幕墙工程钢横梁和钢立柱焊接问题

摘要:早在十几年前，就已经有了采用焊接的幕墙钢结构。现阶段大批高层建筑和大型公共建筑的幕墙都采用焊接钢结构，因此实践表明采用焊接的幕墙钢结构是没有问题的。新修订的幕墙规范已经对幕墙钢结构焊接问题作出相应的规定。
关键词：幕墙工程；横钢梁和钢立柱；焊接问题
2000年以来，幕墙骨架基本上都用钢结构，因此焊接很自然成了许多工程支撑钢结构的连接方式。虽然有人反对，毕竟实践是检验真理的标准，幕墙钢结构采用焊接是不能被阻挡的。在加工程序中，钢结构焊接是非常普遍的，就像焊接在机械加工行业有着非常广泛的用途和很重要的意义一样，因此只有正确掌握焊接方法，才能保证加工质量。因此工作中，我们要结合理论与实践，不断思考与总结，熟练掌握焊接操作过程中的技术要点，着力提高焊接质量。

一、幕墙钢结构设计的基本依据

JGJ102、JGJ133规范是对铝合金结构的规范编制的，也就是说不能完全适用于钢结构，所以在颁布新修订版本的规范之前，幕墙钢结构设计的基本规范和依据就应该遵循现行的国家标准《钢结构设计规范》GB50017—2003。《钢结构设计规范》GB50017适用于主体钢结构和围护钢结构。幕墙钢结构属于钢结构，所以《钢结构设计规范》适用范围包括幕墙钢结构。GB50017规范对用途广泛的钢结构焊接作出了明确而详细的规定，作为钢结构的一部分，幕墙钢结构当然同样可以采用焊接的方式。这就是时代在发展，技术在进步的结果和产物。十多年前，铝合金结构有一个很难解决的难题，那就是现场难以焊接，可是现在已经不再是不可解决的。新出台的《铝合金结构设计规范》GB50429对铝合金结构的焊接作出了明确且详细的规范。当前铝合金型材不一定非要采用螺栓连接不可，同样可以采用焊接的连接方式了。

二、钢结构焊接质量问题

(1)焊接变形。焊接变形包括弯曲变形、纵横向收缩、角变形的扭曲变形等，焊接变形的原因主要是焊接受热不均，它不只降低装配质量、改变了钢结构几何尺寸、外观形状，甚至有可能会降低钢结构的承载能力，使构件在质量上达不到设计和使用的各方面要求。而且如果要矫正这些变形，那就要要花费大量工作量和工时。例如矫正稍微复杂的变形，矫正所花费的工作量会远远超过焊接的工作量，要是很严重很复杂的残余变形，就算是经过矫正后也无法达到规范规定的使用要求，要么根本无法矫正，只能作报废处理。
(2)残余应力与残余变形。在钢结构焊接的过程中，由于对焊接变形的校正和焊接时温度的不均匀变化，均能使钢结构构件产生残余应力并受到影响；框架对构件的约束作用和焊接温度的不均匀变化，亦使其产生残余变形和残余应力。对多跨钢框架而言，梁柱节点的焊接残余变形和残余应力，将会在梁的轴线方向上产生积累效应，也就是说前一根梁因为焊接产生的残余变形，将会使后一根梁预留的焊缝坡口宽度必须按需要增加，所以为填补破口，就必须把焊缝的宽度增加，也就是说产生越往后越会产生更大的焊接残余变形和残余应力，像这样反复往后逐跨积累，最终将会使框架产生非常大的残余变形和残余应力。这种焊接残余应力，尽管不至于影响到结构的塑性极限强度，但却大大滴降低构件的刚度，也就会影响构件弹性极限承载力；而且这种残余变形的存在，也会增加框架的二阶效应。
(3)突发性断裂。在钢结构安装施工中，时常会发生突发性断裂。这种突发性断裂的特点是，突然发生，且它的断口呈现为切割面状，很整齐，突发性断裂具极大的危险性和破坏性，而且往往在施工过程中，施工人员或许根本来得及反应事故就发生了。这种突发性断裂一般是焊接速度降低或者焊接电流增大所导致的，这两个因素会增大焊接线能量，从而直接导致热影响区的晶粒变得粗大，即生成粗大的珠光体和铁素体，这也就会导致热影响区域的韧性很大程度地降低，最终引发突发性断裂。
(4)其他焊接质量缺陷。如焊缝咬边、焊瘤、夹渣、气孔、未焊透等质量问题。

三、钢结构焊接工艺注意事项

1、焊接材料与母材的匹配

尽管选择什么焊接材料是设计人员的职责，但因为各种因素，一些设计人员一直没有注意焊接材料的选择问题，从而有可能引起现场焊接出现问题。因为基本上焊接材料的强度按要求需要高于母材，而且连接处焊接材料的强度不能远差予母材强度。也就是焊接材料与母材匹配的基本原则是“铸铜件与钢材焊接时，焊接材料按钢材选型；不同强度等级母材选型”。

2、焊接对作业环境的要求

钢材焊接，需要合适的焊接环境，而且对环境的要求非常高，不良环境中施工焊接，极有可能出现焊接质量问题。所以就出现了钢结构焊接中的三不焊，也就是低温不焊、四级以上大风天不焊、雨天不焊。因为这类天气会使焊接后的焊缝材料迅速降温，很容易造成焊接处较大残余应力或变形的产生，严重的会产生裂纹。

3、重视焊接工艺评定

因为钢结构工程中的焊接接头和焊接节点，所以就不可能对现场实物进行取样检验，而且探伤也只能确定焊缝的几何缺陷，也就是说无法确定接头的理化性能，因此为了在焊接过程中保证焊接质量，在构件制作和结构安装前，必须由焊接施工单位对焊接首次采用的焊接钢材、焊接方法、焊接材料、焊后热处理等进行焊接工艺评定，并且一定根据这个焊接工艺评定结果制定出相应的焊接施工工艺规范。

4、重视焊前及焊接过程的控制和焊后处理

焊接过程就是一个不均匀的加热，然后冷却的过程。施焊的时候焊件产生了温度场，虽然不均匀，但是焊缝及其附近温度特别高，可以达到16000摄氏度以上，邻近温度场区域温度则急剧下降。由于这种不均匀的温度场，使产生的膨胀也不均匀，温度高的地方钢材产生的膨胀非常大，因为两侧温度较低，而且两侧钢材膨胀较小，这就会使热状态塑性产生压缩，这样焊缝在冷却之后又会产生残余应力或变形。另一个注意的地方就是实际焊接接头中的一部分焊件不能自由伸缩，也就是说施焊的时候膨胀就会受到阻碍，冷却后的焊缝就会产生约束应力，焊接残余应力和变形会使结构刚度降低，这会影响压杆稳定，低温下，使裂缝发展，加快破坏构件脆性，而且破坏疲劳强度。
为了尽可能减少焊接残余应力和变形的产生，在很大程度上，焊接前可以用预设反变形，预热等各种措施来当作预防措施；而且在焊接施工过程中又可以焊接顺序进行合理安排，比如在钢板对接时可以采用分段退焊的方法。厚的焊缝可以采用分层焊的方法，工字形截面就按对角跳焊的方法等等；为了消除应力、矫正变形焊接好之后我们可以采用消氢处理或焊后热处理等方式。

四、幕墙工程钢横梁和钢立柱焊接工程实例

青岛大剧院，于2009年建成，有4万平方米的石材幕墙，其复杂多变的外形，繁多的装饰线脚和造型，钢骨架全部采用焊接。
广州新白云机场，于2008年建成，整个候机楼的点支玻璃幕墙由方钢管梁柱支承，不仅仅是梁柱本身采用焊接，幕墙的整个骨架直接焊在主结构上。
北京首都机场航站楼，2007年建成，玻璃幕墙板块尺寸长36m宽I8m．跨度为108m的钢铝组合粱支承。钢梁通过焊接牛腿连接到幕墙的竖向钢桁架。同样的还有宁夏银川机场候机楼的玻璃

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幕墙由方钢管横梁和立柱组成的焊接结构支承。
不仅大型公共建筑，还有许多高层建筑的幕墙也同样采用了焊接钢结构。天津地铁大厦洞石幕墙高达175m，采用了焊接钢骨架。中国建筑科学研究院办公楼的观光电梯高90m，方钢管通到顶，不分段；梁柱全部采用焊接；主体结构也采用焊接，而且整个结构都没有一个螺栓。
上海世的世博轴，有6个玻璃的阳光谷，高度415m、直径90m～97m的大喇叭花，玻璃幕墙和采光顶总面积加起来达31500平方米。采用的是全焊接方钢管单层网壳结构。

六、结束语

幕墙钢结构焊接的整个施工过程，从材料的选择、下料、切割、焊接、整形一直到结构的组装，各个环节都非常重要，并且前后联系都非常密切，技术难度较大，从设计到工艺检测的要求较高，因此，做好全工程的过程质量管理及控制，是工程成败的关键。
参考文献
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