建筑钢结构设计对焊接的基本要求

　　【摘 要】近年来，随着经济的发展和城市化进程的加快，建筑行业发展势头迅猛，钢结构行业也随之进入高速发展时期。在建筑钢结构中，焊接技术直接关系着建筑钢结构工程的质量，由于建筑钢结构本身具有功能多样性、形式多变性特征，使其在设计中对焊接提出了更高要求。文章将对建筑钢结构设计对焊接的基本要求进行深入分析和探究，以期为相关设计人员提供参考。

　　【关键词】建筑钢结构设计;焊接;节点设计;焊接余应力;疲劳强度

　　当今，随着建筑技术的发展，钢结构越来越广泛的被应用于建筑工程中，钢结构与传统的建筑工程通用体系相比具有自重轻、工业化程度高、强度高、布置灵活简便的特点，对加快施工进度、提高工程质量具有重要作用。但是由于各种因素的影响，钢结构因为失稳引起的事故也时有发生，所以，在建筑钢结构设计中，必须加强对钢结构稳定性和抗震性设计的重视，而焊接作为钢结构稳定性的重要支撑，被提出了更高的要求。

　　1.建筑钢结构的稳定性和节点设计

　　建筑钢结构强度或稳定性不足会引起结构失稳，严重的话甚至会导致安全事故的发生。建筑钢结构强度是指的是应力问题，即结构或构件在正常稳定状态下由荷载引起的最大应力是否在建筑材料的承载范围。稳定性主要指的是结构外部荷载与构件内部抵抗力之间的不稳定，只有找出能够保持两者平衡的状态，才能避免结构失稳现象的发生，增加钢结构的抗震性能。焊接结构与建筑钢结构的强度和稳定性息息相关，随着建筑高度的增加，钢结构抗震性能设计对钢结构焊接技术和焊接质量提出了更高的要求。钢结构形式和体系繁多，涉及到的节点构造也比较复杂，这就造成了焊接接头形式多样，焊接技术难度大大增加，一些焊接结构比如剪力板与柱的焊接、框架梁与柱的焊接等必须引起建筑钢结构设计人员的高度重视，应科学、合理设计各个节点。

　　在建筑钢结构体系中，节点设计非常重要，主要包括梁柱节点设计、梁板节点设计、梁与梁节点设计、柱与柱节点设计等。结构分析前，要结合工程实际情况对节点的形式进行确定，保证每个节点的可靠性和安全性，避免设计的节点与结构分析中节点形式的不一致，并尽量采用简单、可靠的施工工艺，减少甚至是避免现场的焊缝连接。节点可按照传力特性的不同分为刚接、铰接和半刚接，连接形式不同，对钢结构的影响也是不同的。在设计节点的时候，设计内容主要包括焊接、栓接、连接板、梁腹板、螺丝。对于焊接，必须严格遵守相关规定，合理确定焊接焊缝的尺寸和形式，设计人员不得随意加大焊缝，焊缝与连接构件的重心要接近，焊条的材质必须与连接金属的材质一致。

　　2.建筑钢结构设计对焊接的基本要求

　　2.1 焊接钢材的选择

　　为了提高建筑钢结构的稳定性和抗震性，在选择焊接用钢材的时候，必须严格按照相关规定对建筑钢结构焊接用钢材提出的要求进行选择，包括焊接用钢材的焊接性、伸长率、屈强比以及屈服台阶。其中，伸长率、屈强比、屈服台阶与钢材的延性有关，而良好的焊接性则是指钢材的焊接性，它涵盖了钢材全部焊接性能，在焊接性中，最重要的是掌握S含量，保证焊接性的稳定。

　　2.2 分清主、次结构

　　建筑钢结构中的主结构主要是承载各种重力荷载、结构内部抵抗力、地震作用等，是保证整个结构稳定性、变形性能的重要系统，包括框架梁、柱、支撑体系、抗剪墙板等，在主结构设计中，各个构件的连接必须达到抗震要求。次结构承载力不包括地震作用，即不需要承载地震作用力，比如外墙围护结构、次梁、楼盖屋盖等都是次结构，次结构的设计中各构件的连接不需要达到抗震要求。

　　框架梁与柱的连接、柱脚连接、支撑与框架的连接以及其他抗侧力构件与框架的连接都是主结构中重要的连接部位，也是焊接最重要的部位。在主结构中，采用焊接结构的时候比较关键的焊缝有柱拼接焊缝、梁柱连接焊缝、梁腹板与柱的连接焊缝、剪力板与柱的连接焊缝、消能梁段与柱的连接焊缝等。当前，在建筑钢结构设计中被高度重视的焊缝为梁柱连接焊缝和柱的拼接焊缝。

　　2.3 焊缝的设计

　　建筑钢结构设计对焊缝的设计也有要求，不同结构要采用不同的连接焊缝。对于没有抗震要求的结构，其连接一般是按照内力来进行设计，连接的承载力必须大于构件承载力的一半，如果有必要则可采用等强度设计法进行设计。对于有抗震要求的框架构件的连接，其设计必须采用抗震设计法进行，连接的最大承载力要大于构件整体塑性承载力，这种连接相较于等强度连接具有更高的要求，能够在一定程度上保证钢结构整体耐力，使构件在承受大震后仍保持连接的状态。主结构中的框架梁与柱的连接、柱脚连接、支撑与框架的连接以及其他抗侧力构件与框架的连接都必须满足抗震设计要求。

　　2.4 梁柱连接

　　对于框架梁与柱的连接形式主要有两种，即梁柱的现场连接、梁的悬臂段预先与柱焊接，待进施工现场后再进行梁的拼接。这两种连接方式都在建筑钢结构焊接中得到了广泛的应用，其中梁柱的现场连接是采用高强度的螺栓将梁腹板与柱剪力板连接起来，待进入施工现场再焊接梁翼缘与柱;而后者则是将梁与柱全部焊接起来。虽然这两种连接形式应用都比较广泛，但是前者相较于后者有更好的抗震性。由于主结构中的梁翼缘与柱的连接焊缝需要承载梁翼缘传来的负荷，因此，在梁柱连接中，梁翼缘与柱的焊接非常重要，为了保证各节点的整体性，最大限度的减小构件间连接的破坏，可采用全熔透焊缝。

　　2.5 焊接残余应力

　　焊接残余应力能够直接影响建筑钢结构强度和稳定性，降低焊接用钢材的有效比例极限，严重的话会导致结构发生脆断，因此，在进行建筑钢结构设计的时候必须考虑焊接残余应力。焊接残余应力产生的主要原因是由于焊接过程中焊接区周围的不均匀受热。为了保证结构刚度、静载强度、疲劳强度、受压杆件的稳定性和杆件脆性，必须从热学角度分析并研究焊接时产生的残余应力对结构抗震性能的影响。

　　2.6 焊接结构疲劳强度

　　焊接接头应力集中区是引起焊接结构疲劳破坏的重要来源，为了使焊接结构的疲劳强度满足结构要求，必须对焊接接头进行抗疲劳设计，并采取必要措施，提高焊接结构的疲劳强度。首先，必须保证结构形式和合理性，降低焊接接头集中应力，从而提高焊接结构的疲劳强度;也可通过采用应力集中系数较小的焊接接头，降低集中应力。其次，对焊接残余应力进行调整，尽量将应力集中区的残余拉应力消除。再次，改善焊接用钢材的力学性能，可通过涂保护层的方法改变环境因素对结构疲劳强度的影响。总之，焊接残余应力必须得到消除或降低才能提高焊接结构疲劳强度，这对建筑钢结构整体稳定性和抗震性有着积极影响。

　　3.结语

　　总之，钢结构在我国建筑工程中已得到了广泛的应用，同时，也应清楚认识到建筑钢结构稳定性破坏带来的危害，在建筑钢结构设计中重视稳定性和抗震性设计。焊接是建筑钢结构体系中框架体系的重要组成部分，是建筑结构的重要支撑力量，直接影响着钢结构的安全和使用寿命，在设计中必须对其予以足够的重视。设计人员要找出钢结构设计对焊接的基本要求，采取相应技术措施，将焊接对建筑钢结构的不良影响降到最低，使焊接充分发挥在保证建筑钢结构稳定性和抗震性、提高钢结构质量和寿命方面的作用。

　　参考文献：

　　[1]梁伟宇.建筑钢结构设计及其内在的问题[J].中华建设.2012，65(4)：110-111.

　　[2]柳跃强，蒋海军，娄峰，赵文雁，甘书灿.斜撑框架结构复杂节点焊接结构优化[J].全国钢结构设计与施工技术学术交流会.2011，34(12)：12-15.

　　[3]张淑珍，许惠雯，雷润亚.浅析重型钢结构厂房的结构设计[J].陕西建筑.2011，191(5)：9-11.

　　[4]葛明兰，鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑.2010，145(7)：50-52.

　　[5]王若林，高巍，叶肖伟，倪一清.焊接结构疲劳破坏的若干问题[J].武汉大学学报.2013，46(2)：194-198.

　　推荐阅读：《中国住宅设施》(月刊)创刊于2003年，是由建设部主管，中国房地产及住宅研究会主办，住宅设施委员会承办的住宅设施领域唯一的中央级专业性科技类期刊。