高层钢框架结构施工工艺与焊接变形分析论文

高层钢框架结构施工工艺与焊接变形分析 【摘要】针对目前高层钢框架结构的施工焊接过程中的问题, 本论文对高层钢框架结构的施工焊接工艺进行了分析探讨,首先分 析了钢框架结构施工特点及其焊接变形特点,在此基础上详细分析 了焊接变形的成因,给出了若干具体的焊接变形矫正控制措施,对 于进一步提高高层钢框架结构的焊接施工工艺应用水平具有一定 借鉴指导意义。 【关键词】高层钢框架结构;施工工艺;焊接变形 1 引言 高层结构的行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》虽然已 经颁布,但在我国,真正意义上的纯钢结构高层建筑采用的仍较少, 普遍采用的是钢框架-混凝土核心筒结构,虽然其具有造价低、用 钢省等优点,但其应用范围和技术上还有待进一步研究和完善。而 且我国的建筑钢材存在很大不足,在品种、规格和质量水平上和发 达国家还有较大差距。在高层钢框架结构施工领域,技术水平高、 管理能力强的建筑企业很少,钢框架结构施工成套技术尚处于完善 阶段。为此,有必要加强对高层框架结构的施工工艺及其焊接变形 方面的探讨,这也是本论文的研究出发点。 2 高层钢框架结构施工工艺及其变形分析 2.1 钢框架结构施工特点分析 钢框架结构施工技术,主要包括钢柱、钢梁、楼梯的吊装、测 量校正、连接、压型钢板的铺设等工序,但在钢结构施工的同时往 往要穿插土建、机电等部分的施工。钢框架结构的施工必须要与土 建等其它单位进行密切配合,做到统筹兼顾,才能高效、高质地完 成施工任务。其主要特点有: 2.1.1 测量、定位、放线精度要求高。测量、定位、放线是贯 穿制作和安装阶段的控制重点。在高层钢框架结构安装中,由于体 型大,误差积累将非常显著,柱子或其它构件微小的偏移会造成上 部很大的变位,极大地改变结构的受力,影响设计效果,甚至产生 工程事故。 2.1.2 钢框架结构安装中,由于钢材热胀冷缩现象突出,天气、 温度等条件影响大,温度变化会对安装精度产生较大影响。特别是 在钢构件连接中,焊接和螺栓连接受天气、温度影响更大。在焊接 技术规程中规定,自然条件不能满足焊接环境要求时,要采取人工 措施给焊接创造条件,比如焊条的预热、钢板的预热加温等。 2.1.3 钢结构安装对起重、运输等机械的性能要求高。由于钢 构件重量大、体型大,高层钢框架结构安装中高空作业多,对吊装 过程中的技术要求高,吊装中不同工况条件下的施工荷载必须同其 自身设计承载力相吻合,钢构件在运输、堆放、起吊、就位及安装 过程中,要按事先模拟设计的条件进行。 2.1.4 由于钢材的特点,决定了钢框架结构要求防腐、防火严 格。 2.1.5 高层钢框架结构安装工程量大,构件多,现场往往必须 设置临时堆放场地及相应的中转堆场才能满足安装需要。 2.2 钢框架焊接变形分析 2.2.1 钢结构变形类型 钢结构变形类型,可分为总体变形和局部变形两类。总体变形 是指整个结构的外形和尺寸发生变化,局部变形是指结构构件在局 部区域出现变形。二者可能单独出现,但更多地是组合出现。它们 都会影响结构的诸多方面,如外观、刚度和稳定性等,降低承载力, 危及结构安全。 2.2.2 钢结构变形原因 钢材的初始变形;加工制作中的变形;运输及安装过程中产生 的变形;使用过程中产生的变形等。 2.2.3 变形控制方法 传统的经验方法是制定合理的吊装、焊接方案等,如采用先内 而外的吊装顺序、对称焊接等,在测量控制上预留变形等,这种笼 统地控制方法在一定条件下可以取得较好的效果,但遇到复杂、多 变的条件,效果有限。 焊接变形是高层钢结构框架变形的主要构成因素,但相关的论 文分析也多以静态、局部的分析为主,如针对于某个焊接面或焊接 构件的分析,针对建筑钢框架结构焊接变形的整体分析方法尚未出 现。 3 高层钢框架结构焊接施工工艺及其变形矫正探讨 3.1 焊接变形原因分析 钢结构具有结构性能良好、建设工期短、绿色、环保等优点, 所以在工业与民用建筑中广泛应用。焊接对钢结构来说是一把双刃 剑,它成就了钢结构建设的高速度,但是钢结构在焊接时产生的变 形问题,也会极大地影响钢结构的施工质量。钢结构在焊接过程中 出现变形是不可避免的,但可以通过合理的施工措施来予以控制。 焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部 的不均匀加热,以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的刚 性拘束作用,通过力、温度和组织等因素的变化,从而在焊接接头 区产生不均匀的收缩变形,焊缝的纵向和横向缩短是引起各种复杂 变形的根本原因。 3.1.1 结构刚度 刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力,它主要取决于结构 的截面形状及其尺寸大小。如桁架的纵向变形,主要取决于横截面 面积和弦杆截面的尺寸;再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯 曲变形,主要取决于截面的抗弯刚度。 3.1.2 焊缝位置和数量 在钢结构刚性不大时,焊缝在结构中对称布置,施焊程序合理, 则只产生线性缩短;当焊缝布置不对称时,则还会产生弯曲变形; 焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时,只要施焊程序合 理,则只产生线性缩短;当焊缝截面重心偏离接头截面重心时,则 还会产生角变形。 3.1.3 焊接工艺 焊接电流大,焊条直径粗,焊接速度慢,都会造成焊接变形大; 自动焊接的变形较小,但焊接厚钢板时,自动焊比手工焊的焊接变 形稍大;多层焊时,第一层焊缝收缩量最大,第二、三层焊缝的收 缩量则分别为第一层的 20%和 5%~10%,层数越多焊接变形也越大; 断续焊缝比连续焊缝的收缩量小;对接焊缝的横向收缩比纵向收缩 大 2 倍~4 倍;焊接次序不当或未先焊好分部构件,然后总拼装焊 接,都易产生较大的焊接变形。所以在施工时要制定合理的焊接工 艺措施。 3.2 焊接变形矫正措施探讨 3.2.1 焊接工艺措施 焊接施工时,应选择合适的焊接电流、速度、方向、顺序,以 减少变形。焊接金属构件时,应先焊短,后焊长;先焊立,后焊平; 先焊对接缝,再焊搭接缝,应从中间到两边,从里到外焊接。集中 的焊缝应采用跳焊法,长焊缝采用分段

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