进入二十一世纪,钢结构在幕墙工程中大量应用,这是2000年以前根本没估计到的。随之而来就产生了幕墙工程中钢横梁和钢立柱可否采用焊接的现实问题。因为现行《金属及石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133-2001 *5.6.6条规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”,由此而来在许多工程中引发争议,停工的事件也时有发生。
如何理解JGJ 133-2001 规范中*5.6.6条规定的实际含义,如何在幕墙钢结构中合理应用焊接连接,已经成为不可回避的问题。
《金属及石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133-2001 颁布于 2001 年,编制于1996~1997年,是上一个世纪九十年代的产物,距离今天已经有十四五年的历史了。理解和应用 JGJ 133 规范,不能离开当时的历史背景和技术水平。
我国从上个世纪八十年始出现幕墙,九十年代初形成幕墙行业。但是初进入这一行业的并不是建筑公司,而是飞机制造公司。当时幕墙公司几乎全是民的飞机制造厂,它们熟悉铝合金材料,但对钢结构比较陌生。当时幕墙主要应用于办公楼和酒店,层高一般3m~4m,采用铝合金型材完全可以满足受力要求。因此幕墙行业的共识是幕墙只用铝合金结构,不采用钢结构。当时幕墙的普遍称呼是“铝合金建筑幕墙”、“铝合金玻璃幕墙”。
1993~1995年编制《玻璃幕墙工程技术规范》 102-96 期间,经过努力,终于去掉了“铝合金”三个字,但是在幕墙中采用钢结构并没有被行业的大多数人接受。因此 JGJ 102-96 和 JGJ 133-2001 两本规范就是针对铝合金结构编制的,仅仅因为连接件不能不涉及钢材,所以才列入一些有关钢材的内容。正因为如此,规范许多条文的规定不适用于钢结构。
十五年前的技术条件下,铝合金结构现场焊接还很难实现;而螺栓和螺钉连接对飞机制造厂来说轻车熟路,非常习惯。所以 JGJ 102-96、JGJ 133-2001 两本规范很自然规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”。这对当时的铝合金结构是万无一失的可靠作法,自然得到幕墙厂家的肯定。
十五年前编制 JGJ 133规范时,并没有幕墙设计审查制度,对黑体字条文的理解是“强调、提醒、着重”,提醒幕墙厂家“无理由不要违反”。那时候谁也没有预料到后来会出现审查单位,会演变成今天的按条审查,“一条否决”。所以黑体字的强制性条文列得比较多,为了引起重视,甚至连一些并非的具体做法也写成黑体字,产生了后来强制性条文管得过宽的结果。
在近年来的国家政策倡导下,推进建筑工业化的步伐逐步加快,大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑成为必然趋势。钢结构建筑相比混凝土结构具有诸多优点,如重量轻、装配化程度高,抗震性能好等特点。低层钢结构建筑在国外研发和应用较为成熟,多高层钢结构住宅建筑较少,而我国是人口大国,结合我国国情,研发适用于我国多高层钢结构住宅建筑的结构体系迫在眉睫。
在钢结构工程中,如图1所示,钢结构梁11与钢管柱12连接处由于钢结构梁11在竖向荷载F1作用下受弯引起钢结构梁11的上翼缘111对钢管柱12的柱璧产生受拉作用,以及钢结构梁11的下翼缘112对钢管柱12的柱璧产生受压作用,可能由此引起钢管柱12屈曲破坏,因此为减少钢结构梁11的上、下翼缘对钢管柱12的柱璧的集中作用,常常采取一些构造措施,分散钢结构梁的上、下翼缘对钢管柱12的柱璧的作用力。
由于本工程采用430×300×12缀板, 如在现场采用氧割成片会造成缀板边角翘曲、凹凸不平,影响缀板与角钢的焊接质量。因此钢板进场前按照图纸设计尺寸及数量要求钢板厂家用机械冲切成片,保证缀板边角顺直。
(2)为确保格构柱尺寸准确,焊缝饱满,角钢与缀板的定位要准确。首先根据格构柱的加工长度,在首尾和中间铺设垫木,垫木表面水平偏差不**过2mm,然后把2根角钢放置在垫木上,按设计要求尺寸调整摆放好,用100*100方形混凝土垫块及铁楔子初步控制平整度,并用水平尺和卷尺微调后固定好。
(3)采用电弧焊将中间部位一块缀板点焊在角钢上,起初始固定作用,然后采用手动调紧器控制格构柱两端角钢的连接尺寸及方正度(偏差在±1°内),这样通过“首”、“中”、“尾”三块缀板的电焊确保 “半边”格构柱尺寸的准确。
(4)通过三片缀板点焊固定后,开始进行“半边”格构柱剩余缀板的点焊,为避免焊接过程中钢结构受热产生的变形,需对固定后的格构柱仍需要使用卡具及手动调紧器固定。边焊边用钢直尺及扳手校正调整平整度及尺寸,确保缀板与角钢连接紧密、无缝隙,连接位置准确,防止出现偏移或翘曲。
(5)重复以上要求制作好另一半格构件后,将两边格构柱侧向拼装,利用卡具、调紧器、钢直尺、扳手按前述要求控制好格构柱整体平整度(偏差±2mm内)、整体顺直度(偏差±5mm内)、整体设计尺寸(偏差±5mm)以及断面方正度(偏差±1°内)。
(6)待两半格构柱位置调整准确后,同样采用点焊将剩余两面的缀板与角钢采用CO2气体焊接固定。固定过程中应随时对柱身尺寸进行测量调整,确保格构柱尺寸准确。
(7)满焊:为确保满焊过程中钢材受热产生应力造成缀板偏移影响焊接质量,满焊时严禁有一端往另一端施焊,应焊缝厚度为10mm,焊缝饱满,且表面无夹渣、咬边、气孔等,焊缝厚度达到设计要求。
(8)格构柱制作好后应整齐堆放在平整干净场地内,且格构柱端头位置焊接4根直径28mm吊筋(带吊耳),吊筋长度应根据场**高计算确定;分别与4根角钢端头双面焊接15cm,焊缝质量必须满足要求。
格构柱间对接焊接时接头应错开,保证同一截面的角钢接头不**过50%,相邻角钢错开位置不小于50cm。角钢接头在焊缝位置角钢内侧采用同材料短角钢进行补强。
焊接变形包括弯曲变形、纵横向收缩、角变形的扭曲变形等,焊接变形的原因主要是焊接受热不均,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。
如果要矫正这些变形,那就要要花费大量工作量和工时。例如矫正稍微复杂的变形,矫正所花费的工作量会远远**过焊接的工作量,要是很严重很复杂的残余变形,就算是经过矫正后也无法达到规范规定的使用要求,要么根本无法矫正,只能作报废处理。
(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**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较大的焊接残余变形和残余应力,像这样反复往后逐跨积累,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。
(3)突发性断裂。
在钢结构安装施工中,时常会发生突发性断裂。这种突发性断裂的特点是,突然发生,且它的断口呈现为切割面状,很整齐,突发性断裂具较大的危险性和破坏性,而且往往在施工过程中,施工人员或许根本来得及反应事故就发生了。
这种突发性断裂一般是焊接速度降低或者焊接电流所导致的,这两个因素会焊接线能量,从而直接导致热影响区的晶粒变得粗大,即生成粗大的珠光体和铁素体,这也就会导致热影响区域的韧性很大程度地降低,终引发突发性断裂。
(4)其他焊接质量缺陷。如焊缝咬边、焊、夹渣、气孔、未焊透等质量问题。
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