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论文钢结构的焊接变形与应力分析

摘要

近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载、要求施工速度快、节能环保、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件，因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。

本课题主要对H型钢焊接变形与应力进行研究，主要内容包括H型钢结构概述、H型钢结构焊接工艺、H型钢结构焊接应力与变形分析、典型H型钢结构焊接生产工艺等，本文通过研究分析H钢结构焊接应力与变形的类型及原因，以指导钢结构的生产及应用。

关键词：

钢结构，焊接变形，应力，强度

STEELSTRUCTUREWELDINGDEFORMATION

ANDSTRESSANALYSI

ABSTRACT

Inrecentyears,alongwithChina'sindustrialdevelopment,steelstructureengineeringbecauseofitsstructureperformanceisgood,structuralorganizationuniformity,highstrength,highmodulusofelasticity,plasticityandtoughness,suitableforbearimpactandtheseismicload,constructionspeedandfacilitatethemechanizationofmanufacturingandhigherdegreeindustrializationsuperiorconditions,somanysteelstructureengineeringinarchitecturehasbeenwidelyused.But,can'tdeny,steelstructurestillexistdefectsandhiddentrouble.Steelstructureweldingprocessistheweldingdeformationandtheweldingstresswaitforblemish.Steelstructureweldingprocessisactuallyinweldingafterheatingandcoolinglocalarea,butduetothesolidificationprocessofnon-uniformtemperaturefield,causingweldingunevenexpansionandcontraction,therebyinternallygeneratedweldingweldingstressandcausetheweldingdeformation.Thispapermainlyanalyzesthesteelstructuretypesandreasonsoftheweldingdeformationandstresselimination.

KEYWORDS:

steelstructure，Theweldingdeformation，Stress，Strength

目　录

中文摘要ⅠⅢ前　言1

第1章钢结构的组成及发展3

第2章H型钢概述6

2.1H型钢优点、适用范围6

前　言

钢结构的发展有悠久的历史。

钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。

钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。

我国是最早用铁制造承重结构的国家，远在秦始皇时代（公元前246-219年），就已经用铁做简单的承重结构，而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。

公元3-6世纪，聪明勤劳的我国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名的四川泸定大渡河铁索桥，云南的元江桥和贵州的盘江桥等都是我国早期铁体承重结构的例子。

 在世界上钢结构的发展也很迅速，1960日本积水（SEKISUIHOUSE）公司推出A型钢结构住宅。

1961建成北京工人体育馆。

中国现代悬索结构的开始。

1962日本大和公司推出A型钢结构住宅。

1965日本松下住宅推出R2N型钢结构住宅。

1970当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成，高410米1973当时最高的芝加哥西尔斯大厦SearsTower完工，110层，高442米。

1974中国颁布TJ17-44（半概率，半经验的设计法）。

钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，得到了迅速发展和普遍应用。

而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，但随之带来的焊接变形与应力问题也日益突出。

金属构件焊接时，焊缝区域局部受热膨胀，而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高，因而对受热区域母材的膨胀起约束作用，因而焊接区受压，而母材受拉；随着电弧前移，已完成焊接的热影响冷却收缩，而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用，因而焊缝区域受拉，而其周围的母材金属受压。

在焊接应力作用下，如果焊件的拘束度较小，则焊件会产生相应的变形，如缩短、弯曲、翘曲等；如果焊件的拘束度很大，此时焊件不能自由变形，但在应力作用下会产生局部的应变，同时产生较大的残余应力。

焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1800℃，局部高温使材料产生不均匀的膨胀。

处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变，在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。

另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。

产生相变应力。

除上述两种原因外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力，上述因素就是焊接残余应力的形成过程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程。

但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。

本课题主要从H型钢结构的焊接变形与应力对钢结构的影响来分析。

第一章钢结构的组成及发展

1.1钢结构主要组成部分

钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。

钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。

钢结构住宅屋面系统是由屋架、结构OSB面板、防水层、轻型屋面瓦（金属或沥青瓦）组成的。

迈特建筑轻钢结构的屋面，外观可以有多种组合。

材料也有多种。

在保障了防水这一技术的前提下，外观有了许多的选择方案。

钢结构为确保达到保温效果，在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。

迈特建筑轻钢结构住宅一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外，在墙外侧再贴一层保温材料，有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维，减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维，减少户墙之间的热传递。

1.2钢结构的发展前景

近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快（构件为预制，与土建基础部分可同时施工）、外形色彩美观、时尚、环保（拆除时较混凝土结构易处理）得到较快发展。

这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢。

作为钢结构主体材料的结构设计，H型钢已被业内专家认为是今后的发展趋势。

据统计2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。

一H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展

H型钢由于截面经济合理、性能优越、加工制作和施工安装工艺简单、方便、快捷，成为建筑钢结构体系中重要的材料组成部分，从而被广泛应用于国民经济建设的各个领域，工业厂房，特别是重工业厂房中的承重框架梁、柱构件，如上海晶元芯片工厂两个月就用了几千吨；化工行业的大量管廊和罐体、塔体设备支架，冶金行业炼钢平台、高炉框架、厂房、轨道等，电厂的煤仓、汽机岛、输送长廊等等。

陆地和海洋石油钻井平台、车辆、仓储式大型超市、桥梁隧道等大型施工。

仅深圳西部电厂基础打桩414*405就用了5000多吨。

地下工程的钢桩及支护结构，SMW坑基施工法就使上海F1赛车场、上海南站地下700*300、488*300用了1万多吨，钱塘江大桥施工辅桥、西湖隧道的坑道支护；厦门、湖南会展中心等等都看到了H型钢的身影。

钢结构建筑形式的多元化、多样化，促进了钢结构形式多种多样。

有普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土结合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨（型钢）混凝土结构等等。

如：

轻钢结构，目前在国际上，特别是在我国，是被重点推荐的一种结构形式。

它具有重量轻、经济性好等特点，目前在各种屋盖结构及单层房屋中得到广泛应用。

在中、小跨度的屋盖中，轻型钢及轻型钢管拱型结构（平面曲线材架）也是较多采用的形式之一。

网壳结构在大跨度空间结构的建造中越来越多，网壳结构在地震作用下的动力性能与设计也得到了普遍关注。

网壳结构形式较多，有空间网格结构、单桩层面网壳结构、单层球面网壳结构、索承网壳结构等。

钢管结构因其形式多样，结构灵活多变，可与其他钢结构相互关连，更是城镇建设中大型建筑常见的结构形式。

目前一些造型优美的体育场馆如“鸟巢”、机场候机楼和会展中心应用钢结构等都采用了这些形式。

不过，螺旋焊管在高层大厦、重工业厂房等重钢结构中新的应用，都使热轧H型钢在钢结构领域应用受到限制。

二钢结构住宅前景广阔

轻钢结构住宅也是近10年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑投资的50%以上。

这些结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。

轻钢住宅的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的一个重要方向，目前已经有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。

钢结构住宅通用体系用于民用住宅，具有独特的优势，与其它住宅通用体系相比，其主要特点是：

1自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。

2布置灵活，开间大，房型丰富，约可提高建筑面积3%～5%。

具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于满足现代人的居住需要，适应现代住宅的市场需求。

3可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。

4施工周期大大缩短。

据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色建筑体系。

钢结构住宅因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的住宅结构产生较大冲击。

但由于受到相关领域如墙体材料、消防验收的制约，特别是在工业化、城市化快递进程中，人们环保意识淡薄，劳动力成本低等因素，导致住宅钢结构在我国短时间内难以形成规模。

一旦住宅钢结构技术上取得突破性进展，逐步取代传统建筑形态进入住宅建设市场，钢结构行业将引来爆发性的增长。

三拖挂车、造船、叉车生产等制造业是H型钢应用的潜在市场

拖挂车主要分集装箱专用车和半挂车，美国和欧洲的集装箱专用车用量很大，周转效率很高。

该运输车的大梁基本上采用W12系列的热轧H型钢，美国市场年销售车身约30万辆，国内生产出口在2～3万辆。

马钢近期W12系列的开发，不仅会逐步替代进口材料，而且有出口有能力。

国内随着经济的快速发展，对运输业的要求也越来越高，大型载货车重型化、箱式化是货车制造业的发展方向。

其大梁由槽钢过度到工字钢，目前已大量使用特殊的焊接H型钢。

但由于竞争激烈，许多厂家利用价格较低的翼缘板和开平板来降低成本，加上尺寸特殊，短期内采用热轧H型钢的难度比较大。

大型船舶的龙骨，叉车门架、城市高架的隔音护栏、施工隧道和矿井的支护、大型机械设备的底座轨道等等都是H型钢的潜在市场。

四利用资源优势大力发展钢结构产业

在重钢结构方面，除宝冶、二十冶等之外，武钢、首钢钢结构也走在前面，承担的大部分都是公司自己开发的项目。

在轻钢结构方面，莱钢等单位发展早、规模大，马钢小H型钢紧随其后。

钢厂内部除了厂房、设备平台之外，很多场合都可以用H型钢，比如用小H型钢制作的围墙，而且使用寿命低，成本低。

型钢生产过程中由于多种因素会产生一些非定尺和可利用材，比如轨道、管廊支架，基础打桩等能用一些通过分检之后的可利用材，在莱钢就看到几乎所有新建的支架、厂房都使用H型钢，在济钢、长钢等也都是大量使用H型钢。

第2章H型钢概述

2.1H型钢优点、适用范围

钢船舶机械牌号钢结构对连接的要求

基本构件通过连接制成整体结构。

例如：

屋架。

在H型钢结构中，连接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题：

1连接设计与结构内力分析时的假定相一致；

2连接设计应选择最不利的荷载工况；

2传力直接、明确，避免应力集中；

4节点的变形协调；

5避免偏心的影响；

6连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力；

7利用厚钢板时，应避免层间撕裂；

8连接的构造简单，便于施工。

2.4H

2.5H型钢生产工艺

根据所采用的坯料、所采用的孔型系统和轧机种类的不同，可以有多种不同的工艺组合，当代H型钢生产工艺共有5种可供选择。

第一种生产工艺是采用传统的钢锭做原料。

首先在初轧机上把钢锭轧成矩形坯或方坯，然后将这些矩形坯或方坯加热后送到开坯机轧制。

开坯机有两种不同的孔型系统，即闭口式孔型与开口式孔型。

在闭口式孔型中，材料变形均匀，但这需要较多的孔型个数和较长的辊身长度，基于这种原因，闭口式孔型广泛应用于生产中等断面的型钢；而开口式孔型则主要应用于生产具有更大腰宽和腿宽的大断面型钢。

若欲采用期口式孔型轧制大号型钢，则需要两架开坯机才能在技术上取得令人满意的效果。

钢坯在开坯机上被轧成似“狗骨头”状的异形坯，然后被送到由1—2架万能可逆粗轧机所组成的万能粗轧机组上轧制。

万能轧机水平轧辊的碾轧和立辊的侧压，使异形坯腰厚进一步减薄，腿部变得更加尖扁。

通常腿厚的压缩量比腰部厚度压缩量大，这可用在轧辊变形区轧件与轧辊接触长度来解释，凼为从动立辊与轧件的接触长度比水平辊与轧件的接触长度要长。

在万能精轧机架，轧件承受水平辊和立辊很小的压缩，以及轧边机对腿端部的矫正。

第二种生产工艺是采用连铸矩形坯。

它与第一种生产工艺的不同之处，在于不需要初轧机，而且第二种工艺生产H型钢可以获得比第一种工艺更高的收得率、更好的成品质量和更好的经济效益。

这种工艺唯一受到的限制是所生产的H型钢腿较宽，因为所用连铸坯的厚度要受连铸机设备条件的限制。

连铸坯在型钢厂的轧制工艺与第一种是相同的。

第三种生产工艺是采用连铸异形坯。

其优势是采用一种或少量几种连铸异形坯就可以生产全部尺寸的H型钢，这要在开坯机上采用宽展法才能达到，其孔型可用闭口式，也可用开口式。

与前两种工艺相比，这种生产工艺的孔型数目更少。

这种工艺的不足是受连铸异形坯腿宽的限制。

开坯后的轧制工艺也与前两种方法相同，需经过万能粗轧机组粗轧和万能精轧机组精轧而成形。

第四种生产工艺是采用连铸板坯。

以连铸板坯为原料生产H型钢比用初轧坯及连铸异形坯更为经济，但这需要在开坯机上设计一个专门孔型。

这个孔型与轧钢轨的孔型类似，它是有一定角度的切楔．用以辗轧板坯形成类似“狗骨头”状的异形断面。

为此板坯要首先在第一孔进行立轧，以形成所需的腿宽，然后在下一个异形孔中（开口孔或闭口孔均可）轧成类似“狗骨头”状的异形坯。

这种生产工艺比前三种变形更均匀，其优点是仅用一台开坯机加万能粗轧机组加万能精轧机组就可以生产大号H型钢。

在开坯机上还有一种改造工艺板坯开坯机，利用其水平辊与立辊成一定角度所形成的侧压可直接轧出“狗骨头”状的异形断面。

后面工序与第一种工艺相同。

第五种生产工艺是采用具有很薄腰厚的连铸异形坯为原料。

这种薄连铸异形坯已接近成品H型钢尺寸，因此它可以直接在万能机组上进行粗轧和精轧，而不再需要开坯机。

在这种情况下。

提高产量的方向是要求连铸机具有更高的铸速，能铸造出更薄的异形断面。

其轧制特点是整个轧制过程变形更加均匀。

第3章H型钢焊接工艺及变形

成品（轧制）H型钢规格有限，大部分的H型钢均需拼装焊接制造，为了保证焊接质量，需制定相关工艺措施。

3.1H型钢焊接工艺设计

3.1.1H型钢结构特点

近年来，轻钢结构建筑在国内因施工进度快（构件为预制，与土建基础部分可同时施工）、外形色彩美观、时尚、环保（拆除时较混凝土结构易处理）等得到较快发展。

这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢制作而成。

焊接H型钢是由3块一定规格尺寸的钢板组焊而成，如图3-1。

两块翼板和腹板通过两个T型接头结合成整体。

这种结构形式虽然简单，但对外观要求较高。

因此，对焊接变形的控制、校正尤其重要。

图3-1焊接H型钢

3.1.2H型钢的制作要点：

1要求全焊透（熔透焊），无损检测应达到GB11345之Ⅰ级标准。

2钢梁连接板处的焊缝也是同样的要求。

3翼缘板与腹板焊接后的角变形Δ≤3mm（国家标准Δ≤3mm）。

3.1.3焊接过程中的难点：

1对于H型钢的熔透焊（钢板厚度δ=25mm）的焊接量非常大。

2在焊接中，容易出现以下几种较难处理的变形（非对称）：

翼缘板与腹板焊接变形，见图3-2；连接板与H型钢焊接变形，见图3-3。

图3-2翼缘板与腹板焊接变形图3-3连接板与H型钢焊接变形

3.1.4产生变形原因

产生变形的原因是焊接应力。

金属焊接是局部加热、熔化的过程。

焊缝加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高状态，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用，焊接区因此受压应力，而母材受拉应力。

随着电弧的前移，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而周围的母材起约束其收缩作用。

在这种作用下产生的是焊接应力，金属冷却后还存在焊接残余应力。

残余应力（横向、纵向及母材厚度方向）根据应力大小及构件的结构形式、约束程度的不同，产生的变形方向也不相同，因而产生变形结果也不相同。

3.2焊接工艺分析

3.2.1熔透焊（Ⅰ级）的难点：

1焊缝集中，钢板较厚（δ=25mm）。

2位置狭小，不便操作。

3构件长，重量大，摆放、翻身较困难。

3.2.2焊接工艺方案

根据上述情况，工艺的制定主要是满足焊透及焊后的变形控制。

由于板厚按常规焊接，这样的规格大多数采用K型坡口形式。

这种坡口形式焊接的优点是：

焊缝对称，焊接填充量少，焊后的变形及整体侧弯较小。

但由于操作位置小，清根很难，内部质量很难保证。

根据这样的情况，技术人员制定了单面40°～45°的坡口，留钝边。

采用CO2气体保护焊填充、背面清根的工艺。

3.2.3焊接工艺方法

在操作过程中为防止变形（T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差），各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。

由于焊缝交叉处40～50mm范围内无法清根（碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理），因此在零件下料时4个角50mm范围内短2mm组对时此处预留出2～3mm组对间隙，选用CO2气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力强可保证焊透；由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。

为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。

所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。

焊接位置尽可能焊平角缝，少焊立缝。

为加快施工进度，背面清根选择在构件侧立时，即一侧焊接另一侧清根同时进行。

依据情况具体确定参数见表3-1。

表3-1CO2气体保护焊参数表

项目

焊丝直径（mm）

焊接电流（A）

电弧电压（V）

CO2气体保护焊

Ф1.2

180～200

25～35

3.2.4焊接变形控制与矫正

前面从理论上表明焊接应力是产生焊接变形的原因，是焊接过程中不可避免的问题。

消除焊接应力对于这种钢结构件从经济的角度是不可取的，解决的办法通常有三种：

一是预变形，对于结构简单、零部件组合较单一的构件易采用；二是使之对称变形，H型钢焊接通常产生的角变形（对称），用H型钢矫直机可解决；三是变形后的矫正。

对于前面提到的两种变形（见图3-2、图3-3）是处理较困难的变形。

这些变形产生的原因，对于图3-2的变形来说与焊接顺序及两侧焊接线能量不均有关。

这种变形一般采用火焰加热方法矫正，对于个别变形量较大还需配千斤顶支撑。

表3-2埋弧焊H型钢焊接参数表

板厚（mm）

焊丝牌号

及规格

焊剂牌号

焊接电流（A）

电弧电压（V）

焊速（m/min）

25

H08MnA，Ф5mm

焊剂431

730～750

36～38

18

3.2.5采取的预防方法和产生的效果

1用两面同时打底焊接，自动焊使用相同的焊接工艺参数。

若使用手工焊可采用对称的焊接顺序，以及翼缘板固定在钢平台上施焊等。

2组对时采用预变形的方法来控制，见图3-4（数字经实践验证效果理想，埋弧焊H型钢焊接参数见表3-2）。

对于图3-3的变形，产生的原因是腹板与连接板要求焊透，焊接时热量过大而产生的，这种变形产生后矫正较为困难。

矫正的方法是采用火焰加热（加热区域见图3-5涂黑处）。

加热的温度应在正火温度以内600～800。

C，钢板的外观呈暗红色。

这种方法实际是将上、下翼缘板“烤短”（即使钢板经加热冷却后收缩），因此，根据实际情况在下料预留焊接收缩余量时考虑进去收缩余量值一般根据经验留取，也可以利用经验公式计算。

这种“烤短”方法虽然可行，但对操作工人的技术、经验要求较高，况且非常费时、费气（氧、乙炔）。

如何控制这种变形，所采取的方法是在保证焊透的前提下，尽可能减小坡口角度。

使用CO2气体保护焊，挑选技术较好的焊工施焊，减少返修（清根）等来控制，此方法钢结构制作过程中取得较好的效果。

图3-4预变形法控制变形图3-5矫正变形加热区域

第4章H型钢的应力与变形分析

焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。

4.1H型钢焊接变形种类及影响因素

由于H型钢点固时的刚性较低又采用了大线能量焊接，H型钢的焊接变形是严重的，而GB50205295《钢结构工程施工及验收规范》中对H型钢的几何尺寸要求十分严格，因此，严格控制焊接变形对于H型钢的焊接非常重要。

H型钢的焊接变形主要是角变形、弯曲变形、扭曲变形等，如图4-1所示。

1角变形

角变形的产生是由于焊接时温度在翼板厚度方向分布不均引起的。

控制方法主要是采用刚性固定措施，但在埋弧自动焊中不适合采用，因此，H型钢的角变形一般是通过焊后的机械矫正来消除的。

2弯曲变形

图4-1焊接变形形式

弯曲变形是由于焊接时温度在腹板上分布不均引起腹板的纵向收缩产生的。

其控制方法是采取控制焊接顺序和焊接线能量等措施。

如采用对称焊接，并保证各条焊缝线能量的一致。

3扭曲变形

扭曲变形是由于工件装配质量不好及焊接顺序和焊接方向不当引起的，其控制方法是采取刚性固定并严格控制焊接顺序和焊接方向。

4.2H型钢焊接应力与变形

金属焊接时在局部加热、熔化过程中，焊缝区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热