超高层钢结构施工中焊接变形控制技术

一、引言

超高层建筑作为城市现代化的标志，其高度和复杂程度不断刷新。钢结构凭借其独特的优势，在超高层建筑中得到了广泛应用。焊接作为钢结构连接的主要方式之一，在施工过程中起着至关重要的作用。然而，焊接过程中由于不均匀的加热和冷却，会导致构件产生焊接变形，如收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形等。这些变形如果不加以有效控制，将对超高层钢结构的施工质量和安全造成严重影响。因此，如何有效地控制焊接变形成为超高层钢结构施工中的关键技术问题。

二、超高层钢结构焊接变形的类型及产生原因

2.1 焊接变形的类型

收缩变形：焊接过程中，焊缝及其附近区域的金属在加热时膨胀，冷却时收缩。由于周围金属的约束，焊缝金属不能自由收缩，从而导致构件产生收缩变形。收缩变形包括纵向收缩变形和横向收缩变形。

角变形：在焊接对接接头或角接接头时，由于焊缝截面形状不对称，焊缝两侧的加热和冷却不均匀，导致构件产生角变形。例如，V 形坡口对接焊时，焊缝正面收缩量大，背面收缩量小，从而形成角变形。

弯曲变形：当焊缝在构件截面上分布不对称时，焊接产生的收缩力会使构件产生弯曲变形。例如，在 T 形梁的焊接过程中，焊缝位于梁的一侧，焊接后会导致梁产生弯曲变形。

波浪变形：波浪变形主要出现在薄板焊接结构中，由于焊接时薄板局部受热，产生较大的压应力，当压应力超过薄板的临界应力时，薄板就会产生波浪形的变形。

2.2 焊接变形产生的原因

焊接工艺参数的影响：焊接工艺参数如焊接电流、焊接电压、焊接速度等，对焊接变形有着重要的影响。焊接电流越大，焊接热输入量越大，构件的变形也就越大；焊接速度越慢，焊接热输入量越大，变形也越大。

构件的结构形式和尺寸：构件的结构形式和尺寸不同，其刚性也不同。刚性较大的构件，在焊接过程中抵抗变形的能力较强，变形较小；刚性较小的构件，变形较大。例如，大型框架结构的刚性较大，焊接变形相对较小；而薄板结构的刚性较小，容易产生波浪变形。

焊接顺序和方向：焊接顺序和方向的不合理安排，会导致构件各部分的受热和冷却不均匀，从而产生较大的焊接变形。例如，在焊接多条焊缝时，如果焊接顺序不合理，先焊的焊缝会对后焊的焊缝产生约束，导致后焊焊缝的收缩受到限制，从而产生较大的变形。

钢材的性能：钢材的性能如屈服强度、弹性模量、热膨胀系数等，也会影响焊接变形。屈服强度较低、弹性模量较小的钢材，在焊接过程中容易产生变形；热膨胀系数较大的钢材，焊接时的热变形也较大。

三、超高层钢结构焊接变形控制的常用技术和方法

3.1 设计阶段的控制措施

合理选择焊接接头形式和坡口形式：在设计阶段，应根据构件的受力情况和施工条件，合理选择焊接接头形式和坡口形式。例如，对于受力较大的接头，应选择对接接头；对于受力较小的接头，可以选择角接接头或搭接接头。坡口形式的选择应考虑焊接工艺的可行性和焊接变形的控制，尽量减少焊缝金属的填充量，以降低焊接热输入量。

优化构件的结构设计：通过优化构件的结构设计，提高构件的刚性，从而减少焊接变形。例如，在构件中设置加劲肋、隔板等，增加构件的刚性；合理布置焊缝的位置，使焊缝对称分布，以减少弯曲变形和角变形。

3.2 施工阶段的控制措施

焊接工艺参数的优化：在施工前，应根据钢材的性能、焊接接头形式和坡口形式等，通过焊接工艺评定试验，确定合理的焊接工艺参数，如焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接热输入量等。在焊接过程中，应严格按照确定的焊接工艺参数进行操作，以控制焊接变形。

焊接顺序和方向的合理安排：合理的焊接顺序和方向可以有效地减少焊接变形。一般来说，应遵循 “ 先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊拘束度大的焊缝，后焊拘束度小的焊缝；对称施焊” 的原则。例如，在焊接 H 形钢时，应先焊腹板的焊缝，后焊翼缘的焊缝；在焊接大型框架结构时，应采用对称施焊的方法，减少结构的整体变形。

反变形法：反变形法是一种常用的焊接变形控制方法，它是在焊接前根据预测的焊接变形方向和大小，预先将构件向相反的方向进行变形，以抵消焊接后产生的变形。例如，在焊接 V 形坡口对接接头时，可以预先将构件的两端向上翘起，形成一定的反变形角度，以抵消焊接后产生的角变形。

刚性固定法：刚性固定法是通过采用夹具、支撑等装置，将构件固定在一定的位置上，限制构件在焊接过程中的变形。刚性固定法可以有效地减少焊接变形，但会增加构件内部的应力，因此在使用时应注意控制固定的力度和时间，避免产生过大的应力。

预热和后热处理：预热可以降低焊接接头的冷却速度，减少焊接应力和变形；后热处理可以消除焊接残余应力，稳定构件的尺寸。在超高层钢结构焊接施工中，对于重要的焊接接头或厚板焊接，应进行预热和后热处理。预热温度和后热处理的时间应根据钢材的性能、焊接工艺参数等确定。

3.3 焊后矫正措施

机械矫正法：机械矫正法是利用机械力的作用，对焊接变形的构件进行矫正。常用的机械矫正设备有压力机、矫直机等。机械矫正法适用于变形较小的构件，对于变形较大的构件，可能会导致构件产生新的损伤。

火焰矫正法：火焰矫正法是利用火焰对焊接变形的构件进行局部加热，使构件在加热区域产生塑性变形，冷却后收缩，从而达到矫正变形的目的。火焰矫正法适用于各种类型的焊接变形，但需要掌握好加热的温度和范围，避免对构件的力学性能产生影响。

四、结论

超高层钢结构施工中的焊接变形控制是一项复杂的系统工程，需要从设计、施工、焊后矫正等多个阶段采取有效的控制措施。在设计阶段，应合理选择焊接接头形式和坡口形式，优化构件的结构设计；在施工阶段，应优化焊接工艺参数，合理安排焊接顺序和方向，采用反变形法、刚性固定法等控制方法，进行预热和后热处理；在焊后阶段，应根据变形的类型和程度，采用机械矫正法或火焰矫正法进行矫正。通过综合运用这些控制技术和方法，可以有效地减少焊接变形，提高超高层钢结构的施工质量和安全性。随着超高层建筑的不断发展，对焊接变形控制技术的要求也将越来越高，需要进一步加强对焊接变形机理的研究，不断创新和完善焊接变形控制技术，为超高层钢结构的发展提供有力的技术支持。

参考文献

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