毕业设计（论文）建筑钢结构焊接变形控制研究

1、重庆科技学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 建筑钢结构焊接变形控制研究 院 （系） 冶金与材料工程学院 专业班级 材控普 2006-01 学生姓名 学号 指导教师 职称 评阅教师_ _ 职称_ 2010 年 6 月 25 日 摘 要 钢结构体系在现代建筑体系中，因其本身具有的自重轻、强度高, 施工快等 独特优点,与钢筋混凝土结构相比,更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特 优势，可以说钢结构已在建筑工程中发挥着独特且日益重要的作用。 论文通过借鉴国内工程设计实例，对建筑钢结构关键节点进行强度设计；选 用q420作为此建筑钢结构制造材料，对q420进行技术分析，在满足计算所得强度

2、要求的情况的前提下，对关键节点制定相应的焊接变形控制措施，一是从结构设 计上控制，二是从工艺上控制。通过结构设计和工艺设计，达到了对该钢结构建 筑关键节点的焊接变形控制的目的。 关键词：建筑钢结构 概念设计 关键节点 焊接变形控制 abstract steel structure system in modern building systems, because of their inherent light weight, high strength and rapid construction of the unique advantages, compared with the rei

3、nforced concrete structure also has the high, big, light, the development of three unique advantages can be said to have been in the construction of steel structure has played a unique and increasingly important role. paper by drawing on domestic engineering design example, the key nodes of construc

4、tion steel strength design; selected q420 as part of this material of construction steel structure, technical on q420 in meeting the strength requirements of the calculated under the premise of key nodes formulate appropriate control measures for welding deformation, one from the control structure d

5、esign, and second, to control from the process. through structural design and process design to achieve the key nodes of the steel structure welding distortion control. keywords: steel structure; concept design; key nodes; welding distortion control 目 录 中文摘要.i 英文摘要 .ii 1 绪 论 .1 1.1 钢结构建筑发展现状.1 1.2 研

6、究本课题的意义.1 1.3 重点内容.1 2 商住钢结构建筑概念设计.2 2.1 设计思路 .2 2.2 概念设计对象的基本数据.2 2.2 钢结构结构选型.3 2.3 荷载计算.4 2.4 结构内力计算 .6 3 关键节点构件结构设计.10 3.1 连接螺栓 .11 3.2 梁柱翼缘对接焊缝 .11 3.3 柱腹板受压承载力验算 .11 3.4 柱受拉翼缘验算.11 4 材料分析及施工流程设计 .13 4.1 q420 材料选择技术分析 .13 4.2 制造工艺流程.14 5 工字钢制造工艺设计及关键节点现场施工工艺设计 .17 5.1 工字钢厂内制造工艺设计.17 5.2 节点构件的现场施

7、工工艺设计.18 5.3 关键节点主要焊缝变形控制.20 5.4 针对 a、b 工作焊缝的焊接工艺优化.21 5.5 焊接材料选择.23 5.6 焊接工艺规程.24 5.7 斜 y 坡口焊接实验.25 5.8 拉伸性能实验.25 6 总 结 .26 参考文献 .27 致 谢 .28 附录 1 图纸 附件 1 任务书 附件 2 文献综述 附录 3 开题报告 附录 4 外文译文 附录 5 外文原文 1 绪 论 1.1 钢结构建筑发展现状 随着国家经济建设的发展, 钢结构产品在大跨度空间结构、轻钢门式结构、 多层及小高层住宅等领域的建筑日益增多, 应用领域不断扩大。西气东送, 西电 东输, 南水北调

8、, 青藏铁路, 2008年奥运会体育设施, 2010 年上海世博会, 钢 结构住宅的兴起、西部地区的大开发等等迹象表明, 一个发展建筑钢结构行业和 市场的势头正在我国出现。总的来看, 形势很好, 前景喜人。钢结构体系因其本 身所具有的自重轻、强度高, 施工快等独特优点, 与钢筋混凝土结构相比, 更具 有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。在我国建筑工程领域中已经出现 了产品结构调整, 长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化,可 以说目前钢结构已在建筑工程中发挥着独特且日益重要的作用16。 1.2 研究本课题的意义 钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、投资回收快、抗震性能

9、好 及环境污染少等综合优势，被称为绿色建筑。施工企业中，钢结构的设计、制造 和安装是众多施工企业的核心业务之一。组装和焊接是钢结构厂内制造和现场安 装核心工艺环节。而钢结构在设计、制造、安装的工作中，控制其变形是一个重 要且复杂的技术课题，因此对该课题的研究是相当有意义的。 1.3 重点内容 对该商住钢结构体系进行分析和概念设计并确定其中的关键节点构件，进行 具体设计，对该建筑钢结构节点构件的组装、焊接施工流程进行设计，对上述节 点构件的关键焊接接头进行焊接工艺设计。 2 商住钢结构建筑概念设计 2.1 设计思路 概念设计思路见框图 2.1。 图 2.1 概念设计思路 2.2 概念设计对象的基

10、本数据1 建筑名称： xx 商住钢结构建筑 工程概况：建筑总高度 36.6m，共 12 层，层高 3m 环境： 基本风压 w0=0.35kn/m2，地面粗糙度 c，抗震设防烈度为 7 度 结构体系选型： 钢框架体系。 钢构件的基本形式：为了易于加工及使用国产钢，主次梁为焊接 h 型钢，型 钢和钢梁采用焊接 h 型钢，所有钢构件最大板厚不超过 50mm。 关键节点连接:柱和主梁采用栓焊混合连接 钢材初选：梁采用 q420 钢 均布永久荷载：楼板重 fc=14.30kn/mm2 建筑面层重 1.00 kn/m2 不固定轻质隔墙平均到平面重 1.00 kn/m2 固定隔墙根据其材质按实际值取 吊顶及

11、吊挂重： 0.5 kn/m2 外墙： 11.8 kn/m2 构件自重（梁、柱、减力墙）自重： 通过计算得到 活荷载：办公室、住宿房 2.0 kn/m2 荷载：基本风压 w0 1.10.35kn/m2=0.385 kn/m2（1.1 为放大系数） 分析、整理设计对象的基本数据 钢结构结构选型 荷载计算内力计算 恒 载 框架 受 荷 柱 重 恒荷载 标准值 作用下 的内力 计算 活荷载 标准值 作用下 的内力 计算 风荷 载作 用 下 的内 力 地震 作用 下的 内力 节点构件设计 地面粗糙度： c 风振系数：根据计算出的基本周期，按建筑结构荷载规范取用。 地震作用：本工程防烈度为 7 度，场地类

12、型为 i 类，设计地震分组为第一组， 设计基本加速度为 0.1kg，结构阻尼比取 0.05，地震影响系数曲线取自建筑结 构设计规范 。 表 2.1 主要构件特征 2.2 钢结构结构选型1 对此结构选取钢框架结构体。部分结构平面布置如图 2.2，其剖面及局部放 大如图 2.3 所示。 图 2.2 部分结构平面布置图 尺寸（mm） 截面特征 构件 hbtwwt 截面面 积 （cm2 ） 单位重 （kg/m） ix（cm4 ） wx（cm3 ） ix(cm)iy(cm4)wy(cm3) iy(cm ) 次梁 3001506.5947.5337.3735049012.4508683.27 连系梁 40

13、020081384.1266.0 23700119016.817401744.54 主梁 5002001016114.289.647800191020.521402144.33 上柱 4004001321219.217266900334017.522400112040.1 下柱 5004501625297.2233.1139181556721.6537984168811.31 图 2.3 剖面及局部放大 2.3 荷载计算 2.3.1 恒载计算 屋面合计：6.54kn/m2 标准层楼面合计 4.18 kn/m2 外墙标准层自重合计 44.93 kn 外墙底层自重合计 51.02kn 内墙自重合计

14、 7.41 kn/m 主梁自重合计 1.39 kn/m 次梁自重合计 0.87 kn/m 联系梁自重合计 1.15 kn/m 基础梁自重合计 2.5 kn/m 上柱重合计和下柱重合计分别为 2.19 kn/m 和 2.78 kn/m 2.3.2 活荷载标准值 屋面和楼面活荷载标准值根据建筑钢结构荷载规范查得：上人屋面 2.0 kn/m2 ，楼面（住宅）2.0 kn/m2。 2.3.3 框架受荷计算 ab 轴间框架梁 次梁自重=0.87 kn/mm=3.74kn 2 2 . 44 . 4 楼面板传恒载=5.7m4.3m（4.18+1）kn/m2 =42.32 kn 3 1 楼面板传活载=5.7m

15、4.3m2.0 kn/m2=16.34 kn 3 1 屋面板传恒载=5.7m4.3m6.54 kn/m2=53.43 kn 3 1 屋面板传活载=5.7m4.3m2.0 kn/m2=16.34 kn 3 1 ab 轴间框架梁集中荷载为： 楼面梁恒载=梁自重+板传荷载=3.74+42.32=46.06 kn 楼面活载=板传活载=16.34kn 屋面梁恒载=梁自重+板传荷载=3.74+53.43=57.17 kn 屋面梁活载=板传荷载=16.34 kn ab 轴间框架梁均布荷载为： 楼面梁均布荷载=主梁自重+隔墙自重+1.39+7.41=8.80 kn/m 楼面梁均布荷载=主梁自重=1.39 kn

16、/m bc 轴间框架梁 楼面板传恒载=6.14.3（4.18+1）kn/m2=45.29kn 3 1 楼面板传活载=6.14.32.0 kn/m2=17.49kn 3 1 屋面板传恒载=6.14.36.54 kn/m2=57.18kn 3 1 屋面板传活载=6.14.32.0 kn/m2=17.49kn 3 1 bc 轴间框架梁集中荷载为： 楼面梁恒载=梁自重+板传荷载=3.74+45.29=49.03kn 楼面活载=板荷载=17.49kn 屋面梁恒载=梁自重+板传荷载=3.74+57.18=60.92kn 屋面梁活载=板传荷载=17.49kn bc 轴间框架梁均布荷载为： 楼面梁均布荷载=主

17、梁自重+隔墙重=1.39+7.41=8.80 kn/m 屋面梁均布荷载=主梁自重=1.39kn/m a 轴纵向集中荷载计算 标准层柱活载=板传荷载=5.7m4.3m2.0kn/ m2=8.17kn 6 1 基础顶面恒载=基础梁自重+阳台重+墙自重=2.5kn/m4.3+24.85kn+ 33.6kn=68.76kn b 轴纵向集中荷载计算 顶层柱恒载=梁自重+板传荷载 =1.15kn/m(4.3-0.4)m+(5.7+6.1)m4.3m6.54 kn/ m2=59.79kn 6 1 顶层柱活载=板传活载=(5.7+6.1)m4.3m2.0 kn/ m2=16.91kn 6 1 标准层柱恒载=联

18、系梁重+板传荷载 =1.15kn/m(4.3-0.4)m+(5.7+6.1)m4.3m4.18 kn/ m2=39.83kn 6 1 标准活载=板传荷载=(5.7+6.1)m4.3m2.0 kn/ m=16.91kn 6 1 c 轴纵向集中荷载计算 顶层柱活载=板传活载=6.1m4.3m2.0kn/ m2=8.74 kn 6 1 标准层柱恒载=墙自重+阳台重+联系梁重+板传荷载 =22.63kn+33.16kn+1.15kn/m4.3m+ 6 1 6.1m4.18 kn/ m24.3m=79.01kn 标准层活载=板传荷载=6.1m4.3m2.0kn/ m2=8.74 kn 6 1 基础顶面恒

19、载=基础梁自重+阳台重+墙自重 =2.5kn/m4.3m+26.17kn+33.16kn=70.08kn 2.3.4 柱重 上柱自重=2.19kn/m3m=6.57kn 下柱自重=2.78kn/m3m=8.34kn 底柱自重=2.78kn/m3.3m=9.17kn 2.4 结构内力计算 2.4.1 恒荷载标准值作用下的内力计算 屋面梁的固端弯矩 mgaw,bw=-57.17-57.17-1.395.72=- 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 12 1 76.18kn.m mgbw ,aw=60.92+ 1.396.12=86.89kn.m 2

20、2 2 2 1 . 6 3 1 . 62 ) 3 1 . 6 ( 1 . 6 ) 3 1 . 62 ( 3 1 . 6 12 1 mgbw,cw=86.89kn.m mgcw,bw=-86.89kn.m 标准层楼面的固端弯矩 mgab,bb=8.805.72=-82.17kn.m 06.46 7 . 5 8 . 39 . 1 2 2 06.46 7 . 5 8 . 39 . 1 2 2 12 1 mgbb, ab=82.17kn.m mgcb,bb=93.75kn.m mg bb, cb=93.75kn.m 屋顶外天沟固端弯矩 mgaw=10.360.3=3.11kn.m mgcw=10.36

21、0.3=-3.11kn.m 阳台及外墙引起的固端弯矩 mgab=28.81kn.m mgcb=24.80kn.m 恒载引起的节点不平衡弯矩 maw= mgaw+ mgaw,bw=3.11-76.18=-73.07kn.m mbw= mgbw ,aw +mgbw,cw=76.18-86.89=10.71kn.m mcw= mgcw +mgcw,bw=-3.11+86.89=83.78kn.m mab= mgab+ mgab,bb=28.81-82.17=-53.36kn.m mbb = mgbb, ab+ mgab,cb=82.17-93.75=-11.58 kn.m mcb= mgcb+ mg

22、cb,bb=-24.80+93.75=68.95kn.m 2.4.2 活荷载标准值作用下的内力计算 活荷载引起的固端弯矩 屋面梁处： mgaw，bw=-16.34-16.34=-13.80-6.90=-20.705kn.m 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 mgcw，bw=+17.49=23.71 kn.m 2 2 1 . 6 ) 3 1 . 62 ( 3 1 . 6 2 2 1 . 6 ) 3 1 . 62 ( 3 1 . 6 mgbw，cw=23.71 kn.m 标准层楼面梁处： mgab=10.320.6=6.19kn.m mgcb=-8

23、.60.5=-4.30kn.m mgcb,bb=23.71kn.m mgbb, cb=-23.71kn.m mgbb, ab=20.70kn.m 活荷载引起的不平衡弯矩 maw= mgaw，bw=-20.705kn.m mbw= mgbw, aw+ mgbw, cw=20.70-23.71=-3.01kn.m mab= mgab+ mgab, bb=6.19-20.70=14.51kn.m mbb= mgbb, ab+ mgbb, cb=20.70-23.71=-3.01kn.m mcb= mgcb +mgcb,bb=-4.30+23.71=19.41 kn.m 屋面梁上的荷载标准值=恒载+0

24、.5雪载 左边次梁所传荷载=57.17+0.54.30.45=59.01kn 3 7 . 5 右边次梁所传荷载=60.92+0.54.30.45=62.76kn 3 1 . 6 楼面梁上的荷载标准值=恒载+0.5活载 左边次梁所传荷载=46.06+0.516.34=54.23kn 右边次梁所传荷载=49.03+0.517.49=57.78kn 屋面梁的固端弯矩 mgaw，bw=-（+）59.01-1.395.72=-78.51kn.m 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 2 2 7 . 5 8 . 39 . 1 12 1 mgbw. aw=78.51kn.m mgcw,bw= 62.76

25、+ 2 2 2 2 1 . 6 3 1 . 62 ) 3 1 . 6 ( 1 . 6 ) 3 1 . 62 ( 3 1 . 6 12 1 1.396.12=89.38kn.m mgbw，cw=89.38kn.m 楼面梁的固端弯矩 mgab=32.58kn.m mgab,bb=92.52kn.m mgbb, ab=92.52kn.m mgcb=26.95kn.m mgcb,bb=105.61kn.m mgbb, cb=105.61kn.m 节点不平衡弯矩 maw= mgaw,bw=78.51kn.m mbw= mgbw ,aw +mgbw,cw=78.51-89.38=10.87kn.m mcw

26、= mgcw,bw=89.38kn.m mab= mgab+ mgab,bb=32.5892.52=59.94kn.m mbb= mgbb, ab+ mgbb, cb=92.52105.61= 13.09kn.m mcb= mgcb+ mgcb,bb=105.6126.95=78.66kn.m 2.4.3 风荷载和作用下的内力计算和横向地震作用下的内力计算 由于风载荷和地震荷载计算相当复杂，而且需要对各地区的天气、地理进行 长期统计分析才能得到所需资料。在此只对计算的核心思想和算法进行了说明和 理解，通常所用的方法三种，容许应力法(asd)、塑性设计法(pd)和极限状态法 (lrfd)。而极限

27、状态法是最常用的方法。在此对极限状态法核心思想和算法做出 说明。 采用抗力和荷载分项系数的极限状态设计法成为现行世界各国的主要设计方 法。由于荷载的作用,结构在使用周期内有可能达到各种极限状态,这些极限状态 可分为两类:承载能力极限状态和正常使用极限状态。结构的安全性对应结构的 承载能力极限状态,包括构件断裂、失稳、过大的塑性变形等所导致的结构破坏。 极限状态设计法就是要求保证结构在使用期内不超越各种极限状态。lrfd 设计 公式的通式如公式2.1。 i sni tw=16mm ce bfc fb fa tw=16mm55.16 345 420 30 252500 34530 c yc f h

28、 因此需配置横向加劲肋。根据钢结构设计规范 （gb500172003）第 7.4.3，取加劲肋厚度为 16mm。 3.4 柱受拉翼缘验算 为防止与梁受拉翼缘板相连处的翼缘板因受拉而发生横向弯曲，见图 3.1（d） ，柱翼缘板的最小厚度为： tcf0.4=0.4=22.63mm c f a16200 tcf=25mm22.36mm，满足要求 为了提高安全性，在梁受拉翼缘对应位置按构造配置横向加劲肋。 3.5 梁柱刚性连接处的节点域验算 梁的节点域如图 3.2 所示。因为 b 柱两侧弯矩方向相反，相对而言，a、c 柱 更不利，取边柱为最不利内力： m=-246.82kn.m v=130.89kn

29、=73.25n/mm2 p bb v mm 21 cwcb bb thh mm 21 16)252500()162500( 1082.246 6 180=240n/mm2,满足要求。 3 4 3 4 v f 10.2mmtw=16mm，满足要求。 90 )252500()162500( 90 cb hh 图 3.3 梁的节点域 4 结构用钢分析及施工流程设计 4.1 q420 材料选择技术分析 4.1.1 q420成分如表4.1所示 表4.1 q420成分 等级 cmnsipsvnbtialcrni b 0. 20 1.00 1. 70 0. 55 0. 04 0. 04 0.02 0. 20

30、 0.01 50 .06 0.02 0. 20 - 0. 40 0. 70 4.1.2 q420性能10 q420是一种低合金高强度钢，它不仅是高强度钢，还是低碳钢。只是它的 抗拉强度高了一点， q345的抗拉强度是 345n/mm2，而q420的抗拉强度是 420n/mm2。与q345相比，采用q420 高强钢，对常用的主材构件，其强度和承载 能力都有较大提高。例如：1 500 mm（长）160 mm（宽）16 mm（厚）钢， 与同样规格的q345 相比，q420 强度提高23%，承载力提高18%。q420具有高的强 度，良好的抗疲劳性能；高韧性和低的脆性转变温度；良好的冷成型性能和焊 接性

31、能；具有较好的搞腐蚀性能和一定的耐磨性能。强度高，特别是在正火 或正火加回火状态有较高的综合 力学性能，其性能如表 4.2所示。 表4.2 q420性能 抗拉强度（ mpa） 伸长率（b级） s/% 屈服点（厚度 16mm）mpa 冲击吸收功（ 20） 5206801842034 4.1.3 q420 经济技术优势及适用范围 如果使用 q420 做建筑钢结构的主材料，不仅可降低建筑重量6%8%， 还减小了横担主材规格，从理论上讲，由于减小了柱梁体积，节省了部分空间， 从经济角度讲， q420 钢单价按比 q345 钢高 10%，但用 q420 钢可以节省整 体造价的 2%6%，同时，简化了结构

32、的构造，也减少了运输、安装等费用。因 此高强钢在我国钢结构建筑中有着广泛的应用前景。 q420 主要适用于： 钢结构、电力铁塔、各类起重吊车、重型汽车、石油 井架、高温风车、煤矿液压支架等等。 4.2 制造工艺流程3 节点制造工艺流程如图 4.3，单件柱节点制造流程如图 4.4 所示。 q420 型钢的验收、入库、存放与发放 q420 钢板的矫正（矫平、矫直） 采用机械矫正，以保证表面质量 q420 的预处理（除去表面铁锈、油污、氧 化皮、涂防护导电漆） 常用方法：机械除锈法和化学除锈法 加工前准备（划线、放样、号料） 下料（剪切、冲裁、热切割） 边缘、坡口加工（气割 或切割加工） 成型加工（

33、弯曲、冲压、折边） 拼板焊接加工 机械加工零、配件 边缘、坡口加工（气割 或切割加工） 孔加工（气割、钻铣、 冲孔） 图 4.3 施工流程 装配成 h 型焊接 焊后热处理、变形矫正 机械加工 总合拢整体焊接 结构质量检验（无损检验、性能试验、 ） 涂饰（喷丸除锈、氧化皮等、酸洗、涂漆、 做标记 包装、验收入库、现场使用 预热 整体预装 焊后热处理、变形矫正 预热 机械加工 图 4.4 单根柱节点制造流程 柱腹板1柱翼缘板2 工字型柱1 焊接、焊 后热处理、 变形矫正 加强肋16 带加强肋柱1 焊接 连接板8 机械加 工孔 焊接、检验 带节点柱 5 工字钢制造工艺设计及关键节点现场施工工艺设计

34、5.1 工字钢厂内制造工艺设计 5.1.1 工字钢焊接变形分析11 在焊接过程中对工件进行了局部的、不均匀的加热焊缝及其附近的金属在焊 接高温的作用下膨胀，受到周围未加热金属的阻碍，从而产生了压缩塑性变形。 由于塑性变形区的存在，工件经过加热膨胀，加上随后的不均匀冷却，以及结构 本身或外加的刚性约束作用，通过力、温度和组织等因素的变化在焊接接头区产 生了不均匀的塑性变形。工字梁主要的焊接变形特点表现为：焊缝的横向收缩使 得上、下面与腹板间相对角度发生变化的角变形；角变形造成的波浪变形；焊接 顺序、焊接方向不当和不对称焊接引起的扭曲变形等。 5.1.2 工字梁焊接变形的控制 焊前准备 1）下料

35、为确保下料尺寸准确，采用数控切割下料。由于工件长9米，所以无需采用 分段拼凑，可以直接下料。 2）坡口 为了使焊缝金属达到与母材等强度，由于腹板厚度只有16mm，查gb986知， 用埋弧焊焊接16mm厚板时不需开坡口，为保证焊透，需要清根，用砂轮打磨（清 理）坡口及坡口附近50mm范围内的铁锈、割渣，可防止夹渣、未熔合等焊接缺陷、 提高焊接质量。 确定合理的焊接参数 大型构件的焊接，应尽量采用小电流施焊和多层多道焊成形,以减小工件受热 范围,从而减小焊接残余应力。相同尺寸的焊缝焊接参数保持一致，确保工件焊接 时能较均匀地受热，焊接参数参照焊接手册查取，如表5.1所示。 表5.1 焊接参数 焊丝

36、牌号 h08mn2mo 焊剂 hj250 焊丝直径/mm 4 焊接速度mh-12527 焊接电流/a620650电弧电压/v3638 选择合理的装配焊接顺序 焊接过程中,通过合理的装配焊接顺序,使焊接变形能够互相抵消,从而达到 降低变形的目的。如对于工字梁的焊接,可采用先拼焊再按2 - 3 - 1- 4的顺序 施焊可大大降低焊接变形，如5.1图所示。 对称焊缝的起弧和收弧位置保持一致 4条较长的纵向的焊缝，均从中间起弧向两端分段退焊或跳焊，横向焊缝从 下起弧向上进行交替焊，并收弧于工件的两端。这样确保工件的两端能向中间收 缩的同时，亦能有效地降低工件的焊接扭曲程度。 刚性固定 每隔500600

37、mm用夹具强制将工件固定在工装上,然后采用船形焊接施焊,如 5.2所示。在工件完全冷却以后松开夹具，这时工件的变形要比在自由状态下焊 接时发生的变形要小，而且船形焊接能有效地提高焊缝的质量。 图5.1 焊接顺序 图5.2 刚性固定及船型焊工装工作图 1.工装 2.工件 5.2 节点构件的现场施工工艺设计 钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工 地安装的施工方法，使其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提 高效益创造了条件，再加上钢结构在大跨度上优势明显且轻质高强，因此，现代 建筑中，钢结构的应用越来越广泛。在钢结构建筑的设计过程中，除了大处着眼 满足结构整

38、体计算要求、保证结构整体受力合理外，亦应“细处着手不忽视数量 巨大的细小节点的设计。 5.2.1 节点设计不合理引起的变形 对于粱柱刚性连接，目前比较常用的做法是采用h型钢作柱子和梁，并采用 所谓的栓焊混合连接方法：梁柱节点现场连接，梁端部与翼缘焊缝全熔透焊焊接， 梁端部腹板通过连接角钢用摩擦型高强螺栓连接。对于h型钢作柱子时，h型钢有 强弱轴之分，沿腹板方向一般为强轴，沿翼缘方向是弱轴。当梁与柱子强轴方向 连接时，一般应在柱子与梁上下翼缘相交部位内侧相应处设置加劲板，但是大多 数建筑由于设置不当，结果造成节点的明显变形13。 5.2.2 节点设计工艺的改进13 扇形切角构造的改进 在日本阪神

39、大地震中，南于发现扇形切角工艺孔的端部起点存在产生变形危 险，因此是否设置扇形切角以及如何设置，已成为关系到结变形的重要问题。日 本在阪神地震后发布的技术规范中，对不开扇形切角和开扇形切角两种情况都提 出一系列规定，并规定扇形切角可采用不同形状：对柱贯通型和梁贯通型节点分 别规定了不同构造形式。柱贯通型节点的扇形切角形式有两种，其特点是通过减 小扇形切角端部与梁翼缘连接处圆弧半径，减少了应力集中，从而减少变形。 梁腹板与柱栓焊连接和栓接 美国在采用狗骨式连接时建议 ：将以往的腹板栓接改为栓焊连接，即用全 熔透坡口焊缝将梁翼缘板直接焊在柱上，再通过用较厚连接板将梁腹板与连接板 用螺栓连接。已有很

40、多研究指出腹板栓焊连接的性能比栓接好，它能更好地传力， 从而减小梁翼缘和翼缘焊缝的应力。同时，日本的研究也已指出，梁端腹板用高 强度螺栓连接时，与栓焊连接相比抗弯能力减小，塑性变形能力亦存在显著差异。 结合美、日的研究成果，很容易发现梁与柱栓焊连接优于栓接。因此，我选取了 栓焊混合连接作为此节点连接。 梁翼缘对应位置的柱加劲肋 与梁翼缘对应位置的柱加劲肋美国叫做连续板，美国过去根据传递梁翼缘压 力的需要来确定加劲肋的厚度。考虑到一部分内力通过柱腹板直接传递，得到了 加劲肋厚度明显小于梁翼缘厚度的结论。而且这样的结论曾在设计规定中有所体 现，例如梁翼缘对应位置的柱加劲肋厚度可取梁翼缘厚度的一半。

41、而日本一贯规 定加劲肋应比对应的梁翼缘板厚度大一级，认为这是关键部位。我国在梁翼缘对 应位置设置的柱加劲肋，从一开始就注意到了日本的经验，规定了加劲肋厚度不 小于梁翼缘厚度。我选择了与梁厚度相等的加劲板。 5.2.3 节点设计图 从以上的分析，通过对节点设计的改进，使节点具有更好的延性和强度，可 以更好的控制变形，节点立体图如图3.1所示。 5.3 关键节点主要焊缝变形控制 5.3.1 节点构件三视图及 a、b 放大图，如图 5.3 和图 5.4 所示 图 5.3 关键节点构件三视图 图 5.4 a、b 放大 5.3.2 针对 a、b 的变形控制 坡口形式 采用如上图所示的双 x 型坡口有利于

42、焊接变形控制。在采用 x 型坡口时，如 果不采取合理的焊接顺序，仍然可能产生角变形。例如，先焊完一面再焊另一面， 焊第二面时所产生的角变形不能完全抵消第一面的角变形，因为焊第二面时，第 一面的焊缝已形成，接头的刚度大大增加，角变形比焊第一面时小。在焊接非对 称形坡口时，应先焊焊接量小的一面，然后再焊焊接量大的一面。因此对于上图 所示的接头因先焊接仰焊面。 焊接方法 选用焊接线能量小的焊接方法，可以有效地减少焊接变形。例如采用 co2药 芯焊丝或实芯焊丝气保焊、mag 焊等来代替焊条电弧焊，不但效率高，而且可以 明显地减少焊接变形。因此对上图接头采用 co2气体保护焊不但可以减小焊接线 能量的输

43、入从而减小变形；而且可以提高工作效率，是理想的选择。 5.4 针对 a、b 工作焊缝的焊接工艺优化 5.4.1 坡口设计需要考虑的因素 焊接坡口应根据图样要求或工艺条件选用标准坡口或自行设计。选择坡口形 式和尺寸应考虑下列因素： 焊接方法； 焊缝填充金属尽量少； 避免产生缺陷； 减少残余焊接变形与应力； 有利于焊接防护； 焊工操作方便； 复合钢板的坡口应有利于减少过渡焊缝金属的稀释率。 5.4.2 坡口设计方案有三种，如表5.1所示。 坡口加工：接头一需要在双面加工，而接头二、三只需单面加工，因此后两 种加工更简易。变形控制：接头一变形量最小，二、三两种接头变形量都大。焊 接：接头一存在仰焊，

44、因此焊接困难，而且速度慢，对工作效率有影响。接头二 只需单面焊、且焊完后只需在背面焊一道焊缝即可，因此此接头比较理想，而机 头三虽然是单面焊，但是在焊接寸垫时也会存在仰焊起且会花费较多时间。 清根：接头一、二需要清根，但二相对于一清根更容易，接头三无需清根。材料 用量：由于接头三需要用寸垫，因此相对于接头一、二会消耗更多的材料。接头 一有其不足的地方，但是本设计的侧重点是变形控制，因此从变形控制的角度考 虑我选择一图中的坡口形式作为关键节点的设计坡口。 表5.1 坡口形式 坡口形式加工变形焊接清根 材料用 量 备注 一般小一般难相对少 接头形 式及尺 寸参考 钢结 构焊接 技术规 程 易大易易

45、相对少 接头形 式及尺 寸参考 钢结 构焊接 技术规 程 易易难无需清 根 多 接头形 式及尺 寸参考 钢结 构焊接 技术规 程 5.4.3 焊接方法选择有三种方案，如表 5.2 所示。 由表 5.2 可以看出，三种法的焊接厚度均满足要求；就熔合比而言，焊条电 弧焊最小，气保焊适中，埋弧焊最大；三者当中手工电弧焊熔敷效率最低，其余 两种都高；而设备和焊接成本手工焊较低，埋弧焊和气保焊相对高一些。另外， 此处的操作为高空作业，因此埋利用埋弧焊不实际。而气体保护焊能用于高空作 业，焊接热量集中，焊接热影响区小，对变形控制更有利，在此处是最佳选择。 表 5.2 焊接方法比较 接头特征焊接 方 法 适

46、用厚 度范围 熔合比 焊缝haz 熔敷效 率 设备成 本 焊接成 本 焊条 电弧 焊 22001530铸态组织 焊接线能量小，haz 宽度相对较小。具有 连续变化的梯形组织 特征 低低低 气保 焊 0.52 0 2030铸态组织焊接热量集中,haz 小高中低 埋弧 焊 53003060 焊缝组织 粗大 焊接线能量大，组织 粗大，热影响区宽度 随着线能量增加而加 宽（haz 较小） 高中低 5.5 焊接材料选择 5.5.1 焊接选材基本原则 焊接材料选择必须考虑到两方面的问题：一要焊缝没有缺陷；二是满足使用 性能的要求。因此，焊接材料选择时应选择裂纹、夹渣和气孔等缺陷产生倾向性 小的材料；同时应

47、保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材匹配。在 这两大选择基础之上，焊接材料选择时还应考虑焊接材料的工艺性（工艺性好的 焊接材料可以降低对工人操作技能的要求） 、经济性和统一性（焊接材料品种应 尽可能少，便于焊接材料的日常管理） 。 5.5.2 焊丝选择 由于是建筑刚结构，选择了低合金结构钢，因此主要是保证其强度，材料选 择时则主要考虑等强原则。根据钢结构焊接技术规程规定，选取实心焊丝牌 号为 er55-d2，考虑到焊接过程中的变形量，其直径为选取为 1.2mm 最为合理。 焊丝成分见表 5.3。 表 5.3 er55-d2 焊丝成分 c %mn %si %ni %s %cr %p %

48、mo %v % 0.100.40-0.700.15-0.350.0300.0301.00-1.300.0300.50-0.700.15-0.35 5.5.3 保护气体选择 保护气体的选择要考虑到焊缝表面成型、飞溅、对铁锈敏感度、成本、射流 过度临界值等，如表 5.4 所示。 表 5.4 保护气体比较 保护气体飞溅 对油绣敏感 度 成本表面成型 射流过度临 界值 co2 大小低差大 ar 小大高一般小 co2+ar 小小低好小 若单用 co2气体作为保护气体，飞溅过大，表面成型差且射流过度临界值太 大，而且焊接容易带产生裂纹等缺陷。因此用 co2做保护气体焊接不利。若单用 ar 气作为保护气体，

49、也有明显缺陷，用纯 ar 气体保护焊焊接时，其对油污、铁 绣等敏感，因此焊接前对工件的清理要求较高，工作效率将受到影响。co2+ar 保 护焊被广泛运用于碳钢和低合金钢，通过上表我们不难看出，采用 co2+ar 气作为 保护气时，飞溅、对铁锈的铭感度、成本、表面成型、射流过度临界值等等都是 比较好的，是理想的想的选择， 。 所以，通过综合分析，我选择了 co280+ar20气作为保护气体。 5.6 焊接工艺规程7 焊接工艺规程由焊接工艺手册要求查取，其具体值见表5.5。预热温度： 因腹板和翼缘板厚度都大于15mm，所以初选预热温度选定为150200，保护气 体及流量：通过对表5.2分析最后选定

50、保护气体为80ar+20co2气体，流量 20l/min；焊接电流：i=180250a；电弧电压：u=2024v；焊接速度： 2530m/h，多层多道焊。 表5.5 焊接工艺规程 预热温度气体流量l/min焊接电流 a电弧电压 v焊接速度m/h 150200 80ar+ 20co2 201802502024v2530 5.7 斜 y 坡口焊接实验 按照g b 4975.1 斜y 坡口焊接裂纹试验方法进行斜y 坡口焊接裂纹试 验，以评定焊接热影响区产生冷裂纹的倾向性。 试验条件：环境温度21；使用焊丝为jl-507，4.0 m m ，经3502h 烘干；焊接参数:电流17010a ，电压26v

51、，焊速15010 m m /m in；焊后试 件在空气中自然冷却，且不进行任何热处理。实验结果如表5.6所示。 表5.6 斜y坡口焊接裂纹试验结果 试件 厚度 （mm） 环境温 度/ 预热温度/表面裂纹率(% )断面裂纹率(% ) 000 1621 15000 0015.68 q420b 160 15000 综合以上试验结果，一般情况下q 420b钢焊前可不预热，但当环境温度低于 0时，应进行焊前100150预热，以避免产生冷裂纹。试验用q 420b 的化学 成分和力学性能均满足标准的要求，且抗冷裂性较好，当环境温度在0以上时 可不预热进行焊接；当环境温度在0以下焊接q420b时，建议预热10

52、0150， 焊后均不需采用任何热处理工艺。 5.8 拉伸性能实验 对试样拉伸性能执行标准 gb2282002金属材料室温拉伸试验方法 ；试验 机为 rsa250（德国申克）250kn 电子万能试验机。实验结果如表 5.7 所示。 表 5.7 拉伸性能试验结果 拉伸实验 试样焊接方法射线探伤屈服强 度/mpa 抗拉强 度/mpa 弯曲实验 1 co2 气体保护焊 100% 级合格 450600 未发现裂纹 2 co2 气体保护焊 100% 级合格 460620 未发现裂纹 6 总 结 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过十几周的奋战我们的毕 业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知 识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计 不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次 毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前 老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂