毕业论文 建筑钢结构焊呢接变形控制研究

1、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 学生姓名 学号 2006440587 指导教师 职称 评阅教师_ _ 职称_ 2010 年 6 月 25 日学生毕业设计（论文）原创性声明学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在

2、论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日毕业设计 中文摘要摘 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

3、变形控制的目的。关键词：建筑钢结构 概念设计 关键节点 焊接变形控制重庆科技学院本科生毕业设计 英文摘要abstractsteel structure system in modern building systems, because of their inherent light weight, high strength and rapid construction of the unique advantages, compared with the reinforced concrete structure also has the high, big, light, the dev

4、elopment 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 construction steel strength design; selected q420 as part of this material

5、 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 design, and second, to control from the process. through structural

6、 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毕业设计 目录 目 录中文摘要.英文摘要 .ii1 绪 论 .11.1 钢结构建筑发展现状.11.2 研究本课题的意义.11.3 重点内容.12 商住钢结构建筑概念设计.22.1 设计思路 .22.2 概念设计对象的基本数据.22.2

7、钢结构结构选型.32.3 荷载计算.42.4 结构内力计算 .63 关键节点构件结构设计.103.1 连接螺栓 .113.2 梁柱翼缘对接焊缝 .113.3 柱腹板受压承载力验算 .113.4 柱受拉翼缘验算.114 材料分析及施工流程设计 .134.1 q420 材料选择技术分析 .134.2 制造工艺流程.145 工字钢制造工艺设计及关键节点现场施工工艺设计 .175.1 工字钢厂内制造工艺设计.175.2 节点构件的现场施工工艺设计.185.3 关键节点主要焊缝变形控制.205.4 针对 a、b 工作焊缝的焊接工艺优化.215.5 焊接材料选择.235.6 焊接工艺规程.245.7 斜

8、y 坡口焊接实验.255.8 拉伸性能实验.256 总 结 .26参考文献 .27致 谢 .28毕业设计 目录 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 外文原文毕业设计 1 绪论 11 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, 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

9、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

10、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。毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计22 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

11、 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

12、.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毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计3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

13、 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40020081384.1266.0 23700119016.817401744.54主梁5002001016114.289.647800191020.521402144.33上柱4004001321219.217266900334017.522400112040.1下柱5004

14、501625297.2233.1139181556721.6537984168811.31毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计4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 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/m2.3.2 活荷载标准值屋面和楼面活荷载标准

15、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 轴间框架梁毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计5次梁自重=0.87 kn/mm=3.74kn22 . 44 . 4楼面板传恒载=5.7m4.3m（4.18+1）kn/m2 =42.32 kn31楼面板传活载=5.7m4.3m2.0 kn/m2=16.34 kn31 屋面板传恒载=5.7m4.3m6.54 kn/m2=53.43 kn31 屋面板传活载=5.7m4.3m2.0 kn/m2=16.34 kn31ab 轴间框架梁集中荷载为：楼面梁恒载=梁自重+板传荷载=3.74

16、+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 knab 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/mbc 轴间框架梁楼面板传恒载=6.14.3（4.18+1）kn/m2=45.29kn31楼面板传活载=6.14.32.0 kn/m2=17.49kn31屋面板传恒载=6.14.36.54 kn/m2=57.18kn31屋面板传活载=6.14.32.0 kn/m2=17.49kn31b

17、c 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=17.49knbc 轴间框架梁均布荷载为： 楼面梁均布荷载=主梁自重+隔墙重=1.39+7.41=8.80 kn/m 屋面梁均布荷载=主梁自重=1.39kn/ma 轴纵向集中荷载计算标准层柱活载=板传荷载=5.7m4.3m2.0kn/ m2=8.17kn61毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计6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

18、=68.76knb 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=59.79kn61 顶层柱活载=板传活载=(5.7+6.1)m4.3m2.0 kn/ m2=16.91kn61 标准层柱恒载=联系梁重+板传荷载=1.15kn/m(4.3-0.4)m+(5.7+6.1)m4.3m4.18 kn/ m2=39.83kn61标准活载=板传荷载=(5.7+6.1)m4.3m2.0 kn/ m=16.91kn61c 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 kn61标准

19、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+616.1m4.18 kn/ m24.3m=79.01kn标准层活载=板传荷载=6.1m4.3m2.0kn/ m2=8.74 kn61 基础顶面恒载=基础梁自重+阳台重+墙自重=2.5kn/m4.3m+26.17kn+33.16kn=70.08kn2.3.4 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

20、=-57.17-57.17-1.395.72=-227 . 58 . 39 . 1227 . 58 . 39 . 112176.18kn.mmgbw 毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计7,aw=60.92+1.396.12=86.89kn.m22221 . 631 . 62)31 . 6(1 . 6)31 . 62(31 . 6121mgbw,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.m06.467 . 58 . 39 . 12206.467 . 58 . 39 . 122121mgbb, ab=82

21、.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.mmgcw=10.360.3=-3.11kn.m阳台及外墙引起的固端弯矩mgab=28.81kn.mmgcb=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.

22、81-82.17=-53.36kn.m mbb = mgbb, ab+ mgab,cb=82.17-93.75=-11.58 kn.mmcb= mgcb+ mgcb,bb=-24.80+93.75=68.95kn.m2.4.2 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.m227 . 58 . 39 . 1227 . 58 . 39 . 1mgcw，bw=+17.49=23.71 kn.m221 . 6)31 . 62(31 . 6221 . 6)31 . 62(31 . 6 mgbw，cw=2

23、3.71 kn.m 标准层楼面梁处： mgab=10.320.6=6.19kn.mmgcb=-8.60.5=-4.30kn.m毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计8mgcb,bb=23.71kn.mmgbb, cb=-23.71kn.mmgbb, 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=-3.01

24、kn.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+0.5雪载 左边次梁所传荷载=57.17+0.54.30.45=59.01kn37 . 5 右边次梁所传荷载=60.92+0.54.30.45=62.76kn 31 . 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.m227 . 58 . 39 . 1227 . 58

25、 . 39 . 1121 mgbw. aw=78.51kn.m mgcw,bw=62.76+22221 . 631 . 62)31 . 6(1 . 6)31 . 62(31 . 61211.396.12=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.mmbw= mgbw ,aw +mgbw,cw=78.51

26、-89.38=10.87kn.m毕业设计 2 商住钢结构建筑概念设计9mcw= mgcw,bw=89.38kn.mmab= mgab+ mgab,bb=32.5892.52=59.94kn.mmbb= mgbb, ab+ mgbb, cb=92.52105.61= 13.09kn.mmcb= mgcb+ mgcb,bb=105.6126.95=78.66kn.m2.4.3 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(

27、asd)、塑性设计法(pd)和极限状态法(lrfd)。而极限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=16mmcebfcfbfatw=16mm55.163454203025250034

28、530cycfh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=22.63mmcfa16200tcf=25mm22.36mm，满足要求重庆科技学院本科生毕业设计 3 关键节点构件结构设计12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=-

29、246.82kn.m v=130.89kn=73.25n/mm2pbbvmm21cwcbbbthhmm2116)252500()162500(1082.2466180=240n/mm2,满足要求。3434vf10.2mmtw=16mm，满足要求。90)252500()162500(90cbhh 图 3.3 梁的节点域重庆科技学院本科生毕业设计 4 材料分析及施工流程设计134 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cmnsipsvnbtialcrnib0.201.001.700.550.040.040.020

30、.200.0150.060.020.20-0.400.704.1.2 q420性能10q420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能；具有较好的搞腐蚀性能和一定

31、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）52068018420344.1.3 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 钢可以节省整重庆科技学院本科生毕业设计 4 材料分析及施工流程设计14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（弯曲、冲压、折边）拼板焊接加工机

33、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）重庆科技学院本科生毕业设计 4 材料分析及施工流程设计15 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重庆科技学院本科生毕业设计 4 材料分析及施工流程设计16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、检验带节点柱重庆科技学院本科生毕业设计 5

34、工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺175 工字钢制造工艺设计及关键节点现场施工工艺设计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

35、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 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

36、册查取，如表5.1所示。表5.1 焊接参数焊丝牌号h08mn2mo焊剂hj250焊丝直径/mm4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，横向焊缝从重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺18下起弧向上进行交替焊，并收弧于工件的两端。这样确保工

37、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500600mm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

38、的应用越来越广泛。在钢结构建筑的设计过程中，除了大处着眼重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺19满足结构整体计算要求、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，

39、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

40、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

41、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。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 节点设计图重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺20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

42、 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重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺21采用如上图所示的双 x 型坡口有利于焊接变形控制。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

43、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

44、。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，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

45、。表5.1 坡口形式重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺22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。

46、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 焊接方法比较重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺23接头特征焊接方 法适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0.5202030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

47、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 1.2m

48、m 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 %mo %v %0.100.40-0.700.15-0.350.0300.0301.00-1.300.0300.50-0.700.15-0.355.5.3 保护气体选择重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺24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 c

49、o2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，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

50、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/h15020080ar+20co2201802502024v2530重庆科技学院本科生毕业设计 5 工字钢制造工设计及关键节点现场施工工艺255.7 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

51、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 ，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(% )0001621150000015.68q420b16015000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

52、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100150，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1co2 气体保护焊100%级合格450600未发现裂纹2co2 气体保护焊100%级合格460620未发现裂纹重庆科技学院本科生毕业设计 6 总结266 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