实腹钢梁的焊接变形计算

摘要：本文采用英国钢结构细部设计手册中的方法，对某实际工程汽机房屋面实腹钢梁拼合截面中的焊缝变形进行了详细计算。由此得知焊接变形是可以预测的，并可以事先考虑其影响。

关键词：实腹钢梁，焊缝，焊接变形

1.前言

现在越来越多的中国设计公司在按不同的设计标准承接着世界各地钢构件的设计。设计出来的钢构件需要满足世界各国的标准，这就需要设计公司要熟练掌握相应的国外的设计标准，才能在国际化分工中站在有利的位置上。

在钢结构工程领域，设计者、细部设计者和制造商都允许偏差的存在。这是因为即使按照非常高的标准进行制造，也无法保证每一个尺寸的绝对精确。恰恰在这里，一定的允许偏差却是必需的，按照惯例，允许偏差值应在图中标注。在钢结构工程中，考虑到许多构件的尺寸很大以及轧制型钢、焊接型钢产品带来的偏差，要取得很小的偏差所付出的代价非常大。因此从经济角度来考虑其习惯做法是按照在一般工厂环境下可以做得到的合理的标准制作构件并进行节点设计，使其在现场装配时能够吸收小的偏差。

现在许多工厂已经安装了按照长度进行号料和切割构件、钻孔及将板切削成形的数控（NC）设备。数控设备在很大程度上取代了用来进行手工预加工（如号料、切割和钻孔）节点安装的（或其他的）模板。数控设备的使用极大地提高了精度，不需要进行修整和扩孔调整就能取得较好的允许偏差，然而，引起尺寸偏差的主要因素是熔化的焊接金属冷却收缩引起的焊接变形。引起的总变形与焊缝尺寸、焊接过程中输入的热量、焊道的数量、受约束的程度以及材料厚度有关。

2.工程实例简介

汽机房屋面是火力发电厂主厂房的一个重要组成部分。汽机房屋面一般采用T型钢屋架和实腹钢梁两种。某工程采用实腹钢梁形式，由于实腹钢梁的跨度达到30.0m，需要的截面高度达到1.5m，而热轧H型钢在市场上能买到的最大截面为HN700X300X13X24,长度仅为12m，这显然是不能满足本工程的实际需求。因此本工程采用焊接H型钢组合截面，其截面采用BH1500X500X20X30。材料采用Q345B，焊条采用E50型。

3.焊接变形计算表格

图1 介绍了焊接变形的各种形式，以及如何通过采取临时约束进行预先调整或用增加额外的初始长度的办法减小焊接变形的影响。这些措施通常是在工厂里完成的，并在咨询过程中由焊接工程师和细部构造设计者计算出来。当需要进行现场焊接时，在工厂制造图的详图中，构件长度应该预加焊件的收缩余量。

图1 焊接变形

4.计算实例

下面的例子利用图1计算图2所示焊接H型钢的焊接变形的允许偏差。

通过计算求得（1）引起的翼缘板角的总变形。（2）用于抵消腹板与翼缘焊接引起的长度方向总收缩的板附加长度。（3）进行现场拼接的对接焊收缩变形，可以由此确定梁详图中的预加长度。

图2 焊接BH1500X500X20X30

翼缘总角变形

采用埋弧焊，焊角高度12mm，双面角焊缝

上、下翼缘：焊缝厚度a==8.485mm

翼缘厚度tf=30mm

N=3

由图1.（a）得，V=3.4°

所以，引起的翼缘角变形如图3所示。

图3 翼缘的角变形

虽然角变形对结构是无害的，但是会影响构件的细部构造，尤其是在拼接接头和支座处。因此需要在制作过程中考虑采用图1 所示的定位板或预调整措施，来减少焊接变形的影响。

总收缩

利用图1 （b）

收缩d=4.878kCL(Aw/A)

式中对于焊道数N=4，C=5.0kN，L=30.150m

Aw=()x4=288mm2

A=(500x30) x 2+[(1500-60)x20]=58800 mm2

k=0.8~1.2

对于k=0.8

d=4.878x0.8x5.0x30.150x=2.88mm

或者，对于k=1.2 d=4.32mm

因此板的总长度需增加4.0mm。

对接焊缝的收缩变形

利用图1 （c）

下翼缘。见图4的对接焊缝详图。

一道对接焊缝引起的收缩为d=2.0mm

两道对接焊缝引起的收缩为2d=4.0mm

图4 翼缘的焊接

因此，接头两侧的翼缘长度应分别增加1mm，如图所示。正常的施工工艺为首先进行翼缘的焊接。这样腹板的焊接是在受约束的情况下进行的，其详图如图5所示，焊缝根部间隙增加2mm。

图5 腹板的焊接

综上所述由于焊缝引起的收缩而需要增加板的长度为4＋2＋2＝8mm

在这个算例中，只有第（3）项焊接变形需要在完成工厂制造图后立即注明，因为第（1）、（2）项的内容是由制造产生的，应在工厂制造过程中加以考虑，这样的话，交货的构件就可以在现场考虑到焊接收缩变形。

5.结论

通过以上的计算得知焊接变形是可以预测的，并可以事先考虑其影响，但是一些制造商宁愿在梁柱结构中放弃使用焊接，而全部采用螺栓连接。然而，在拼合截面中焊接是必须的，因此应该了解并采取措施消除焊接变形的影响。

参考文献

钢结构设计规范（GB 50017－2003）

建筑钢结构焊接技术规范（JGJ81－2002，J218－2002）

钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）

火力发电厂土建结构设计技术规定（DL 5022-9）

建筑钢结构施工手册（第一版） 中国钢结构协会编著 中国计划出版社出版，2003年7月第三次印刷

钢结构设计手册（原书第六版）英国钢结构协会 别克・戴维森，格拉汉姆・W・欧文斯著 董聪 钟军军 夏开全 李绂 译

钢结构细部设计手册 [英] 阿伦・海沃德 弗兰克・维尔 第二版A・C・奥克希尔 车轶 译 陈继祖 陈方雷 审

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。