探討幕墻鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)用

1、<p>　　探討幕墻鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)用</p><p>　　摘要: 隨著幕墻在我國迅速發(fā)展，幕墻鋼結(jié)構(gòu)在幕墻工程中普遍應(yīng)用，其鋼橫梁和鋼立柱采用焊接在實(shí)際工程中也廣泛應(yīng)用。因?yàn)楝F(xiàn)行《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 133-2001第5.6.6條和現(xiàn)行《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003第6.3.11條規(guī)定“橫梁可通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接，”及第6.2.2條規(guī)定“鋼型材宜采用高耐候鋼，

2、碳素鋼型材應(yīng)熱浸鋅或采取其它有效防腐措施，焊縫應(yīng)涂防銹涂料”；現(xiàn)階段各種建筑幕墻都采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，因此實(shí)踐表明采用焊接的幕墻鋼結(jié)構(gòu)是沒有問題的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：幕墻鋼結(jié)構(gòu)鋼橫梁鋼立柱焊接應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號：TU973+.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　使用鋼材做幕墻主受力的鋼橫梁和鋼立柱，大大提高強(qiáng)度和撓度

3、，也降低幕墻成本。所以在幕墻工程中趨向選擇鋼結(jié)構(gòu)。因此焊接很自然成了幕墻工程支撐鋼結(jié)構(gòu)的連接方式。雖然有些人持有反對意見，但畢竟實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接是不能被阻擋的。在加工工藝中，鋼結(jié)構(gòu)焊接是非常普遍的，就像焊接在機(jī)械加工行業(yè)有著非常廣泛的用途和很重要的意義一樣，因此只有正確掌握焊接方法，才能保證加工質(zhì)量。因此我們要結(jié)合理論與實(shí)踐，不斷思考與總結(jié)，熟練掌握焊接過程中的技術(shù)要點(diǎn)，著力提高焊接質(zhì)量，使得鋼結(jié)構(gòu)在幕墻行業(yè)中廣

4、泛使用。 </p><p>　　1 幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù) </p><p>　　依據(jù)現(xiàn)行《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中條文主要是針對早期鋁合金結(jié)構(gòu)不能采用焊接而只能用螺栓連接編制的，也就是說不能完全適用于鋼結(jié)構(gòu)，所以在頒布新的規(guī)范之前，幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本規(guī)范和依據(jù)就應(yīng)該遵循現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017。因?yàn)槟粔︿摻Y(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)范疇，所以G

5、B50017中的焊接技術(shù)也適用于幕墻鋼結(jié)構(gòu)。GB50017規(guī)范對用途廣泛的鋼結(jié)構(gòu)焊接作出了明確而詳細(xì)的規(guī)定，作為鋼結(jié)構(gòu)的一部分，幕墻鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)然同樣可以采用焊接的方式。這就是時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步的結(jié)果和產(chǎn)物。十幾年前，鋁合金結(jié)構(gòu)是一個(gè)現(xiàn)場難以焊接的并很難解決的難題，可如今已經(jīng)不再是不可解決的。就新出臺的《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50429-2007對幕墻鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接作出了明確且詳細(xì)的規(guī)范。當(dāng)前鋁合金型材不一定非要采用螺栓連接不可，

6、同樣幕墻鋼結(jié)構(gòu)也可以采用焊接的連接方式了。 </p><p>　　2 鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量問題及預(yù)防措施 </p><p>　　2.1焊接變形。焊接變形包括彎曲變形、角部扭曲變形、構(gòu)件下?lián)献冃蔚?，焊接變形的原因主要是焊接受熱不均，施工人員操作不當(dāng)，焊接時(shí)咬肉過大，焊接放置不平。它不只降低裝配質(zhì)量、改變了鋼結(jié)構(gòu)幾何尺寸、外觀形狀，甚至有可能會降低鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，使構(gòu)件在質(zhì)量上達(dá)不到設(shè)計(jì)和使用的各

7、方面要求。因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量使工件各部分剛度和焊縫均勻布置，對稱設(shè)置焊縫減少交叉和密集焊縫。制定合理的焊接順序，以減少變形如先焊主要焊縫后焊次要焊縫，先焊對稱部位的焊縫后焊非對稱焊縫，先焊收縮量大的焊縫后焊收縮量小的焊縫，先焊對接焊縫后焊角焊縫。對尺寸大焊縫多的工件，采用分段、分層、間斷施焊，并控制電流、速度、方向一致。手工焊接較長焊縫時(shí)，應(yīng)采用分段進(jìn)行間斷焊接法，由工件的中間向兩頭退焊，焊接時(shí)人員應(yīng)對稱分散布置，避免由于熱量集中引起變形。

8、大型加工件如形狀不對稱，應(yīng)將小部件組焊矯正完變形后，再進(jìn)行裝配焊接，以減少整體變形。對于焊后易產(chǎn)生角變形的零部件，應(yīng)在焊前進(jìn)行預(yù)變形處理，如鋼板V形坡口對接，在焊接前應(yīng)將接口適當(dāng)墊高，這樣可使焊后變平。 </p><p>　　2.2殘余應(yīng)力與殘余變形。在鋼結(jié)構(gòu)焊接的過程中，由于對焊接變形的校正和焊接時(shí)溫度的不均勻變化，均能使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力并受到影響；框架對構(gòu)件的約束作用和焊接溫度的不均勻變化，亦使其產(chǎn)生殘

9、余變形和殘余應(yīng)力。對多跨鋼框架而言，梁柱節(jié)點(diǎn)的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力，將會在梁的軸線方向上產(chǎn)生積累效應(yīng)，也就是說前一根梁因?yàn)楹附赢a(chǎn)生的殘余變形，將會使后一根梁預(yù)留的焊縫坡口寬度必須按需要增加，所以為填補(bǔ)破口，就必須把焊縫的寬度增加，也就是說產(chǎn)生越往后越會產(chǎn)生更大的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力，像這樣反復(fù)往后逐跨積累，最終將會使框架產(chǎn)生非常大的殘余變形和殘余應(yīng)力。這種焊接殘余應(yīng)力，盡管不至于影響到結(jié)構(gòu)的塑性極限強(qiáng)度，但卻大大滴降低構(gòu)件的剛度，也

10、就會影響構(gòu)件彈性極限承載力；而且這種殘余變形的存在，也會增加框架的二階效應(yīng)。 </p><p>　　2.3焊縫開裂。在鋼結(jié)構(gòu)安裝施工中，時(shí)常會發(fā)生焊縫開裂。焊縫開裂產(chǎn)生的原因有焊件的含碳量過高或硫、磷成分過高及分布不均勻；焊條質(zhì)量差或采用于母材強(qiáng)度、性能相差懸殊的焊條焊接，造成強(qiáng)度不夠被拉裂；定位點(diǎn)焊數(shù)量太少或零件本身存在較大誤差，組裝不上，采取強(qiáng)制變形不定位、焊接造成應(yīng)力過大將焊縫拉裂；剛度大的構(gòu)件焊接范圍順序

11、和方向選用不當(dāng)；厚度大的焊件未進(jìn)行預(yù)熱或在低溫下焊接使焊縫冷脆；由于結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造或存在缺口，引起嚴(yán)重應(yīng)力集中。這也就會導(dǎo)致熱影響區(qū)域的韌性很大程度地降低，最終引發(fā)焊縫開裂。因此采用有效地預(yù)防措施嚴(yán)格檢查焊件的材質(zhì)，控制硫磷的含量在允許的范圍內(nèi)；正確選用與母材相適應(yīng)的焊條、焊劑；合理設(shè)置定位點(diǎn)焊接的數(shù)量,避免在強(qiáng)制變形下定位焊接，不使焊接應(yīng)力過大；根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，正確選定焊接順序和方向，先焊收縮量大的焊縫；在低溫下焊接厚焊件，應(yīng)將母材進(jìn)行預(yù)

12、熱，焊后保溫緩冷卻；改進(jìn)設(shè)計(jì)構(gòu)造，避免缺口,減少應(yīng)力集中； </p><p>　　3 鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝注意事項(xiàng) </p><p>　　3.1焊接材料與母材的匹配 </p><p>　　盡管選擇什么焊接材料是設(shè)計(jì)人員的職責(zé)，但因?yàn)楦鞣N因素，一些設(shè)計(jì)人員一直沒有注意焊接材料的選擇問題，從而有可能引起現(xiàn)場焊接出現(xiàn)問題。因?yàn)榛旧虾附硬牧系膹?qiáng)度按要求需要高于母材，而且連接處焊

13、接材料的強(qiáng)度不能遠(yuǎn)差予母材強(qiáng)度。也就是焊接材料與母材匹配的基本原則是“鑄銅件與鋼材焊接時(shí)，焊接材料按鋼材選型；不同強(qiáng)度等級母材選型”。 </p><p>　　3.2焊接對作業(yè)環(huán)境的要求 </p><p>　　鋼材焊接，需要合適的焊接環(huán)境，而且對環(huán)境的要求非常高，不良環(huán)境中施工焊接，極有可能出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。所以就出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)焊接中的三不焊，也就是低溫不焊、四級以上大風(fēng)天不焊、雨天不焊。因?yàn)?/p>

14、這類天氣會使焊接后的焊縫材料迅速降溫，很容易造成焊接處較大殘余應(yīng)力或變形的產(chǎn)生，嚴(yán)重的會產(chǎn)生裂紋。 </p><p>　　3.3重視焊接工藝評定 </p><p>　　因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)工程中的焊接接頭和焊接節(jié)點(diǎn)，所以就不可能對現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，而且探傷也只能確定焊縫的幾何缺陷，也就是說無法確定接頭的理化性能，因此為了在焊接過程中保證焊接質(zhì)量，在構(gòu)件制作和結(jié)構(gòu)安裝前，必須由焊接施工單位對焊接首

15、次采用的焊接鋼材、焊接方法、焊接材料、焊后熱處理等進(jìn)行焊接工藝評定，并且一定根據(jù)這個(gè)焊接工藝評定結(jié)果制定出相應(yīng)的焊接施工工藝規(guī)范。 </p><p>　　3.4重視焊前及焊接過程的控制和焊后處理 </p><p>　　焊接過程就是一個(gè)不均勻的加熱，然后冷卻的過程。施焊的時(shí)候焊件產(chǎn)生了溫度場，雖然不均勻，但是焊縫及其附近溫度特別高，可以達(dá)到16000攝氏度以上，鄰近溫度場區(qū)域溫度則急劇下降。

16、由于這種不均勻的溫度場，使產(chǎn)生的膨脹也不均勻，溫度高的地方鋼材產(chǎn)生的膨脹非常大，因?yàn)閮蓚?cè)溫度較低，而且兩側(cè)鋼材膨脹較小，這就會使熱狀態(tài)塑性產(chǎn)生壓縮，這樣焊縫在冷卻之后又會產(chǎn)生殘余應(yīng)力或變形。另一個(gè)注意的地方就是實(shí)際焊接接頭中的一部分焊件不能自由伸縮，也就是說施焊的時(shí)候膨脹就會受到阻礙，冷卻后的焊縫就會產(chǎn)生約束應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力和變形會使結(jié)構(gòu)剛度降低，這會影響壓桿穩(wěn)定，低溫下，使裂縫發(fā)展，加快破壞構(gòu)件脆性，而且破壞疲勞強(qiáng)度。 </p

17、><p>　　為了盡可能減少焊接殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生，在很大程度上，焊接前可以用預(yù)設(shè)反變形，預(yù)熱等各種措施來當(dāng)作預(yù)防措施；而且在焊接施工過程中又可以焊接順序進(jìn)行合理安排，比如在鋼板對接時(shí)可以采用分段退焊的方法。厚的焊縫可以采用分層焊的方法，工字形截面就按對角跳焊的方法等等；為了消除應(yīng)力、矯正變形焊接好之后我們可以采用消氫處理或焊后熱處理等方式。 </p><p>　　4 幕墻工程中鋼橫梁和鋼立

18、柱焊接工程實(shí)例 </p><p>　　順德新城區(qū)工商局大樓幕墻，于2003年建成，有4千平方米的石材幕墻，其復(fù)雜多變的外形，繁多的裝飾線腳和造型，鋼骨架全部采用焊接。如圖1。 </p><p>　　順德新城區(qū)金融商業(yè)大樓幕墻，于2004年建成，其中15m大跨度玻璃幕墻由方管與圓鋼管桁架梁柱支承，不僅僅是梁柱本身采用焊接方式。如果采用鋁合金型材無法滿足如此大跨度的強(qiáng)度要求。如圖2。 <

19、/p><p>　　順德新城區(qū)演藝中心幕墻，于2004年建成，玻璃幕墻板塊尺寸長2.4m，寬2.5m。橫向跨度8.1m，豎向跨度為25.46m的鋼鋁組合梁支承。鋼橫梁通過焊接連接到主體結(jié)構(gòu)上，鋼立柱再與焊接于橫梁上。這也是幕墻典型于橫梁作主受力的結(jié)構(gòu)形式。如圖3。 </p><p>　　順德新城區(qū)博物館，于2008年建成，石材幕墻采用半焊接半螺栓連接方式，這也是幕墻采用螺栓向焊接形式發(fā)展。如圖4

20、。 </p><p>　　5 實(shí)踐證明幕墻完全可以采用焊接鋼結(jié)構(gòu)幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接不僅符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，而更重要的是，十多年的科學(xué)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)都表明：幕墻鋼結(jié)構(gòu)不許采用焊接是毫無道理的。我國已建的采用焊接鋼結(jié)構(gòu)的鋁板、石材和玻璃幕墻，從未因采用焊接鋼結(jié)構(gòu)而發(fā)生過安全事故；順德、廣州、深圳等地的這類工程經(jīng)歷了多次12級到14級強(qiáng)臺風(fēng)的吹襲而完好無損。國內(nèi)進(jìn)行過多次幕墻的振動臺試驗(yàn)，為了挑戰(zhàn)極限，支承結(jié)

21、構(gòu)都采用了柔性的焊接鋼結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)地震加速度大大超過設(shè)防烈度7、8度，達(dá)到9度。幕墻試件的位移達(dá)到1/70~1/50。在這樣的位移下，幕墻試件的焊接鋼結(jié)構(gòu)和面板都保持完好。這些振動臺試驗(yàn)結(jié)果表明：幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)完全可以滿足抗震要求。2008年5月12日發(fā)生了汶川大地震，成都地區(qū)的幕墻經(jīng)歷了空前的大考驗(yàn)。在7度區(qū)的成都、8度區(qū)的德陽、9度區(qū)的都江堰、綿陽都保持完好。震害調(diào)查表明：采用焊接鋼結(jié)構(gòu)的鋁板、石材幕墻具有優(yōu)良的抗震性能。 我們可

22、以通過列舉大量例子證明幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)是安全的，焊接方法在幕墻工程當(dāng)中是有可行性的。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此我們要結(jié)合理論與實(shí)踐，不斷思考與總結(jié)，熟練掌握焊接過程</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1.史奕，王靜蘭．幕墻施工中若干技術(shù)問題的處理措施[J].建筑技術(shù). 2005,36(9) </p><p&g