某工程焊接方形鋼管柱焊縫開裂原因分析

楊全全

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

施工質量問題普遍存在于各種工程項目中，有的質量問題不僅不滿足施工質量驗收規范中允許偏差的要求，而且一定程度上會引起結構構件承載能力不足、影響構件安全性；有的質量問題僅是不能滿足施工質量驗收規范中允許偏差的要求，一般情況下不會引起構件承載力不足，但會形成薄弱點，當存在此類質量問題的結構構件在某種非正常荷載或者非設計荷載作用下，往往會造成構件破壞以及工程事故的發生。本文以某鋼結構框架工程為實例，對該工程中一根存在工程質量缺陷的鋼框架柱在非設計荷載下發生破壞的原因進行了分析。

1 工程概況

某工程為地上三層鋼框架，框架柱采用焊接方形鋼管，框架梁采用 H 型截面，樓、屋面板均采用壓型鋼板與鋼筋混凝土現澆板的組合樓板。一層層高為 6.5 m，二層、三層層高均為 5.5 m，室內外高差 0.15 m，房屋高度為 17.65 m，結構平面布置示意圖如圖 1 所示。該工程所處場地屬嚴寒地區，建筑抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.1g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為 0.45 s，結構阻尼比為 0.035；抗震設防分類為標準設防（丙）類。結構安全等級為二級，結構設計使用年限為 50 年，框架抗震等級為三級。上部結構嵌固端為包腳頂面?；A采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎，持力層土質為天然地基，以圓礫層為持力層，地基基礎設計等級為丙級。鋼結構及所有節點板均采用 Q235 級鋼。節點螺栓連接采用 10.9 級摩擦型高強螺栓，焊縫連接中所有對接焊縫以及坡口焊縫均為一級熔透焊縫，焊縫采用 E43 型焊條手工焊。該工程鋼結構及現澆樓板完工后，因某種原因停工一年準備復工時，施工單位發現一層 4×A 軸線框架柱根鋼板間焊縫開裂，如圖 2 所示。

圖1 某工程 1～3 層結構平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 某工程方形鋼管柱焊縫處開裂

2 現場檢測與調查

2.1 工程質量檢測

1）結構布置核查與檢測。根據 GB 50205-2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》［1］及 GB/T 50621-2010《鋼結構現場檢測技術標準》［2］的規定，現場分別對該工程結構布置進行核查、對軸網尺寸及層高進行檢測。結果表明，該工程結構布置、軸網尺寸及層高均符合設計要求。

2）鋼構件尺寸檢測。根據 GB/T 50621-2010《鋼結構現場檢測技術標準》的要求，采用鋼卷尺、游標卡尺以及超聲波板件測厚儀等儀器對該工程鋼構件截面尺寸、板件厚度進行了檢測。檢測結果表明，該工程鋼構件截面尺寸、板件厚度均滿足設計要求及 GB 50205-2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》的允許偏差要求。

3）節點連接檢查。經現場檢查，該工程框架柱與主梁間、主梁與次梁間節點螺栓連接以及柱腳連接形式均滿足設計要求。

4）焊縫開裂柱檢測。經檢測，該工程一層 4×A 軸線框架柱柱根位置焊縫處開裂，開裂長度 600 mm，最大裂縫寬度 4 mm，開裂處鋼板出現局部屈曲，如圖 2 所示。采用全站儀對框架柱變形進行觀測。首先對該柱頂點側向位移進行觀測，結果表明該柱未出現明顯傾斜。然后對框架柱相鄰柱基沉降差進行觀測，結果表明 4×A 軸線框架柱處地基無明顯不均勻沉降。

5）焊縫尺寸及質量缺陷檢測。在焊縫開裂處測得焊縫寬度 12 mm、高度為 4 mm，方形柱鋼板間采用半熔透焊縫，柱截面示意圖如圖 3 所示。在該框架柱焊縫未開裂處采用超聲波探傷檢測方法對該焊縫內部缺陷進行檢測，檢測結果表明該框架柱鋼板間對接焊縫存在嚴重缺陷，如夾渣、未熔合、未焊透等，焊縫質量等級評定為三級。檢測結果表明，該方形框架柱鋼板間焊縫形式、焊腳高度及焊縫質量等級均不滿足設計要求。

圖3 1 層 4×A 框架柱截面及焊縫示意圖（單位：mm）

2.2 現場調查

經現場調查，該框架柱在鋼結構完工后停工一年期間未發生集中堆載等情況，僅承受主體結構傳遞的恒荷載。根據施工方介紹，在停工期間，鋼管柱頂端未封堵，且經歷強降雨天氣，部分屋面排水灌入鋼管柱內，在大多數鋼管柱內形成積水?，F場通過對未開裂鋼管柱內積水高度測量后表明，鋼管內積水高度約 550～650 mm。該工程位于嚴寒地區，最冷月平均溫度為-15 ℃，停工一年期間經歷了冬季。

經現場檢測及調查，初步判斷該鋼管柱焊縫處開裂與焊縫質量問題和冬季管內積水結冰引起的凍脹力有關。

3 鋼管柱開裂原因分析

為準確分析該工程一層 4×A 軸線方形鋼管框架柱開裂的原因，首先采用 PKPM 軟件建立上部結構三維計算模型，計算出該框架柱在實際恒荷載作用下的構件內力。然后采用通用有限元軟件 ABAQUS 模擬分析該柱實際受力狀態下的截面應力。

3.1 構件內力計算

通過采用 PK PM 三維整體模型計算得出，在僅考慮樓面恒荷載及構件自重作用下，一層 4×A 軸線框架柱反彎點位于柱高度范圍內、距柱底 1/3 柱高（取 2.15 m）處，荷載引起的框架柱內力為：軸向壓力N=703 kN，沿橫向框架方向（Y向）的水平剪力V=28.2 kN，柱底繞X軸彎矩M=60.6 kN·m，沿縱向框架方向內力較小，可以忽略不計。

3.2 截面應力計算

本文采用通用有限元軟件 ABAQUS，采用三維實體單元分別創建鋼板及焊縫部件，建立框架柱反彎點以下部分的有限元模型，如圖 4 所示，模型信息如下所述。

圖4 ABAQUS 模型

1）材料屬性。鋼材采用雙折線模型，即彈性段（oa）和強化段（ab）。fy為鋼材的屈服強度，Es為鋼材初始彈性模量；強化段的模量可取 0.01Es，如圖 5 所示。屈服強度fy=235 MPa，抗拉強度fu=370 MPa，彈性模量Es=206 000 MPa，泊松比ν=0.3，線膨脹系數α=1.2×10-5；對接焊縫抗拉強度fu=415 MPa［3］。

圖5 鋼材應力-應變關系曲線圖

2）模型加載?？蚣苤鶅攘νㄟ^在模型頂部施加水平向集中力V=28.2 kN 和豎向集中力N=703 kN 進行模擬。管內積水結冰過程中，對鋼管壁產生 5.33～10.54 MPa 的均勻壓力［4］，模型中按 3.0 MPa 的內壓進行模擬試算，凍脹力作用范圍取柱底以上 600 mm 內。根據模型加載的不同，分別建立兩個模型，模型一僅施加集中力；模型二同時施加集中力和水結冰產生的凍脹力。

經計算分析，該柱在集中力作用下，鋼板截面最大應力為 65.56 MPa，焊縫最大應力為 61.65 MPa，均小于其各自的抗拉強度，應力云圖如圖 6 所示。在集中力和凍脹力共同作用下，鋼板截面最大應力為 330.0 MPa，焊縫最大應力為 481.6 MPa，應力云圖如圖 7 所示。

圖6 柱內力作用下鋼管柱應力云圖（單位：MPa）

圖7 考慮凍脹力時鋼管柱應力云圖（單位：MPa）

3.3 原因分析

根據焊接方形鋼管柱在集中力和凍脹力作用下截面應力的計算分析結果可知，該鋼管柱在實際豎向恒荷載產生的內力作用下，雖然焊縫質量不滿足設計要求，但鋼板和焊縫截面應力遠小于其各自抗拉強度，未達到破壞程度。在集中力和凍脹力共同在作用下，焊縫最大拉應力為 481.6 MPa，大于焊縫的極限抗拉強度 415 MPa，且早于鋼板達到極限抗拉強度，首先破壞，與工程實際情況相符。

4 結論

根據現場檢測及有限元計算分析結果，經綜合分析，結論如下。

1）焊縫高度及質量等級不滿足等質量問題造成該框架柱焊縫對鋼板不能形成良好的連接，不能達到焊縫與母材等強，在構件受力過程中形成薄弱部位，很大程度影響構件的承載能力。

2）因施工和停工過程中對鋼構件的維護不當，造成鋼管柱內大量積水，歷經寒冬，積水結冰后體積膨脹，對鋼管壁產生較大的壓力，在鋼板及焊縫內部形成較大應力，最終因焊縫應力大于其抗拉強度而破壞、開裂。Q