某钢平台主次梁连接节点加固施工技术闵 岚 艾 伟 (武汉一冶钢结构有限责任公司， 武汉 430080) 摘 要：在某钢框架结构平台梁节点补强施工中，通过分析计算，制定合理的焊接工艺，对负荷状态下钢结构节点进行焊接补强，使该节点承载力提高了120%，有效地解决了节点承载力不足的问题，保证结构的正常使用。为今后研究钢结构在负荷状态下焊接加固提供了实践经验。 关键词：连接节点； 负荷状态； 加固； 焊接 1 工程概况某钢框架结构厂房设备平台，其设备支座次梁截面为H1 400×400×22×30，框架主梁截面为HN1 000×300×19×36，支座次梁与框架主梁采用端板连接(图1)。 根据设计要求，此节点连接共需48个M20高强螺栓，螺栓等级为10.9级(表1)，而实际施工时只用了24个M20高强螺栓，故需对此节点进行分析计算，确定是否需要加固补强。  图1 主、次梁连接节点 表1 设计节点参数  次梁截面螺栓直径/mm螺栓中距/mm螺栓边距/mm螺栓排数螺栓列数螺栓等级连接板厚/mm材质节点抗剪承载力/kNH1400×400×22×3020704512410.930Q345B2600
2 节点实际应力根据设计结构计算模型，在满负荷情况下，该节点抗剪承载力要求为2 600 kN，而24个M20(10.9S)高强螺栓的抗剪承载力为：
式中：nf为传力摩擦面数目；μ 为摩擦面抗滑移系数；P 为一个高强螺栓的设计预拉力；N 为高强螺栓数量。 故该节点不能满足全部负载后的受力要求，需要对节点进行补强。根据工程施工情况，支座次梁上已安装部分设备，构件处于负荷状态，将实际施工荷载状况施加到结构计算模型中，经过计算分析得出此节点实际承受1 200 kN剪力，在此种负荷情况下节点能够满足要求。 3 补强方案根据工程实际情况，若先对该支座次梁卸载，然后再对节点进行修改补强，则不仅不能满足工期要求，而且整改费用巨大。经过分析研究，拟采用增加焊缝补强的方法，在连接端板两侧增加2条角焊缝，改栓接为焊接(图2)。  图2 补强节点 增加焊缝抗剪承载力为： V=0.9helwfw=3 828 kN>2 600 kN。 式中：he为角焊缝计算厚度；lw为角焊缝总长；fw为角焊缝抗剪承载力。 故增加两条角焊缝可满足设计要求，但在补强施工前需对节点在焊接过程中的受力情况进行分析，制定合理的焊接工艺，保证在补强过程中节点的安全，具体施工工艺流程如图3所示。  图3 节点补强焊接施工工艺流程 4 焊接过程中材料承载力1)焊接时焊缝热影响区域。根据试验数据，一般焊接时焊点的局部温度在1 350 ℃，在焊点周大于210 ℃温度场大小不超过80 mm×40 mm的围区域，在焊缝长度方向为80 mm，宽度方向为40 mm，该区域周边20 mm范围内的温度迅速降到100 ℃，且该区域温度在焊接结束1 min内降为120 ℃，3 min内降为80 ℃，5 min内降为60 ℃[1]。 2)Q345B钢材在升温情况下的材料性能。钢材的受力性能随温度的升高而下降，一般钢材在200 ℃以下其强度变化不大，当温度超过300 ℃时，其强度下降、塑性增加[2]。根据试验数据，直接焊接区域温度下钢材不具有承载力，没有焊接的区域温度在500 ℃度以下，此时剪应力不宜大于0.7倍的设计值(表2、表3)[3]。 表2 Q345B钢恒载升温下应力水平  试件编号恒载应力水平σ/MPa破坏温度/℃10.7fy56020.8fy51030.9fy500 注：fy为钢材屈服强度。 表3 Q345B钢恒载升温下的变形 mm  温度/℃不同应力水平下的变形0.7fy0.8fy0.9fy350-1.351.81400-1.452.454500.352.13.25000.7511.45-55010-- 注：fy为钢材的屈服强度。 由于节点处已施加荷载1 200 kN，经计算，承载1 200 kN剪力所需钢梁腹板高度为(不考虑高强螺栓受力)H1=504 mm。主梁截面高度为1 000 mm，故可直接焊接的区域长度H2=424 mm。 3)焊接过程中对螺栓承载力的影响。由表4可知，当温度低于200 ℃时，温度对抗剪承载力的影响可以忽略不计[5]。当温度达到300 ℃时，螺栓抗剪极限承载力为常温时的76%。根据节点处螺栓布置情况，沿焊缝长度方向螺栓间距为70 mm，垂直焊缝方向螺栓边距为45 mm，若采取分段对称退步焊的焊接长度为200 mm，影响范围内有6个高强螺栓，考虑此部分螺栓按70%的承载力计算，全部高强螺栓的抗剪承载力为V=1 548 kN>1 200 kN；因此，焊接过程中螺栓能满足受力要求。 5 焊接方案1)焊接技术措施。根据前面分析，对该节点补强采用逐层对称退焊，焊接顺序和长度如图4所示。具体焊接参数如表5所示。 表4 升温下高强螺栓抗剪承载力  温度/℃极限荷载Pu/kNPu/Pu(20℃)2013812001350.9783001050.7614001050.7615001000.72560050.30.364 焊接方法为焊条电弧焊；坡口形式为无坡口；焊接位置为立焊；焊脚高度为16 mm；焊机型号为ZX7-400STG。焊接技术要求：a.摆动焊。摆动幅度不大于12 mm(φ3.2)；摆动幅度不大于16 mm(φ4.0)；b.每道焊缝厚度不大于4 mm；c.每道焊缝焊接后，待焊缝冷却3 min或焊缝层间温度低于100℃后再焊接下一道， 每个分段每层的焊接均按照图4顺序进行；d.焊接工作安排熟练焊工实施。每个节点安排2名焊工同时对称焊接同一高度的分段。  注：1～4为焊接顺序；括号中数值表示焊缝长度，mm。 表5 焊接参数  焊道/焊层焊接方法填充材料牌号直径/mm焊接电流极性电流/A电弧电压/V焊接速度/(cm·min-1)线能量/(kJ·cm-1)1-5SMAWE5015?3.2反接110～13020～226～1015～241-4SMAWE5015?4.0反接130～15020～248～1213～28
2)焊接质量保证措施。a.参加此施工的所有焊工必须持证上岗，并在焊前进行培训考核，考核合格后的焊工方可上岗施工。b.所使用焊材需提供产品合格证，焊条需烘干后方可使用。c.焊前对焊工进行技术交底，并指派焊接技师现场指导与监督。d.焊接时应严格按照焊接工艺要求执行，采用小的焊接电流，短电弧、高焊速、运行要稳。e.每层焊接完毕后，应及时认真清理焊道内的焊渣及焊接飞溅物，并采用砂轮将焊瘤打磨至与焊层齐平，方可进行下一层焊接。f.每层焊接完成后，需由监理检查合格后，方可进行下道焊缝施焊。 3)焊接安全保护措施。a.电焊机应安设在干燥、通风良好的地点，周围严禁存放易燃、易爆物品。电焊机应设置单独的开关箱，施焊完毕，拉闸上锁。b.严禁在无防坠落措施的位置施焊。焊接带电设备时，必须先切断电源。c.在高空作业施焊时，必须穿好戴防护用品，系好安全带，设置安全网、固定在结构上的脚踏板，焊工身体应用绝缘材料与结构隔离开，焊接周围应备有消防设备。d.更换场地移动电焊机时，必须切断电源，检查现场，清除焊渣。e.电弧焊烧焊现场的10 cm范围内，不得堆放氧气瓶、乙炔瓶、木材等易燃物。 4)焊接过程监控。a.焊接过程中采用红外测温仪对层间温度及焊接区域温度进行实时监控。b.采用水准仪监控节点处在焊前、焊中及焊后的过程变化。c.焊接前与钢梁连接的框架定位尺寸进行测量，焊接完成后，再对框架定位尺寸测量一遍，确保框架整体位移在规范容许范围内。 5)焊接后质量检测。焊接完成后首先进行感观检测，要求焊缝成型较好，焊缝平滑，查看是否存在咬边和气孔缺陷，焊渣和飞溅物是否清除干净；其次，用焊缝量规对焊脚尺寸进行检查；然后，对角焊缝进行磁粉探伤，检测焊缝是否存在裂纹，所有检查合格后方能进行工程验收。 6 结 语在本工程钢结构平台主次梁节点补强施工中，严格执行上述施工工艺， 有效地解决了节点承载力不足的问题，保证了工程的焊接质量。加固后设备安装运行良好。但是负荷状态下，钢构件的受力比较复杂，受环境因素的影响也比较大，应尽可能在卸载状态下补强，在负荷状态下钢构件的焊接补强需极为谨慎。 参考文献： [1] 张坚， 孙春芳. 负荷状态钢结构焊接研究[J]. 特种结构,2005,25(12):38 - 40. [2] 赵金城. 高温下钢材力学性能的实验研究[J].建筑结构,2000(4):26 - 28. [3] 李焕群.16Mn钢的高温强度试验[J].钢结构,2007,27(8):17 - 20. [4] CECS 77∶96 钢结构加固技术规范[S]. [5] 陈禄如.高温下高强度螺栓连接性能的试验研究[J].建筑钢结构进展，2003(5)：24 - 32. [6] 黄勇祥. 高温下钢结构高强度螺栓连接极限承载力的研究[D].武汉：武汉理工大学，2004. REINFORCEMENT CONSTRUCTION TECHNOLOGY OF PRIMARY AND SECONDARY BEAM CONNECTIONS OF A STEEL PLATFORM Min Lan Ai Wei (Wuhan Yiye Steel Structure Co.Ltd, Wuhan 430080, China) Abstract：In the reinforcement construction of the joints between primary and secondary beams of a steel platform, through careful analysis and calculation, the reasonable welding process was formulated, welding reinforcement of steel joints under load condition was done, which made the bearing capacity of the joints be increased by 120% hundred and twenty thus effectively solving the problem of insufficient load bearing capacity of the joints, which guaranteed normal use of the structure. Some practical experience was provided for welding reinforcement of steel structures under loads. KEY WORDS：connection joint； under load； reinforcement； welding 第一作者：闵岚，男，1981年出生， 工程师。 Email：331691009@qq.com 收稿日期：2015 - 02 - 10 DOI：10.13206/j.gjg201505019 |
|
|
。
