探讨幕墙钢结构的焊接应用

摘要: 随着幕墙在我国迅速发展，幕墙钢结构在幕墙工程中普遍应用，其钢横梁和钢立柱采用焊接在实际工程中也广泛应用。因为现行《金属及石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001第5.6.6条和现行《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003第6.3.11条规定“横梁可通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接，”及第6.2.2条规定“钢型材宜采用高耐候钢，碳素钢型材应热浸锌或采取其它有效防腐措施，焊缝应涂防锈涂料”；现阶段各种建筑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。

关键词：幕墙钢结构钢横梁钢立柱焊接应用

中图分类号：TU973+.13 文献标识码：A 文章编号：

使用钢材做幕墙主受力的钢横梁和钢立柱，大大提高强度和挠度，也降低幕墙成本。所以在幕墙工程中趋向选择钢结构。因此焊接很自然成了幕墙工程支撑钢结构的连接方式。虽然有些人持有反对意见，但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。在加工工艺中，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。因此我们要结合理论与实践，不断思考与总结，熟练掌握焊接过程中的技术要点，着力提高焊接质量，使得钢结构在幕墙行业中广泛使用。

1 幕墙钢结构设计的基本依据

依据现行《玻璃幕墙工程技术规范》和《金属及石材幕墙工程技术规范》中条文主要是针对早期铝合金结构不能采用焊接而只能用螺栓连接编制的，也就是说不能完全适用于钢结构，所以在颁布新的规范之前，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。因为幕墙钢结构属于钢结构范畴，所以GB50017中的焊接技术也适用于幕墙钢结构。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。十几年前，铝合金结构是一个现场难以焊接的并很难解决的难题，可如今已经不再是不可解决的。就新出台的《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007对幕墙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，同样幕墙钢结构也可以采用焊接的连接方式了。

2 钢结构焊接质量问题及预防措施

2.1焊接变形。焊接变形包括弯曲变形、角部扭曲变形、构件下挠变形等，焊接变形的原因主要是焊接受热不均，施工人员操作不当，焊接时咬肉过大，焊接放置不平。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。因此设计时尽量使工件各部分刚度和焊缝均匀布置，对称设置焊缝减少交叉和密集焊缝。制定合理的焊接顺序，以减少变形如先焊主要焊缝后焊次要焊缝，先焊对称部位的焊缝后焊非对称焊缝，先焊收缩量大的焊缝后焊收缩量小的焊缝，先焊对接焊缝后焊角焊缝。对尺寸大焊缝多的工件，采用分段、分层、间断施焊，并控制电流、速度、方向一致。手工焊接较长焊缝时，应采用分段进行间断焊接法，由工件的中间向两头退焊，焊接时人员应对称分散布置，避免由于热量集中引起变形。大型加工件如形状不对称，应将小部件组焊矫正完变形后，再进行装配焊接，以减少整体变形。对于焊后易产生角变形的零部件，应在焊前进行预变形处理，如钢板V形坡口对接，在焊接前应将接口适当垫高，这样可使焊后变平。

2.2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。

2.3焊缝开裂。在钢结构安装施工中，时常会发生焊缝开裂。焊缝开裂产生的原因有焊件的含碳量过高或硫、磷成分过高及分布不均匀；焊条质量差或采用于母材强度、性能相差悬殊的焊条焊接，造成强度不够被拉裂；定位点焊数量太少或零件本身存在较大误差，组装不上，采取强制变形不定位、焊接造成应力过大将焊缝拉裂；刚度大的构件焊接范围顺序和方向选用不当；厚度大的焊件未进行预热或在低温下焊接使焊缝冷脆；由于结构本身构造或存在缺口，引起严重应力集中。这也就会导致热影响区域的韧性很大程度地降低，最终引发焊缝开裂。因此采用有效地预防措施严格检查焊件的材质，控制硫磷的含量在允许的范围内；正确选用与母材相适应的焊条、焊剂；合理设置定位点焊接的数量,避免在强制变形下定位焊接，不使焊接应力过大；根据结构情况，正确选定焊接顺序和方向，先焊收缩量大的焊缝；在低温下焊接厚焊件，应将母材进行预热，焊后保温缓冷却；改进设计构造，避免缺口,减少应力集中；

3 钢结构焊接工艺注意事项

3.1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”。

3.2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。

3.3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。

3.4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。

4 幕墙工程中钢横梁和钢立柱焊接工程实例

顺德新城区工商局大楼幕墙，于2003年建成，有4千平方米的石材幕墙，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。如图1。

顺德新城区金融商业大楼幕墙，于2004年建成，其中15m大跨度玻璃幕墙由方管与圆钢管桁架梁柱支承，不仅仅是梁柱本身采用焊接方式。如果采用铝合金型材无法满足如此大跨度的强度要求。如图2。

顺德新城区演艺中心幕墙，于2004年建成，玻璃幕墙板块尺寸长2.4m，宽2.5m。横向跨度8.1m，竖向跨度为25.46m的钢铝组合梁支承。钢横梁通过焊接连接到主体结构上，钢立柱再与焊接于横梁上。这也是幕墙典型于横梁作主受力的结构形式。如图3。

顺德新城区博物馆，于2008年建成，石材幕墙采用半焊接半螺栓连接方式，这也是幕墙采用螺栓向焊接形式发展。如图4。

5 实践证明幕墙完全可以采用焊接钢结构幕墙钢结构采用焊接不仅符合《钢结构设计规范》的规定，而更重要的是，十多年的科学试验和工程经验都表明：幕墙钢结构不许采用焊接是毫无道理的。我国已建的采用焊接钢结构的铝板、石材和玻璃幕墙，从未因采用焊接钢结构而发生过安全事故；顺德、广州、深圳等地的这类工程经历了多次12级到14级强台风的吹袭而完好无损。国内进行过多次幕墙的振动台试验，为了挑战极限，支承结构都采用了柔性的焊接钢结构，试验地震加速度大大超过设防烈度7、8度，达到9度。幕墙试件的位移达到1/70~1/50。在这样的位移下，幕墙试件的焊接钢结构和面板都保持完好。这些振动台试验结果表明：幕墙采用焊接钢结构完全可以满足抗震要求。2008年5月12日发生了汶川大地震，成都地区的幕墙经历了空前的大考验。在7度区的成都、8度区的德阳、9度区的都江堰、绵阳都保持完好。震害调查表明：采用焊接钢结构的铝板、石材幕墙具有优良的抗震性能。 我们可以通过列举大量例子证明幕墙采用焊接钢结构是安全的，焊接方法在幕墙工程当中是有可行性的。实践是检验真理的唯一标准。因此我们要结合理论与实践，不断思考与总结，熟练掌握焊接过程中的技术要点，着力提高焊接质量，使得钢结构在幕墙行业中广泛使用。

参考文献

1.史奕，王静兰．幕墙施工中若干技术问题的处理措施[J].建筑技术. 2005,36(9)

2.沈涛．CCTV新址大楼幕墙钢结构异形件的焊接与拼装.

3.高守稳．钢结构焊接中存在的问题及处理方法[J]. 大科技·科技天地. 2011(5)