钢结构焊接设计中的若干关键问题
□隋炳强
钢结构焊接设计规范对如何分清主次结构并保证主结构的焊缝强度、焊缝质量等级、焊缝相交搭接问题、钢材Z向性能要求及防止层状撕裂、加劲板的焊缝形式及桁架节点的焊缝布置等诸多问题是一个必需进行深入研究的课题。
特别是焊接设计中应遵循的基本原则和规范要求，在具体操作中要注意：主结构构件间的连接应符合抗震设计的要求，而次结构连接可不需符合抗震要求。凡要求与母材等强的焊接连接及框架节点塑性区段的焊接连接应采用全熔透焊缝。焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况分别选用不同的质量等级。在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝密集和双向、三向立体交叉并在一处集中大量焊缝。
在节点设计中，钢板厚度方向性能等级应根据节点形式、板厚、熔深或焊高、焊接时节点拘束度等情况综合确定，节点的构造应避免采用约束度大和易产生层状撕裂的连接形式。
在抗震设防的结构中，为避免在地震作用下框架往复变形时破坏，水平加劲肋与柱翼缘焊接时，宜采用坡口全熔透焊缝；钢管桁架节点处多个支管搭接时，对不需进行疲劳验算的节点以及抗震设防烈度不大于7度地区的节点，允许被搭接管的隐藏部位不作焊接。
焊接是现代钢结构采用最主要的连接方法，其优点是：任何形状的结构都可用；不削弱构件截面，工艺简单，连接省工；连接的密闭性好、刚度大；易于采用自动化作业，提高焊接结构的质量等。但是，焊缝设计和施工中也存在着许多问题，如：如何分清主次结构并保证主结构的焊缝强度；如何选用不同的焊缝质量等级，如何避免焊缝相交搭接问题；钢材Z向性能要求及如何防止层状撕裂；加劲板应采用何种形式的焊缝；桁架节点的焊缝形式等诸多问题，焊缝的质量直接影响整个结构的强度和刚度。因此，在焊接结构的设计和施工中要严格遵循相关规范要求，发现问题及时解决。
主次结构和全熔透焊缝问题
主结构如框架梁、柱、支撑等是保证结构在各种荷载和地震作用下的承载能力并保持稳定的系统，对结构的变形性能和耗能能力起主要保证作用，构件间的连接应符合抗震设计的要求。而次结构如楼盖次梁、屋盖和外墙等围护结构不承受地震作用，其连接可不需符合抗震要求。
在主结构中，框架梁柱节点、支撑与框架的连接节点、柱脚节点是最重要的连接部位，也是焊接时最需考虑的最重要部位。关键性焊缝包括：梁翼缘与柱的连接焊缝；剪切板与柱的连接焊缝；梁腹板与柱的连接焊缝；柱的拼接焊缝；偏心支撑中消能梁段与柱的连接焊缝；消能梁段中腹板与翼缘板的连接焊缝等。
凡要求与母材等强的焊接连接及框架节点塑性区段的焊接连接应采用全熔透焊缝。下面给出节点区需要采用全熔透焊缝的情况。
梁梁连接——梁在工地对接时，翼缘可采用全熔透焊缝连接，腹板用摩擦型高强度螺栓连接或翼缘和腹板均采用全熔透焊缝连接。
梁柱节点——当框架梁与柱翼缘刚性连接时，梁翼缘与柱应采用全熔透焊缝连接，梁腹板与柱宜采用摩擦型高强度螺栓连接。
抗震设计时，工字形柱(绕强轴)和箱形柱与梁刚接时，应符合下列要求：梁翼缘与柱翼缘间应采用全焊坡口焊缝；腹板连接板与柱的焊接，当板厚不小于16毫米时应采用双面角焊缝，焊缝有效厚度应满足等强度要求，且不小于5毫米；板厚大于16毫米时采用K形坡口对接焊缝。节点区梁柱端部一定长度范围，在大震时将进入塑性。为了保证节点区的整体性，减小构件间连接的破坏，对节点区采用全熔透焊缝是必要的。
日本对梁的塑性区的范围取跨度的1/10或截面高度的2倍；对柱取500～600毫米。我国规定，梁与柱刚性连接且考虑抗震时，普通多层钢结构在梁翼缘上下各500毫米的范围内，高层钢结构在框架梁的上、下600毫米范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用坡口全焊透焊缝。这主要考虑到罕遇地震作用下，框架节点将进入塑性区，为保证结构整体性而采取的技术措施，当柱截面较小时，也有采用500毫米的。
柱柱连接——框架柱上下柱的对接接头可采用全焊或栓焊连接。当采用全焊连接时，应采用全熔透焊缝。采用栓焊连接时，翼缘接头宜采用坡口全熔透焊缝，腹板可采用高强度螺栓连接。抗震框架柱拼接为保证100%传力，一般要求采用全熔透焊缝，不宜采用螺栓连接，因为螺栓连接难以达到此要求。
柱拼接接头上下各100毫米范围内，工字形柱翼缘与腹板间及箱型柱角部壁板间的焊缝，应采用全熔透焊缝。高层钢结构的箱形柱宜为焊接柱，其角部的组装焊缝应为部分熔透焊缝。十字形柱采用由钢板或两个H型钢焊接而成时，组装的焊缝均应采用部分熔透的K形坡口焊缝。
支撑连接——在抗震设防的高层钢结构中，支撑是轴向受力构件，大震时将全部进入塑性。支撑在构造上两端应刚接。当采用焊接组合截面时，其翼缘和腹板连接焊缝沿全长都应采用坡口全熔透焊缝连接。支撑与梁柱相交处，支撑翼缘端部的焊缝不需要用全熔透焊缝，这是因为支撑内力主要是沿轴线方向传递的。支撑的拼接和与框架构件的连接，宜采用高强度螺栓连接，避免焊接残余应力和焊缝收缩应力的影响。消能梁段翼缘与柱翼缘之间应采用坡口全熔透对接焊缝连接，消能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接；消能梁段与柱腹板连接时，消能梁段翼缘与横向加劲板间应采用坡口全熔透焊缝，其腹板与柱连接板间应采用角焊缝。
焊缝等级问题
焊缝设计应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态分别选用不同的焊缝质量等级。
全熔透焊缝——对承受动荷载且需要进行疲劳验算的横向对接焊缝，当作用力垂直于焊缝长度方向，受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度方向时应为二级。对不需要疲劳计算的对接焊缝，当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。
其它焊缝——对直接承受动荷载且需要验算疲劳的构件以及梁柱、牛腿等重要节点，焊缝的质量等级应为二级；对其他结构可为三级。
焊缝重叠问题
在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝密集和双向、三向立体交叉并在一处集中大量焊缝，这主要是因为上述做法使焊缝不能自由收缩，导致双向、三向焊接应力产生，这种焊接残余应力一般能达到钢材的屈服强度值，这对焊接延迟裂纹以及板材层状撕裂的产生是极重要的影响因素之一。
施焊后节点区在焊接收缩应力作用下，由于晶格畸变产生的微观应变，将使材料塑性下降，相应强度及硬度增高，使结构在工作荷载作用下产生脆性断裂的可能性增大。因此，要求节点设计时尽可能避免焊缝密集、交叉并使焊缝布置避开高应力区是非常必要的。
钢板的拼接当采用对接焊缝时，纵横两方向的对接焊缝，可采用十字形交叉或T形交叉；当为T形交叉时，交叉点的间距不得小于200毫米。焊缝的布置应对称于构件重心，对于截面对称的构件，为减少构件整体变形，焊缝布置宜对称于构件截面中性轴。此外，为了结构安全而对焊缝几何尺寸要求宁大勿小这种做法是不正确的，不论设计、施工或监理各方都要走出这一概念上的误区。总之，钢结构焊接节点的设计原则，主要应考虑得到致密的优质焊缝，尽量减少构件变形、降低焊接收缩应力的数值及其分布不均匀性，尤其是要避免局部应力集中。
钢材Z向性能要求及防止层状撕裂措施
钢材Z向性能要求——焊接性最重要的是掌握硫的含量。我国有关标准都规定了厚板要用Z向钢，它有三个等级，其指标表示板厚方向拉伸时的断而收缩率，是和硫含量对应的。钢板厚度方向性能等级或含硫量限制应根据节点形式、板厚、熔深或焊高、焊接时节点拘束度，以及预热后热情况综合确定。对T形、十字形、角接接头，当其翼缘厚度≥40毫米时，宜采用对硫含量限制的钢板，或既对含硫量限制又对厚度方向性能有要求的抗层状撕裂钢板。当连接焊缝熔透高度等于大于25毫米或连接角焊缝高度大于35毫米时，其Z向性能等级不应低于Z15；当连接焊缝熔透高度等于大于40毫米或连接角焊缝高度大于60毫米时，Z向性能等级宜为Z25。
防止层状撕裂措施——在节点设计中，节点的构造应避免采用约束度大和易产生层状撕裂的连接形式。在T形、十字形及角接接头设计中，当翼缘板厚度大于等于20毫米时，应避免或减少使母材板厚方向承受较大的焊接收缩应力，并宜采取下列措施：采用较小的焊接坡口角度及间隙；角接接头宜采用对称坡口或偏向于侧板的坡口；宜采用双面坡口对称焊接代替单面坡口非对称焊接；在T形或角接接头中，板厚方向承受焊接拉应力的板材端头宜伸出接头焊缝区；T形、十字形接头宜采用铸钢或锻钢过渡段，并宜以对接接头取代T形、十字形接头；宜改变厚板接头受力方向，以降低厚度方向的应力；承受静载荷的节点，在满足接头强度计算要求的条件下，宜用部分焊透的对接与角接组合焊缝代替全焊透坡口焊缝。
工字形钢梁与箱形(圆管、方管)柱刚性连接采用隔板贯通式节点时，隔板应采取措施避免层状撕裂，厚度宜比梁翼缘厚度大一级，并不应小于柱最薄壁板的厚度。非加劲的钢管间直接焊接节点及钢管与非钢管构件直接焊接节点，与受拉构件焊接连接的钢管，当管壁厚度大于25毫米且沿厚度方向受较大拉应力作用时，应采取措施防止层状撕裂。
加劲肋(板)焊缝形式问题——柱在梁翼缘对应位置设置加劲肋或隔板，加劲肋或隔板是梁翼缘截面的延伸，是为了保证梁翼缘集中力传递的连续性，大震时还可能经受交变荷载的作用。
在抗震设防的结构中，为避免在地震作用下框架往复变形时破坏，工字形柱水平加劲肋与柱翼缘焊接时，宜采用坡口全熔透焊缝，与柱腹板连接时可采用角焊缝。
当框架梁端垂直于工字形柱腹板与柱刚接时，应在梁翼缘的对应位置设置柱的横向加劲肋，梁翼缘与柱横向加劲肋用全熔透焊缝连接，水平加劲肋与柱腹板的焊接也应采用坡口全熔透焊缝。
箱形柱在与梁翼缘对应位置设置的水平加劲肋，当框架受水平地震反复作用时，要承受角变形，故应采用全熔透对接焊缝与壁板相连。对无法进行手工焊接的焊缝，应采用熔化嘴电渣焊，并应对称布置，同时施焊，以防止构件变形。但电渣焊热输入量大，对钢材性能不利，16毫米以下壁板不宜采用电渣焊。关于无梁一侧，内隔板是否可以与柱不焊，在国外设计结构中看到过这种情况，但这不是正常情况，我国规范中未列入。
框架结构中箱形(圆管、方管)柱与工字形梁的刚性连接节点，当需设置柱身加劲横膈时，可采用内隔板式、外环式和隔板贯通式，其焊缝形式分别要求如下：内隔板式节点：抗震设防结构的内隔板与柱的连接应采用全熔透焊缝。外环加劲板式节点：抗震设防结构的外环板与柱宜采用全熔透焊缝；非抗震设防结构的外环板与柱的连接可采用与环板截面等强的双面角焊缝；外环板与梁翼缘板的连接应采用全熔透焊缝。隔板贯通式节点：隔板与上下柱段的连接及与梁翼缘板的连接应采用全熔透焊缝。
耗能梁段加劲肋应在三边与梁用角焊缝连接。钢管相贯节点采用内加劲时，桁架主管为圆管的管内设置的内加劲板宜采用部分熔透焊缝，在主管为方管的管内设置的加劲板，加劲板靠支管一边与两侧边宜采用部分熔透焊接，与支管连接反向一边可以不焊。当采用外加劲时，如果采用主管表面贴加强板的方法加劲时加强板与主管应采用四周围焊。对K、N形节点焊缝有效高度应不小于腹杆壁厚。焊接前宜在加强板上先钻一个排气小孔，焊后应用塞焊将孔封闭。
桁架节点焊缝问题
隐蔽焊缝问题——钢管桁架节点处多个支管搭接时，对不需进行疲劳验算的节点以及抗震设防烈度不大于7度地区的节点，允许被搭接管的隐藏部位不作焊接。被搭接管隐藏部位必须焊接时，允许在搭接管上设焊接手孔，在隐藏部位施焊结束后封闭，或将搭接管在节点近旁处断开，隐藏部位施焊后再接上其余管段。
焊缝形式问题——支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡，可用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采用角焊缝。支管管壁与主管管壁之间的夹角大于或等于120°的区域宜用对接焊缝或带剖口的角焊缝。角焊缝的焊脚尺寸不宜大于支管壁厚的2倍。钢管对接焊缝或沿截面围焊焊缝，壁厚不大于6毫米时，可用I形坡口全焊透焊缝。在壁厚大于6毫米时，可用V形坡口全焊透焊缝。缝和节点焊缝，宜避免焊缝交叉焊接，焊缝的间距宜符合下列要求：钢管的环向焊缝之间的间距不小于管径且不小于500毫米。环向焊缝距相贯线焊缝冠点之间的距离不小于80毫米；纵向焊缝距相贯线焊缝之间的距离不小50毫米；两纵向焊缝之间的距离不小于5倍钢管壁厚且不小于80毫米，主管的拼接焊缝宜设置在距支管相贯焊缝最外侧冠点200毫米以外处。
通过对钢结构焊接相关设计规范的研究，提出如下焊接设计建议：主结构如框架梁、柱、支撑等，构件间的连接应符合抗震设计的要求。而次结构如楼盖次梁、屋盖和外墙等围护结构不承受地震作用，其连接可不需符合抗震要求。凡要求与母材等强的焊接连接及框架节点塑性区段的焊接连接应采用全熔透焊缝。焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况分别选用不同的质量等级。
在设计中不得任意加大焊缝，避免焊缝密集和双向、三向立体交叉并在一处集中大量焊缝。在节点设计中，钢板厚度方向性能等级应根据节点形式、板厚、熔深或焊高、焊接时节点拘束度等情况综合确定。节点的构造应避免采用约束度大和易产生层状撕裂的连接形式。在抗震设防的结构中，为避免在地震作用下框架往复变形时破坏，水平加劲肋与柱翼缘焊接时，宜采用坡口全熔透焊缝。钢管节点的支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡，可用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采用角焊缝。
摘自《山东建设监理》
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