鋼結構構件施工中焊接應力對安裝精度影響的研究

張濤

摘 要：在施工過程中，焊接應力對鋼結構構件施工質量起著至關重要的作用，是鋼構件安裝精度控制的重要環節?；诖耍ㄟ^對焊接應力產生的原因、焊接工藝、焊接應力監測分析，找準正確施工方法，減少焊接應力和變形，提高構件安裝精度，確保框架結構的施工質量。

關鍵詞：鋼結構；焊接構件；焊接應力；安裝精度；焊接施工技術

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）02-0118-04

1研究背景及目的

1.1 研究背景及方向

鋼結構住宅在現代建筑中應用廣泛，結構形式復雜，構件截面尺寸大，屬于細長構件，且構件數量多。鋼框架柱垂直度精度控制要求非常嚴格，焊接工藝、焊接應力等因素，可對鋼框架柱的垂直度偏差、軸線偏差造成不同程度的影響[1]。

焊接應力對施工質量起到關鍵作用，是安裝精度控制的重要環節。本研究通過實驗研究了焊接應力對鋼結構構件安裝精度的影響，通過分析焊接應力產生原因、焊接工藝和焊接應力監測，總結減少焊接應力和變形、提高構件安裝精度的施工方法，確保施工質量。

1.2 研究目的

一是測試典型鋼框架柱對接節點的焊縫收縮應變，分析焊接工藝對鋼框架柱對接節點焊縫收縮應力影響規律，為施工工藝的改進提供參考數據。

二是測試鋼框架柱對接節點焊接工藝對構件垂直度的影響。

三是綜合分析鋼框架柱對接節點焊接施工對整個框架結構體系線型的影響。

2 焊接應力對安裝精度的影響分析

2.1 焊接應力產生原因

焊接應力是在焊接過程中由于材料的熱脹冷縮以及焊縫形成引起的內部應力。

焊接應力的產生主要有以下4個原因：①熱應力。焊接過程中，由于焊接熱源的作用，焊接區域局部產生高溫，發生局部膨脹，而周圍區域處于低溫狀態，產生收縮。由于溫度不同，造成了焊接接頭的內部應力[1]。②冷卻收縮應力。焊接完成后，焊接接頭在冷卻過程中發生收縮。由于焊縫的約束和冷卻速率的差異，焊接接頭上會產生內部應力。③相變應力。在焊接過程中，由于材料的顯微組織結構發生變化，如固溶體析出、相變等，引起應力的重新分布。④機械應力。在焊接過程中，由于焊接壓力或外力的作用，會導致焊接接頭存在機械應力。

2.2 焊接工藝對安裝精度的影響

焊接工藝對鋼結構構件的安裝精度具有重要影響。具體有以下4個常見的影響：①焊接準備。焊接前的焊縫準備對焊接質量和安裝精度至關重要。焊縫的準備包括清潔焊接表面、角度、尺寸等，對于保證焊接接頭的配合精度具有重要作用。②焊接順序。焊接過程中的焊接順序也會對安裝精度產生影響。選擇合理的焊接順序可以減少焊接應力的積累和變形的發生。③焊接溫度。焊接過程中的溫度控制對安裝精度的影響也十分重要。過高的焊接溫度會導致焊接接頭的變形和熱影響區擴大，而過低的焊接溫度則可能影響焊縫的質量[2]。④焊接速度。焊接速度也會對安裝精度產生影響。過快或過慢的焊接速度都可能影響焊接接頭的質量和變形情況。

2.3 焊接應力監測方法

為了準確評估焊接應力對安裝精度的影響，需要采用適當的焊接應力監測方法。具體有以下4種常用的焊接應力監測方法。

2.3.1 應變測量法

通過在焊接接頭上安裝應變測量片，測量焊接過程中產生的應變值，從而推斷焊接應力的存在和分布情況[3]。

2.3.2 應力釋放法

在焊接完成后，通過局部加熱或機械加載等方法來釋放焊接接頭中的焊接應力，并觀察其變形情況，從而推斷焊接應力的存在和分布情況。

2.3.3 數值模擬方法

利用有限元分析等數值模擬方法，對焊接接頭進行模擬計算，推斷焊接應力的存在和分布情況。

2.3.4 非破壞檢測方法

利用超聲波、紅外線熱像儀等非破壞檢測方法，對焊接接頭進行檢測，觀察焊接應力的影響程度。

通過合理選擇和使用這些焊接應力監測方法，可以全面了解焊接應力對安裝精度的影響，為改進焊接施工技術提供有效的參考依據。

3改進焊接施工技術

3.1 合理預熱和采用低溫焊接

預熱和低溫焊接是一種改進焊接施工技術，旨在減小焊接應力對安裝精度的影響。通過預熱和低溫焊接這兩種改進施焊技術，可以有效減小焊接應力對安裝精度的影響。這兩種方法的綜合應用可以提高施焊過程的精度和質量[4]。

3.1.1 預熱

在進行焊接過程之前，對構件進行加熱處理。預熱的目的是提高構件的溫度，使其能夠更好地承受焊接過程中產生的熱應力，并減小焊接應力對構件的影響。預熱的方式可以采用火焰加熱、電加熱等方法。

3.1.2 低溫焊

通過控制焊接過程中的溫度來減小焊接應力的一種方法。焊接過程中的溫度升高會導致構件的熱膨脹，從而產生熱應力。通過降低焊接溫度，可以減小焊接過程中的熱應力，從而降低焊接應力對構件的影響。在低溫焊接中，需要根據具體的焊接材料和焊接工藝合理選擇焊接溫度，以確保焊縫質量和構件的安全性。

3.2 優化焊接工藝

針對焊接應力對安裝精度的影響，在具體的焊接施工中，可以采用兩人對稱施焊的工藝。傳統的單人施焊工藝中，焊接應力容易導致鋼柱的傾斜和偏移，從而影響安裝精度。為了解決這個問題，依托工程采用兩人對稱施焊的工藝，主要表現在以下5個方面來優化焊接工藝。

3.2.1 焊接過程監測與控制

采用實時監測技術對焊接過程中的溫度、應力和變形等參數進行全面監測，并通過相應的控制手段進行實時調整。

3.2.2 對稱施焊焊接

由兩名焊工同時施焊，一個位于鋼柱的一側，另一個位于相對的一側，對稱地進行施焊。兩名焊工按照預定的焊接工藝進行焊接操作，包括選擇適當的焊接電流、電壓和速度等參數。在焊接過程中，焊工應注意保持焊接電流和速度的一致性，以保證施焊區域的均勻加熱和焊接質量的穩定性。

3.2.3 應力消除熱處理

在焊接完成后，對焊接結構進行應力消除熱處理，以減小殘余應力的影響。通過應力消除熱處理，可以使焊接結構獲得較低殘余應力，從而提高安裝精度[5]。

3.2.4 科學選材與調控

選擇具備良好焊接性能和較低熱膨脹系數的鋼材，可以減少焊接應力的產生。在控制焊接參數的同時，通過合理的熱處理和材料組織調控，可以改善焊接接頭的強度、韌性和穩定性，進一步提高施工質量。

3.2.5 加強培訓與質量管理

對焊工進行專業培訓，提高其焊接技能和操作水平。加強焊接質量管理，建立科學的質量控制體系，確保焊接過程按照規范進行，從而保證施工質量。

通過采用兩人對稱施焊工藝，可以保證焊接應力的均勻分布，減小焊接應力對鋼柱的影響，從而提高安裝精度。

4實驗設計與結果

本研究旨在探究鋼結構構件施工中焊接應力對安裝精度的影響，采取如下實驗方案。

4.1 實驗準備

4.1.1 樣本選擇

依托工程17#～19#樓，選擇具有代表性的鋼框架柱，在焊接過程中進行焊接應力監測、進行位移及變形的監測。

4.1.2 實驗設備

使用先進的焊接設備和測量工具來進行實驗。焊接設備應具備高精度和穩定性，以確保焊接質量的一致性。測量工具應具備高精度和可靠性，以準確測量構件的安裝精度。具體如表1所示。

4.2 實驗過程

4.2.1 結構初始狀態檢查及資料收集

首先，對依托工程的17#～19#樓進行結構初始狀態檢查，包括初始線形和初始缺陷的檢查。檢查包括使用測量工具對結構線形進行測量，并對結構表面進行目視檢查，查看是否存在明顯的缺陷。

其次，進行外觀檢查，以目測結構安裝是否存在初始缺陷，如焊縫開裂、變形等。

最后，收集相關技術資料，包括建筑與結構施工圖、焊接施工圖和鋼框架柱與橫梁連接施工圖等。通過研究這些資料，了解原設計意圖、要求和技術背景，為后續實驗提供背景知識。

4.2.2 鋼框架柱焊接應力測試

鋼框架柱對接節點焊接施工質量是保障構件承載力、穩定性和線型的關鍵施工工序，對接節點位置處上、下兩個鋼框架柱節段首先通過連接板做臨時固定，焊接前后上、下柱節段的對接焊縫區將產生復雜的焊縫收縮應力，進而在框架結構內部引起焊接次內力。

分別從角柱、邊柱和中柱中抽選出檢驗批，測試鋼框架柱對接焊縫和臨時連接板的軸向應力，分析臨時連接板拆除前后對接焊縫位置的應力重分布，及其對鋼框架柱垂直度的影響。每種鋼框架柱對接節點的抽樣數為1組，應根據結構初始狀況調查結果隨機抽取，3種鋼框架柱抽選檢驗批總數共3組。

依據測試任務要求，針對不同的測點位置分別選用電阻式應變計和振弦式應變計作為前端傳感器。每個鋼框架柱對接節點含8塊臨時連接板，分別在每塊連接板的中部與對接焊縫同標高位置各布設一個應變測點，使用2支BX120-5BA型電阻應變計組成半橋，測試臨時連接板的焊接應力，分別在對接節點上、下柱端四個面各布設一個應變測點，使用2支BX120-5BA型電阻應變計組成半橋，測試焊接前后柱端應力。電阻應變測點布置如圖1所示。

由于焊接溫度的影響，柱端電阻式應變計的安裝位置須距離焊縫50 cm以上，無法直接量測對接焊縫的收縮應力。因此，在選定鋼框架柱的4個表面跨對接焊縫分別布設BGK4000HP型振弦式應變計各1支，安裝位置如圖2所示。

試驗過程從焊接前一直持續到整個立柱對接焊縫焊接完成并冷卻，連接板去除止。角柱、邊柱采用對稱焊接，中柱采用非對稱焊接。

對于鋼框架柱梁框架體系，除上述布置外，分別在上述對應角柱、邊柱及中柱試件的梁柱連接的梁底進行應變監測。采用電阻式應變計和靜態應變測試分析系統測試，應變測試點分別布置在鋼框架柱梁底下10 cm位置，應變測點布置如圖3所示。

4.2.3 鋼框架柱垂直度檢測

按照相關測量規范的要求，布置鋼框架柱垂直度觀測點。在每個觀測點上設置全站儀，測量鋼框架柱的垂直度，并記錄測量結果。

4.2.4 實驗數據分析

根據采集到的焊接前、焊接結束時刻和冷卻時刻的應變數據，計算出應變的差值和相對應變率等相關指標。應變測試結果如圖4所示。

中柱測點編號L1～L8表示節點板處應變測點；測點編號C1～C4表示焊縫下側50 cm處應變測點；測點編號C5～C8表示焊縫上側50 cm處應變測點；測點編號T1～T4表示距柱頂10 cm處應變測點；測點編號S1～S4表示中柱跨焊縫的振弦應變測點。

邊柱測點編號L1～L8表示節點板處應變測點；測點編號C1～C4表示焊縫下側50 cm處應變測點；測點編號C5～C8表示焊縫上側50 cm處應變測點；測點編號T1～T4表示距柱頂10 cm處應變測點。L2測點因應變片在焊接時被燒壞所以該點的數據無效。C7測點因無法安裝所以沒有數據。

角柱測點編號L1～L8表示節點板處應變測點；測點編號C1～C4表示焊縫下側50 cm處應變測點；測點編號C5～C8表示焊縫上側50 cm處應變測點；測點編號T1～T4表示距柱頂10 cm處應變測點。L2測點因應變片在焊接時被燒壞所以該點的數據無效。C4測點無法安裝所以沒有數據。

4.3 實驗結果

實驗結果顯示：①焊接過程中產生的熱應力對鋼框架柱的安裝精度具有明顯的影響。②熱應力會導致柱子產生一定的變形，使其偏離垂直度要求，并可能對整個結構的穩定性和安全性產生不良影響[6]。因此，在焊接過程中必須充分考慮和控制焊接應力的影響。

基于研究結果，提出了改進焊接施工技術的建議，采用預熱和低溫焊接等措施來降低熱應力的影響，優化焊接工藝來減少殘余應力的產生，提高構件的安裝精度。

改進建議如下：①優化焊接工藝參數，如焊接順序、焊接方法等，減小熱應力對鋼框架柱安裝精度的影響。②采用預熱處理的方法，在焊接前對構件進行適當的加熱，以減小焊接過程中產生的熱應力。③在焊接過程中，采用兩人對稱施焊的方法，平衡焊接應力，避免構件因焊接引起的偏移。

5結束語

鋼結構住宅在現代建筑中應用廣泛，但其結構形式復雜且焊接應力對施工質量起到關鍵作用。本研究通過實驗分析了焊接應力產生原因、焊接工藝和焊接應力監測方法，并驗證了焊接應力對構件安裝精度的影響。

未來的研究可以進一步深化和細化，具體有2方面：①擴大實驗范圍。本研究僅針對某一具體工程進行了測試，未來可以擴大樣本范圍，對不同類型的鋼結構進行更多實驗驗證?？梢赃x擇不同尺寸、不同焊接順序和不同施焊工藝的構件，全面分析焊接應力對安裝精度的影響。②綜合考慮多種因素。除了焊接應力，還可以綜合考慮其他因素對安裝精度的影響，如焊接接頭形式、焊接順序等。通過綜合分析多個因素，更全面地了解各因素對安裝精度的貢獻程度，并提出相應的優化方案。

參考文獻

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