钢结构构件施工中焊接应力对安装精度影响的研究.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2024年 2月Feb.2024第6卷 第2期Vol.6 No.21 研究背景及目的1.1 研究背景及方向钢结构住宅在现代建筑中应用广泛，结构形式复杂，构件截面尺寸大，属于细长构件，且构件数量多。钢框架柱垂直度精度控制要求非常严格，焊接工艺、焊接应力等因素，可对钢框架柱的垂直度偏差、轴线偏差造成不同程度的影响1。焊接应力对施工质量起到关键作用，是安装精度控制的重要环节。本研究通过实验研究了焊接应力对钢结构构件安装精度的影响，通过分析焊接应力产生原因、焊接工艺和焊接应力监测，总结减少焊接应力和变形、提高构件安装精度的施工方法，确保施工质量。1.2 研究目的一是测试典型钢框架柱对接节点的焊缝收缩应变，分析焊接工艺对钢框架柱对接节点焊缝收缩应力影响规律，为施工工艺的改进提供参考数据。二是测试钢框架柱对接节点焊接工艺对构件垂直度的影响。三是综合分析钢框架柱对接节点焊接施工对整个框架结构体系线型的影响。2焊接应力对安装精度的影响分析2.1 焊接应力产生原因焊接应力是在焊接过程中由于材料的热胀冷缩以及焊缝形成引起的内部应力。焊接应力的产生主要有以下 4 个原因：热应力。焊接过程中，由于焊接热源的作用，焊接区域局部产生收稿日期：2023-11-08作者简介：张涛（1987），男，贵州毕节人，本科，工程师，研究方向：土木工程房屋建筑。钢结构构件施工中焊接应力对安装精度影响的研究张 涛（中铁十一局集团建筑安装工程有限公司，湖北 武汉 430064）摘 要：在施工过程中，焊接应力对钢结构构件施工质量起着至关重要的作用，是钢构件安装精度控制的重要环节。基于此，通过对焊接应力产生的原因、焊接工艺、焊接应力监测分析，找准正确施工方法，减少焊接应力和变形，提高构件安装精度，确保框架结构的施工质量。关键词：钢结构；焊接构件；焊接应力；安装精度；焊接施工技术中图分类号：TG457.1文献标识码：A文章编号：2096-6903(2024)02-0118-04高温，发生局部膨胀，而周围区域处于低温状态，产生收缩。由于温度不同，造成了焊接接头的内部应力1。冷却收缩应力。焊接完成后，焊接接头在冷却过程中发生收缩。由于焊缝的约束和冷却速率的差异，焊接接头上会产生内部应力。相变应力。在焊接过程中，由于材料的显微组织结构发生变化，如固溶体析出、相变等，引起应力的重新分布。机械应力。在焊接过程中，由于焊接压力或外力的作用，会导致焊接接头存在机械应力。2.2 焊接工艺对安装精度的影响焊接工艺对钢结构构件的安装精度具有重要影响。具体有以下 4 个常见的影响：焊接准备。焊接前的焊缝准备对焊接质量和安装精度至关重要。焊缝的准备包括清洁焊接表面、角度、尺寸等，对于保证焊接接头的配合精度具有重要作用。焊接顺序。焊接过程中的焊接顺序也会对安装精度产生影响。选择合理的焊接顺序可以减少焊接应力的积累和变形的发生。焊接温度。焊接过程中的温度控制对安装精度的影响也十分重要。过高的焊接温度会导致焊接接头的变形和热影响区扩大，而过低的焊接温度则可能影响焊缝的质量2。焊接速度。焊接速度也会对安装精度产生影响。过快或过慢的焊接速度都可能影响焊接接头的质量和变形情况。2.3 焊接应力监测方法为了准确评估焊接应力对安装精度的影响，需要采用适当的焊接应力监测方法。具体有以下 4 种常用的焊接应力监测方法。2.3.1应变测量法通过在焊接接头上安装应变测量片，测量焊接过程中综合论坛2024年 第2期 119 产生的应变值，从而推断焊接应力的存在和分布情况3。2.3.2应力释放法在焊接完成后，通过局部加热或机械加载等方法来释放焊接接头中的焊接应力，并观察其变形情况，从而推断焊接应力的存在和分布情况。2.3.3数值模拟方法利用有限元分析等数值模拟方法，对焊接接头进行模拟计算，推断焊接应力的存在和分布情况。2.3.4非破坏检测方法利用超声波、红外线热像仪等非破坏检测方法，对焊接接头进行检测，观察焊接应力的影响程度。通过合理选择和使用这些焊接应力监测方法，可以全面了解焊接应力对安装精度的影响，为改进焊接施工技术提供有效的参考依据。3 改进焊接施工技术3.1 合理预热和采用低温焊接预热和低温焊接是一种改进焊接施工技术，旨在减小焊接应力对安装精度的影响。通过预热和低温焊接这两种改进施焊技术，可以有效减小焊接应力对安装精度的影响。这两种方法的综合应用可以提高施焊过程的精度和质量4。3.1.1预热在进行焊接过程之前，对构件进行加热处理。预热的目的是提高构件的温度，使其能够更好地承受焊接过程中产生的热应力，并减小焊接应力对构件的影响。预热的方式可以采用火焰加热、电加热等方法。3.1.2低温焊通过控制焊接过程中的温度来减小焊接应力的一种方法。焊接过程中的温度升高会导致构件的热膨胀，从而产生热应力。通过降低焊接温度，可以减小焊接过程中的热应力，从而降低焊接应力对构件的影响。在低温焊接中，需要根据具体的焊接材料和焊接工艺合理选择焊接温度，以确保焊缝质量和构件的安全性。3.2 优化焊接工艺针对焊接应力对安装精度的影响，在具体的焊接施工中，可以采用两人对称施焊的工艺。传统的单人施焊工艺中，焊接应力容易导致钢柱的倾斜和偏移，从而影响安装精度。为了解决这个问题，依托工程采用两人对称施焊的工艺，主要表现在以下 5 个方面来优化焊接工艺。3.2.1焊接过程监测与控制采用实时监测技术对焊接过程中的温度、应力和变形等参数进行全面监测，并通过相应的控制手段进行实时调整。3.2.2对称施焊焊接由两名焊工同时施焊，一个位于钢柱的一侧，另一个位于相对的一侧，对称地进行施焊。两名焊工按照预定的焊接工艺进行焊接操作，包括选择适当的焊接电流、电压和速度等参数。在焊接过程中，焊工应注意保持焊接电流和速度的一致性，以保证施焊区域的均匀加热和焊接质量的稳定性。3.2.3应力消除热处理在焊接完成后，对焊接结构进行应力消除热处理，以减小残余应力的影响。通过应力消除热处理，可以使焊接结构获得较低残余应力，从而提高安装精度5。3.2.4科学选材与调控选择具备良好焊接性能和较低热膨胀系数的钢材，可以减少焊接应力的产生。在控制焊接参数的同时，通过合理的热处理和材料组织调控，可以改善焊接接头的强度、韧性和稳定性，进一步提高施工质量。3.2.5加强培训与质量管理对焊工进行专业培训，提高其焊接技能和操作水平。加强焊接质量管理，建立科学的质量控制体系，确保焊接过程按照规范进行，从而保证施工质量。通过采用两人对称施焊工艺，可以保证焊接应力的均匀分布，减小焊接应力对钢柱的影响，从而提高安装精度。4 实验设计与结果本研究旨在探究钢结构构件施工中焊接应力对安装精度的影响，采取如下实验方案。4.1 实验准备4.1.1样本选择依托工程 17#19#楼，选择具有代表性的钢框架柱，在焊接过程中进行焊接应力监测、进行位移及变形的监测。4.1.2实验设备使用先进的焊接设备和测量工具来进行实验。焊接设备应具备高精度和稳定性，以确保焊接质量的一致性。测量工具应具备高精度和可靠性，以准确测量构件的安装精度。具体如表 1 所示。4.2 实验过程4.2.1结构初始状态检查及资料收集首先，对依托工程的 17#19#楼进行结构初始状态检查，包括初始线形和初始缺陷的检查。检查包括使用测量工具对结构线形进行测量，并对结构表面进行目视检查，查看是否存在明显的缺陷。其次，进行外观检查，以目测结构安装是否存在初始缺陷，如焊缝开裂、变形等。最后，收集相关技术资料，包括建筑与结构施工图、焊接施工图和钢框架柱与横梁连接施工图等。通过研究这些资料，了解原设计意图、要求和技术背景，为后续实验提供背景知识。张 涛：钢结构构件施工中焊接应力对安装精度影响的研究智能建筑与工程机械 120 第6卷序号仪器名称规格型号数量用途1无线静态应变测试分析系统/套TST3822EW3静态数据采集2电阻式应变计/支BX120-5BA200应变测量3振弦应变采集系统/套BGK4081振弦应变分析BGK-AC3集线箱4耐高温型振弦应变计/支BGK4000HP4应变测量5四芯频闭数据电缆/m40数据传输60.5全站仪/台Leica TM501钢框架柱垂直度测量7圆棱镜/支Leica GPR121981 m 钢尺/把1长度测量9游标卡尺1长度测量表 1 各种试验所需的仪器、设备图 1 电阻应变测点图 2 钢框架柱跨焊缝应变测点4.2.2钢框架柱焊接应力测试钢框架柱对接节点焊接施工质量是保障构件承载力、稳定性和线型的关键施工工序，对接节点位置处上、下两个钢框架柱节段首先通过连接板做临时固定，焊接前后上、下柱节段的对接焊缝区将产生复杂的焊缝收缩应力，进而在框架结构内部引起焊接次内力。分别从角柱、边柱和中柱中抽选出检验批，测试钢框架柱对接焊缝和临时连接板的轴向应力，分析临时连接板拆除前后对接焊缝位置的应力重分布，及其对钢框架柱垂直度的影响。每种钢框架柱对接节点的抽样数为1 组，应根据结构初始状况调查结果随机抽取，3 种钢框架柱抽选检验批总数共 3 组。依据测试任务要求，针对不同的测点位置分别选用电阻式应变计和振弦式应变计作为前端传感器。每个钢框架柱对接节点含 8 块临时连接板，分别在每块连接板的中部与对接焊缝同标高位置各布设一个应变测点，使用 2 支 BX120-5BA 型电阻应变计组成半桥，测试临时连接板的焊接应力，分别在对接节点上、下柱端四个面各布设一个应变测点，使用 2 支 BX120-5BA 型电阻应变计组成半桥，测试焊接前后柱端应力。电阻应变测点布置如图 1 所示。由于焊接温度的影响，柱端电阻式应变计的安装位置须距离焊缝 50 cm 以上，无法直接量测对接焊缝的收缩应力。因此，在选定钢框架柱的 4 个表面跨对接焊缝分别布设 BGK4000HP 型振弦式应变计各 1 支，安装位置如图 2 所示。试验过程从焊接前一直持续到整个立柱对接焊缝焊接完成并冷却，连接板去除止。角柱、边柱采用对称焊接，中柱采用非对称焊接。对于钢框架柱梁框架体系，除上述布置外，分别在上述对应角柱、边柱及中柱试件的梁柱连接的梁底进行应变监测。采用电阻式应变计和静态应变测试分析系统测试，应变测试点分别布置在钢框架柱梁底下 10 cm位置，应变测点布置如图 3 所示。4.2.3钢框架柱垂直度检测按照相关测量规范的要求，布置钢框架柱垂直度观测点。在每个观测点上设置全站仪，测量钢框架柱的垂2024年 第2期 121 图 3 钢框架柱梁柱节点应变测点布置图图 4 应变测试结果直度，并记录测量结果。4.2.4实验数据分析根据采集到的焊接前、焊接结束时刻和冷却时刻的应变数据，计算出应变的差值和相对应变率等相关指标。应变测试结果如图 4 所示。中柱测点编号 L1 L8 表示节点板处应变测点；测点编号 C1 C4 表示焊缝下侧 50 cm 处应变测点；测点编号 C5 C8 表示焊缝上侧 50 cm 处应变测点；测点编号 T1 T4 表示距柱顶 10 cm 处应变测点；测点编号 S1 S4 表示中柱跨焊缝的振弦应变测点。边柱测点编号 L1 L8 表示节点板处应变测点；测点编号 C1 C4 表示焊缝下侧 50 cm 处应变测点；测点编号 C5 C8 表示焊缝上侧 50 cm 处应变测点；测点编号 T1 T4 表示距柱顶 10 cm 处应变测点。L2测点因应变片在焊接时被烧坏所以该点的数据无效。C7 测点因无法安装所以没有数据。角柱测点编号 L1 L8 表示节点板处应变测点；测点编号 C1 C4 表示焊缝下侧 50 cm 处应变测点；测点编号 C5 C8 表示焊缝上侧 50 cm 处应变测点；测点编号 T1 T4 表示距柱顶 10 cm 处应变测点。L2测点因应变片在焊接时被烧坏所以该点的数据无效。C4 测点无法安装所以没有数据。4.3 实验结果实验结果显示：焊接过程中产生的热应力对钢框架柱的安装精度具有明显的影响。热应力会导致柱子产生一定的变形，使其偏离垂直度要求，并可能对整个结构的稳定性和安全性产生不良影响6。因此，在焊接过程中必须充分考虑和控制焊接应力的影响。基于研究结果，提出了改进焊接施工技术的建议，采用预热和低温焊接等措施来降低热应力的影响，优化焊接工艺来减少残余应力的产生，提高构件的安装精度。改进建议如下：优化焊接工艺参数，如焊接顺序、焊接方法等，减小热应力对钢框架柱安装精度的影响。采用预热处理的方法，在焊接前对构件进行适当的加热，以减小焊接过程中产生的热应力。在焊接过程中，采用两人对称施焊的方法，平衡焊接应力，避免构件因焊接引起的偏移。5 结束语钢结构住宅在现代建筑中应用广泛，但其结构形式复杂且焊接应力对施工质量起到关键作用。本研究通过实验分析了焊接应力产生原因、焊接工艺和焊接应力监（下转第 124 页）张 涛：钢结构构件施工中焊接应力对安装精度影响的研究智能建筑与工程机械 124 第6卷约成本、节约时间和绿色环保目的。此外，装配式装修可以全面解决家居设计方案，合理利用室内面积，提高空间利用效率，实现户型与造型完美统一，最大限度提高家居舒适度8。装配式装修在保障性安居房建设中已得到了广泛认可，各地对保障性租赁住房的需求，为装配式建筑带来了新的增量空间。实施城市更新行动，完成城镇老旧小区改造，应用装配式装修技术，可以有效帮助城市更新项目实现功能转型和内外环境综合改善。4.2 装配式装修在公共建筑中的应用装配式装修技术在医疗康养方面具有显著优势，能够减少噪声、粉尘和建筑垃圾的产生，减少改造翻新过程中对医疗康养建筑正常营业功能的影响，方便施工，便于后期维护管理和检修更换，降低了运营维护难度和成本。装配式装修应用于酒店行业，具备可批量复制的同质化装修特点。装配式装修便于快速安装，即装即住，实现快速营收。此外，能够有效减少酒店运营期间的维护成本，给旅客带来极高的居住体验，提升酒店品牌效益，为酒店行业的快速发展赋能。装配式装修不受任何工作环境的限制，外形结构轻便，颜色搭配合理，施工时间快速，并且可大大节省施工成本。适合旅游景点、车站、商场、写字楼、人口密集的公共场所及繁华商业街等。5 结束语BIM 协同全过程设计为建筑项目的造价、利润、工艺、工期、提供可靠的引导、支撑、保障，并从源头上树立安全、经济、美观的理念，贯穿 EPC 项目管理的始终。建筑设计集中体现了标准化、一体化、信息化，通过将标准化设计、整体化设计、协同设计 3 大策略，与工业化制造、装配化施工、一体化装修、信息化管理相结合，有机协调装配式建筑全产业链，实现建筑工程建造精细化、过程化和系统化，以及技术创新集成化和成本最低化，提高建筑管理的效率和质量，高效地营造绿色、环保、经济、美观、高质的装配式建筑。装配式建筑通过数字化技术驱动、整合工程全产业链、价值链和创新链，以工程全寿命周期系统化集成设计、绿色化、精益化生产施工为主要手段，实现工程建设高效益、高质量、低消耗、低排放。推动建筑业科技创新能力大幅提升，与信息技术深度融合，产业整体优势明显增强，实现建筑业绿色和高质量发展转型。参考文献1 顾勇新,王志刚.装配式建筑设计M.北京:中国建筑工业出版社,2019.2 新时代中国建筑文化品牌丛书编委会.红色基因蓝色力量绿色发展文集M.北京:经济管理出版社,2019.3 中国建筑学会室内设计分会,北京建筑大学.绿色营造卷:建筑室内装配化设计M.北京:中国水利水电出版社,2019.4 陈振基.我国建筑工业化实践与经验文集M.北京:中国建筑工业出版社,2016.5 叶连松.推进供给侧结构性改革振兴实体经济M.北京:中国经济出版社,2017.6 樊则森.从设计到建成:装配式建筑20讲M.北京:机械工业出版社,2018.7 既有建筑改造年鉴编委会.既有建筑改造年鉴(2018)M.北京:中国建筑工业出版社,2019.8 高栋,逄俊杰,田娇.装配式建筑各设计阶段协同设计要点及BIM技术应用J.中国科技纵横,2018(10):141+143.测方法，并验证了焊接应力对构件安装精度的影响。未来的研究可以进一步深化和细化，具体有 2 方面：扩大实验范围。本研究仅针对某一具体工程进行了测试，未来可以扩大样本范围，对不同类型的钢结构进行更多实验验证。可以选择不同尺寸、不同焊接顺序和不同施焊工艺的构件，全面分析焊接应力对安装精度的影响。综合考虑多种因素。除了焊接应力，还可以综合考虑其他因素对安装精度的影响，如焊接接头形式、焊接顺序等。通过综合分析多个因素，更全面地了解各因素对安装精度的贡献程度，并提出相应的优化方案。参考文献1 钟齐健.钢结构焊接应力和变形的控制措施J.中华建设,2023(8):160-162.2 张街.钢结构焊接应力及控制J.中国建筑金属结构,2021(11):100-101.3 文龙.钢结构工业厂房构件焊接应力及变形控制措施J.城市住宅,2020,27(3):165-166.4 孙大伟,王纪宾,陈海涛.钢结构工程焊接技术重点、难点及控制措施J.中国金属通报,2020(2):95-96.5 王丰景.钢结构焊接变形与焊接应力研究J.工程技术研究,2017(4):72-73.6 李建彬.钢结构工业厂房构件焊接应力及变形控制J.山西建筑,2013,39(2):47-48.（上接第 121 页）