【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此H型鋼在各個(gè)方向上都具有抗彎能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單、節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。常用于要求承截能力大，截面穩(wěn)定性好的大型建筑（如廠房、高層建筑等），以及橋梁、船舶、起重運(yùn)輸機(jī)械、石油鉆井平臺(tái)、設(shè)備基礎(chǔ)、支架、基礎(chǔ)樁等。 H型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)連接的要求基本構(gòu)件通過連接制成整體結(jié)構(gòu)。例如：屋架。在H型鋼結(jié)構(gòu)中，連接的設(shè)計(jì)、制作、安裝占有很重要的地位，所以設(shè)計(jì)時(shí)，在選用合理的連接方式時(shí)，應(yīng)考慮以下問題：1 連接設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)的假定相一致；2 連接設(shè)計(jì)應(yīng)選擇最不利的荷載工況；2 傳力直接、明確，避免應(yīng)力集中；4 節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)；5 避免偏心的影響；6 連接的方式應(yīng)避免在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力；7 利用厚鋼板時(shí)，應(yīng)避免層間撕裂；8 連接的構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于施工。第3章H型鋼焊接工藝及變形成品（軋制）H型鋼規(guī)格有限，大部分的H型鋼均需拼裝焊接制造，為了保證焊接質(zhì)量，需制定相關(guān)工藝措施。 H型鋼焊接工藝設(shè)計(jì) H型鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)近年來，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)因施工進(jìn)度快（構(gòu)件為預(yù)制，與土建基礎(chǔ)部分可同時(shí)施工）、外形色彩美觀、時(shí)尚、環(huán)保（拆除時(shí)較混凝土結(jié)構(gòu)易處理）等得到較快發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)形式，大多采用的是焊接H型鋼制作而成。焊接H型鋼是由3塊一定規(guī)格尺寸的鋼板組焊而成，如圖31。兩塊翼板和腹板通過兩個(gè)T型接頭結(jié)合成整體。這種結(jié)構(gòu)形式雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)外觀要求較高。因此，對(duì)焊接變形的控制、校正尤其重要。圖31 焊接H型鋼 H型鋼的制作要點(diǎn)：1 要求全焊透（熔透焊），無損檢測(cè)應(yīng)達(dá)到GB11345之Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。2 鋼梁連接板處的焊縫也是同樣的要求。3 翼緣板與腹板焊接后的角變形Δ≤3mm(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Δ≤3mm)。 焊接過程中的難點(diǎn)：1 對(duì)于H型鋼的熔透焊（鋼板厚度δ=25mm）的焊接量非常大。2 在焊接中，容易出現(xiàn)以下幾種較難處理的變形（非對(duì)稱）：翼緣板與腹板焊接變形，見圖32；連接板與H型鋼焊接變形，見圖33。 圖32 翼緣板與腹板焊接變形 圖33 連接板與H型鋼焊接變形 產(chǎn)生變形原因產(chǎn)生變形的原因是焊接應(yīng)力。金屬焊接是局部加熱、熔化的過程。焊縫加熱區(qū)受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)或加熱溫度不高狀態(tài)，因而對(duì)焊接區(qū)受熱母材的膨脹起約束作用， 焊接區(qū)因此受壓應(yīng)力，而母材受拉應(yīng)力。隨著電弧的前移，已完成的焊縫和熱影響區(qū)冷卻并收縮，而周圍的母材起約束其收縮作用。在這種作用下產(chǎn)生的是焊接應(yīng)力，金屬冷卻后還存在焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力（橫向、縱向及母材厚度方向）根據(jù)應(yīng)力大小及構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、約束程度的不同，產(chǎn)生的變形方向也不相同，因而產(chǎn)生變形結(jié)果也不相同。 焊接工藝分析 熔透焊（Ⅰ級(jí)）的難點(diǎn)：1 焊縫集中，鋼板較厚（δ=25mm）。2 位置狹小，不便操作。3 構(gòu)件長(zhǎng)，重量大，擺放、翻身較困難。 焊接工藝方案根據(jù)上述情況，工藝的制定主要是滿足焊透及焊后的變形控制。由于板厚按常規(guī)焊接，這樣的規(guī)格大多數(shù)采用K型坡口形式。這種坡口形式焊接的優(yōu)點(diǎn)是：焊縫對(duì)稱，焊接填充量少，焊后的變形及整體側(cè)彎較小。但由于操作位置小，清根很難，內(nèi)部質(zhì)量很難保證。根據(jù)這樣的情況，技術(shù)人員制定了單面40176?！?5176。的坡口，留鈍邊。采用CO2氣體保護(hù)焊填充、背面清根的工藝。 焊接工藝方法在操作過程中為防止變形（T型焊縫的角變形及整體構(gòu)件側(cè)彎超差），各零件的尺寸要精確，在組對(duì)時(shí)要做到“頂緊”。由于焊縫交叉處40～50mm范圍內(nèi)無法清根（碳弧氣刨、磨光機(jī)都因位置限制無法處理），因此在零件下料時(shí)4個(gè)角50mm范圍內(nèi)短2mm組對(duì)時(shí)此處預(yù)留出2～3mm組對(duì)間隙， 選用CO2氣體保護(hù)焊，直接扎到根部，穿透能力強(qiáng)可保證焊透；由于是氣體保護(hù)，不易出現(xiàn)夾渣，同時(shí)受熱面積小，焊后的變形量也較小。為防止整體側(cè)彎和保證焊縫外形的美觀，構(gòu)件要在專用平臺(tái)上焊接。所有的焊縫填充時(shí)不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置盡可能焊平角縫，少焊立縫。為加快施工進(jìn)度，背面清根選擇在構(gòu)件側(cè)立時(shí)，即一側(cè)焊接另一側(cè)清根同時(shí)進(jìn)行。依據(jù)情況具體確定參數(shù)見表31。表31 CO2氣體保護(hù)焊參數(shù)表項(xiàng)目焊絲直徑（mm）焊接電流（A） 電弧電壓（V）CO2氣體保護(hù)焊180～20025～35 焊接變形控制與矯正前面從理論上表明焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接變形的原因，是焊接過程中不可避免的問題。消除焊接應(yīng)力對(duì)于這種鋼結(jié)構(gòu)件從經(jīng)濟(jì)的角度是不可取的，解決的辦法通常有三種：一是預(yù)變形，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件組合較單一的構(gòu)件易采用；二是使之對(duì)稱變形，H型鋼焊接通常產(chǎn)生的角變形（對(duì)稱），用H型鋼矯直機(jī)可解決；三是變形后的矯正。對(duì)于前面提到的兩種變形（見圖3圖33）是處理較困難的變形。這些變形產(chǎn)生的原因，對(duì)于圖32的變形來說與焊接順序及兩側(cè)焊接線能量不均有關(guān)。這種變形一般采用火焰加熱方法矯正，對(duì)于個(gè)別變形量較大還需配千斤頂支撐。 表32 埋弧焊H型鋼焊接參數(shù)表板厚（mm）焊絲牌號(hào)及規(guī)格焊劑牌號(hào)焊接電流（A）電弧電壓（V）焊速（m/min）25 H08MnA，Ф5mm焊劑431730～75036～3818 采取的預(yù)防方法和產(chǎn)生的效果1 用兩面同時(shí)打底焊接，自動(dòng)焊使用相同的焊接工藝參數(shù)。若使用手工焊可采用對(duì)稱的焊接順序，以及翼緣板固定在鋼平臺(tái)上施焊等。2 組對(duì)時(shí)采用預(yù)變形的方法來控制，見圖34（數(shù)字經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證效果理想，埋弧焊H型鋼焊接參數(shù)見表32）。對(duì)于圖33的變形，產(chǎn)生的原因是腹板與連接板要求焊透，焊接時(shí)熱量過大而產(chǎn)生的，這種變形產(chǎn)生后矯正較為困難。矯正的方法是采用火焰加熱（加熱區(qū)域見圖35涂黑處）。加熱的溫度應(yīng)在正火溫度以內(nèi)600～800。C，鋼板的外觀呈暗紅色。這種方法實(shí)際是將上、下翼緣板“烤短”（即使鋼板經(jīng)加熱冷卻后收縮），因此，根據(jù)實(shí)際情況在下料預(yù)留焊接收縮余量時(shí)考慮進(jìn)去收縮余量值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留取，也可以利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。這種“烤短”方法雖然可行，但對(duì)操作工人的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)要求較高，況且非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)氣（氧、乙炔）。如何控制這種變形，所采取的方法是在保證焊透的前提下，盡可能減小坡口角度。使用CO2氣體保護(hù)焊，挑選技術(shù)較好的焊工施焊，減少返修（清根）等來控制，此方法 鋼結(jié)構(gòu)制作過程中取得較好的效果。 圖34 預(yù)變形法控制變形 圖35 矯正變形加熱區(qū)域第4章 H型鋼的應(yīng)力與變形分析焊接時(shí)，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。 H型鋼焊接變形種類及影響因素由于H型鋼點(diǎn)固時(shí)的剛性較低又采用了大線能量焊接，H型鋼的焊接變形是嚴(yán)重的，而GB 50205295《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)H型鋼的幾何尺寸要求十分嚴(yán)格， 因此，嚴(yán)格控制焊接變形對(duì)于H型鋼的焊接非常重要。H型鋼的焊接變形主要是角變形、彎曲變形、扭曲變形等，如圖41 所示。1 角變形角變形的產(chǎn)生是由于焊接時(shí)溫度在翼板厚度方向分布不均引起的?？刂品椒ㄖ饕遣捎脛傂怨潭ù胧?，但在埋弧自動(dòng)焊中不適合采用，因此，H型鋼的角變形一般是通過焊后的機(jī)械矯正來消除的。2 彎曲變形圖41 焊接變形形式彎曲變形是由于焊接時(shí)溫度在腹板上分布不均引起腹板的縱向收縮產(chǎn)生的。其控制方法是采取控制焊接順序和焊接線能量等措施。如采用對(duì)稱焊接，并保證各條焊縫線能量的一致。3 扭曲變形扭曲變形是由于工件裝配質(zhì)量不好及焊接順序和焊接方向不當(dāng)引起的，其控制方法是采取剛性固定并嚴(yán)格控制焊接順序和焊接方向。 H型鋼焊接應(yīng)力與變形金屬焊接時(shí)在局部加熱、熔化過程中，焊縫區(qū)受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)或加熱溫度不高，因而對(duì)焊縫區(qū)的膨脹起約束作用。焊縫區(qū)產(chǎn)生塑性壓縮變形，冷卻后經(jīng)過塑性壓縮的焊縫區(qū)由于金屬體積變小而產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而在該拉應(yīng)力的作用下使相鄰焊縫兩側(cè)的母材金屬產(chǎn)生了壓應(yīng)力，這兩種力就是我們常說的焊接應(yīng)力。按焊縫殘余應(yīng)力的分布方向我們可以把它分成三種：沿焊縫長(zhǎng)度分布的縱向殘余應(yīng)力σx，橫向分布的應(yīng)力σy，厚度方向分布的σz。 縱向殘余應(yīng)力該應(yīng)力是由于焊縫的縱向收縮引起的，在焊縫區(qū)產(chǎn)生的是拉應(yīng)力，母材區(qū)產(chǎn)生的為壓應(yīng)力，該數(shù)值的大小取決于鋼材的塑性，鋼號(hào)越高其數(shù)值越大。另外在焊縫的引弧區(qū)和收弧區(qū)段數(shù)值較小，中間區(qū)段數(shù)值較大，其分布情況見圖42。圖42 縱向殘余應(yīng)力σx分布示意圖由圖42 可以看出，縱向殘余應(yīng)力在焊縫兩端由小到大變化，是過渡區(qū)，中間部分?jǐn)?shù)值較為穩(wěn)定。在該應(yīng)力的作用下H型鋼會(huì)產(chǎn)生縱向收縮變形，計(jì)算公式如下: （41）式中的A為焊縫截面積（mm2）；A 為桿件截面積（mm2）；L 為桿件長(zhǎng)度（mm）；L為縱向收縮量（mm）；K1為焊接方法、材料熱膨脹系數(shù)和多層焊層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于不同焊接方法，系數(shù) K1的數(shù)值不同，當(dāng)用CO2焊時(shí)，K1=；當(dāng)用埋弧焊時(shí)，K1=～；當(dāng)用手工電弧焊時(shí)，K1=～。對(duì)焊接 H型鋼來講，由于四道主焊縫均偏離中性軸，因此任何一道焊縫的收縮都會(huì)產(chǎn)生撓度，由縱向收縮引起的撓度值 f(cm)的計(jì)算公式如下： （42） 式中的e為焊縫到構(gòu)件中性軸的距離(cm )；L 為桿件長(zhǎng)度(cm)；Aw為焊縫截面積(cm