點非彈性變形來轉(zhuǎn)移及消化。這些非彈性高塑性變形區(qū)域稱為保護區(qū)。圖5中紅色線框出位置即為抗震系統(tǒng)中的保護區(qū)。

圖5 抗震保護區(qū)

為了避免應(yīng)力集中可能導(dǎo)致的高塑性應(yīng)變區(qū)域的斷裂，此部分塑性變形區(qū)域從切割、裝配、焊接均有嚴格要求。

切割加工時此位置區(qū)域的過焊孔應(yīng)按AWS D1.8要求進行加工，且切割面粗糙度要求控制在13 μm以內(nèi)，避免母材因機械加工過程造成局部損傷形成失效因子，導(dǎo)致此區(qū)域塑性應(yīng)變失效斷裂，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至坍塌。

保護區(qū)梁柱節(jié)點內(nèi)，在裝配現(xiàn)場禁止安裝用于定位等的臨時輔助裝置或附件，以避免保護區(qū)焊接時造成熱影響，使得母材局部晶粒粗大硬化，從而造成在塑性變形下，韌性下降導(dǎo)致提前失效。

梁柱節(jié)點坡口焊接時，定位焊同樣需滿足定位焊要求，另外因在地震發(fā)生時垂直于施加應(yīng)力方向的應(yīng)力集中比平行于施加應(yīng)力方向的應(yīng)力集中更為嚴重。當(dāng)涉及打磨修補時，打磨斜坡垂直于構(gòu)件軸線應(yīng)按1∶2.5斜度，沿著構(gòu)件軸線方向進行修復(fù)的斜坡坡度按1∶5斜度光滑過渡。

另外，對于保護區(qū)內(nèi)，在梁柱節(jié)點及區(qū)域內(nèi)焊接時，此部分焊縫需要按AWS D1.8關(guān)鍵焊縫進行焊接。對于焊工同樣要求具有AWS D1.8附加測試合格資質(zhì)，以保證保護區(qū)焊接質(zhì)量及焊接接頭性能。

3 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)在抗震方面的優(yōu)點使得它在建筑方面得到了廣泛的應(yīng)用， 但是鋼結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)件的加工要點往往被忽略，地震荷載作用下節(jié)點的破壞為循環(huán)塑性、板件局部屈曲、低周疲勞等3種失效形式的相關(guān)作用。從失效形成原因分析，增加結(jié)構(gòu)抗震能力不單單要從結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，加工制作也應(yīng)嚴格按照相應(yīng)規(guī)范及標準進行加工，從而保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本文通過美國抗震體系標準規(guī)范中涉及的加工要點進行研究，重點針對上述要點的分析，從加工角度進行研究，保證構(gòu)件的加工質(zhì)量從而保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時也為后續(xù)相類似工程積累一定的加工經(jīng)驗。