全焊接刚节点钢结构焊接变形控制研究与应用

全焊接刚节点钢结构焊接变形控制研究与应用

发表时间：2013-04-02T10:40:03.263Z 来源：《建筑学研究前沿》2012年12月供稿作者：何子房

[导读] 这些变形都是基本的变形形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的发展、转化和综合。

何子房

中国五冶集团有限公司天津分公司

【摘要】：首钢京唐球团带式焙烧机主厂房由于工艺的要求，结构采用全焊接刚接点钢结构，且160米以上的厂房不留变形缝，焊接变形的控制、焊接应力的消除是施工和保证使用中结构稳定的重点。在本工程中，通过对带式焙烧机主厂房钢结构全刚接结构施工焊接变形的研究，形成了一套有针对性的特殊焊缝处理技术、复杂钢结构应力应变控制技术并成功应用于实践。

【关键词】：全焊接刚接点特殊焊缝处理应力应变控制。

1、工程概况

首钢京唐公司球团项目从德国AUTOTEC公司引进，采用世界先进的带式焙烧机生产氧化球团技术，年产400万吨，具有单机生产能力大、对原料适应性强、燃料消耗低、设备运行可靠、环保指标好的特点和优势，是国家冶金产业政策中鼓励发展的项目、是提供高炉炼铁原料的配套设施。

焙烧主厂房为钢结构框架结构，轴线占地长161.5m，宽16m，建筑面积9200m2；主厂房基本柱距6m，最大柱距7.0m。9.5米以下三跨，最大跨距8米，9.5米以上一跨，跨距16米。

本工程的焙烧主厂房钢结构作为焙烧设备安装的平台，这就要求主厂房的钢结构安装必须按工艺钢结构的要求进行，只有这样才能满足设备安装的精度。该设计采用全焊接刚性节点、厂房160米不留变形缝，焊接变形、累计焊接应力大，而且由于是全刚性节点安装焊接成形后，一旦出现垂偏超差，矫正很难。针对上述问题，在合理安排柱分段、安装顺序，增加纵向约束、预留变形量、焊接顺序等方面采取了措施，经两个柱段的试验、调整，证明是行之有效的。

2、钢结构焊接变形形式和原因

钢结构焊接后发生的变形大致可分为两种情况：即整体结构的变形和结构局部的变形。整体结构的变形包括结构的纵向和横向缩短和弯曲（即翘曲）。局部变形表现为凸弯、波浪形、角变形等多种。

图2焊接变形的基本形式

这些变形都是基本的变形形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的发展、转化和综合。

在焊接过程中对焊件进行了局部的、不均匀的加热是产生焊接应力及变形的原因。焊接时焊缝和焊缝附近受热区的金属发生膨胀，由于四周较冷的金属阻止这种膨胀，在焊接区域内就发生压缩应力和塑性收缩变形，产生了不同程度的横向和纵向收缩。由于这两个方向的收缩，造成了焊接结构的各种变形。

3、影响焊接结构变形的因素

影响焊接变形量的因素较多，有时同一因素对纵向变形、横向变形及角变形会有相反的影响。全面分析各因素对各种变形的影响，掌握其影响规律是采取合理措施控制变形的基础。否则难以达到预期的效果。

焊缝截面积的影响：焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大。

焊接热输入的影响：一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，不论对纵向、横向或角变形都有变形增大的影响。但在表面堆焊时，当热输入增大到一定程度时，由于整个板厚温度趋近，因而即使热输入继续增大，角变形不再增大，反而有所下降。

工件的预热、层间温度影响：预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。

焊接方法的影响：在建筑钢结构焊接常用的几种方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝面积等相同情况下，收缩变形最大。手工电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小。CO2气体保护焊热输入最小，收缩变形响应也最小。

焊缝位置对变形的影响：由于焊缝位置在结构中不对称，焊缝位置不对称等将引起各种变形。

结构的刚性对焊接变形的影响：结构的刚性大小，主要取决于结构的形状和其截面大小，刚性较小的结构，焊接变形大；刚性大的结

构，焊后变形较小。

装配和焊接规范对焊接变形的影响：由于采取的装配方法不同，对结构的变形也有影响。整体装配完再进行焊接，其变形一般小于边装配边焊接。

3焙烧主厂房焊接变形特点与焊接变形量计算

对于焙烧主厂房钢结构现场安装，由于全焊接刚节点和纵向160米不留变形缝的结构特点，经上述分析知焙烧主厂房焊接变形具下述特点：

3.1钢框架梁柱边节点三向焊机变形影响、中间节点四个方向受焊接变形影响，但如果采用对称焊接可以有效抵消焊接变形。

3.2焙烧主厂房采用全焊接钢结构，结构的刚性较大，该类结构焊接变形较少，但一旦形成稳定结构，焊接变形将不便消除。

3.3焙烧主厂房长宽比较大，纵向160米、纵向焊缝数量较多，焊接顺序安排不得当将累计变形较大，而横向16米，焊缝数量较少，累计变形少。

3.4节点为H型钢，腹板翼缘焊透对接，焊缝截面积比较单一，焊缝变形比较稳定，计算出焊接变形量通过预留变形来控制结构变形。

3.5每条焊缝引起收缩变形量计算：

框架梁由H。每条对接焊缝收缩变形量△l根据焊缝横向收缩公式[1]△1=O．10X焊缝面积的平均宽度)Whf；

Whf=(1／2)1/2XK=O．707×K=14mm(K=2Omra)；

△l=0．10XWhf=O．10×7mm=0．7mm。

水平缝hf2引起收缩量△2，按焊缝纵向收缩公式[1]：

△2=O．005A,×12X d／I=O．005 X 50X 1202×28．4+5)／(179．51 x 104)=O．00056mm

心一焊接熔化线内的全部截面面积；

d-焊缝组重心和构件中和轴之间的距离(d=28mm)；

l一构件长度(此处为焊缝长度)

I一构件的惯性距；

△ l、△2比较，△2很小忽略，因此，横向收缩为0．7mm，两侧共1．4mm。

经实测焊接变形收缩量为1.6mm~2.1，与计算较吻合。

4厂房焊缝处理、应力应变控制技术方案

4.1结构安装方案选择

根据上述分析，考虑结构安装顺序时，主要从对称施焊、预留变形、尽快形成稳定刚体出发安排，但由于9.5米平台以上结构要和设备安装穿插进行，所必须对柱进行分段且只能装完一侧交设备安装然后安装另外一侧，因此形成的安装方案是：框架柱分段吊装、先吊装全部下层柱→初步固定柱脚、外围柱子预留18mm左右变形量→吊装框架梁，框架梁以框架节点为对称中心同时施焊→纵向每六线形成稳定刚体，从纵向四分之一分两组向连侧推进。

4.2柱接头

钢结构的施工，在起重设备吊装能力范围内，希望尽量增加单节柱长度，减少拼装次数，从而减少高空安装焊接工作量。由于本工程9.6米以上单侧分开安装，无梁连接，刚度很差，因此，单节柱段不能太长，否则，柱稳定性及安装精度难以保证。经与设计院协商，综合考虑了稳定性、塔式起重机吊装能力、避开柱间支撑及框架梁节点板位置等主要因素，最终确定9.6分段安装，最长13m，最短9.6m。柱接头形式采用坡口对焊。

4.3纵向结构焊接变形控制

纵向焊接变形主要来自沿纵向两侧的焊缝收缩变形，因为除了端柱，其他柱两侧都对称布置焊缝，为减少焊接变形累计，纵向焊接变形的控制主要是对每个柱子两侧对称施焊，并以厂房纵向中点为分界分两段进行，每段从中间向两侧推进。

4.4横向结构焊接变形控制

横向结构由于设备安装的影响，不能对称安装，为控制该方向的焊接变形影响，主要采用预留变形量、增加约束等措施

为调整钢柱横向垂偏并增加柱子径向方向约束，施工中采用由114钢管做成可调长度 (加丝杠)的支顶杆：支顶位置在柱2／3高度处，角度a取5睁60。；支顶杆对于校正钢柱效果很好。但若与桁架梁焊成一体形成排架后，矫正柱垂偏显得刚度小：根本的解决办法还是预留适当的焊接收缩量。根据上面计算和实际测量，每条焊缝产生收缩变形为1.6~2.1mm，为消除此影响，对外侧柱预留出1.5mm收缩空间以抵消焊后收缩的影响，并随时跟踪调整预留偏移量，以吻合实际的收缩变形。

5结论

通过带式焙烧机主厂房对全焊接刚节点结构的研究，把握了此结构的特点和焊接变形的机理并形成了一套完善的变形控制技术看，成功的应用到工程上，使本工程于2009年8月30日通过验收，并通过冶金行业协会专家组的检查，荣获冶金优质工程奖。