钢结构构件施工中焊接应力对安装精度影响的研究

张涛

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

1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內部应力。

焊接应力的产生主要有以下4个原因：①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]。②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。③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。④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：①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。②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。③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]。④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

采用实时监测技術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。

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：①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。②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：①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。②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。③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：①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。②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。

参考文獻

[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.