1、设计论文钢结构的焊接变形与应力分析学位论文钢结构的焊接变形与应力分析摘 要 近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载、要求施工速度快、节能环保、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件，因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。 本课题主要对H型钢焊接变形与应力进行研究，主要内容包括H型钢结构概述、H型钢结构焊接工艺、H型钢结构焊接应力与变形分析、典型H型钢结构焊接生产工艺等，本文通过研究分析H钢结构焊接应力与变形的类型及原因，以指导钢结构的生产及应用。关键词：钢结构，焊接变形，应力，强度STEEL STRUCTU
2、RE WELDING DEFORMATIONAND STRESS ANALYSIABSTRACTIn recent years, along with Chinas industrial development, steel structure engineering because of its structure performance is good, structural organization uniformity, high strength, high modulus of elasticity, plasticity and toughness, suitable for b
3、ear impact and the seismic load, construction speed and facilitate the mechanization of manufacturing and higher degree industrialization superior conditions, so many steel structure engineering in architecture has been widely used. But, cant deny, steel structure still exist defects and hidden trou
4、ble. Steel structure welding process is the welding deformation and the welding stress wait for blemish. Steel structure welding process is actually in welding after heating and cooling local area, but due to the solidification process of non-uniform temperature field, causing welding uneven expansi
5、on and contraction, thereby internally generated welding welding stress and cause the welding deformation. This paper mainly analyzes the steel structure types and reasons of the welding deformation and stress elimination. KEY WORDS: steel structure， The welding deformation， Stress， Strength毕业设计（论文）
6、原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检
7、索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电
8、子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文
9、（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计
10、）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见
11、解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等
12、级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目录 前言钢结构的发展有悠久的历史。钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。我国是最早用铁制造承重结构的国家，远在秦始皇时代(公元前246-219年)，就已经用铁做简单的承重结构， 而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。公元3-6世纪， 聪明勤劳的我国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名的四川泸定大渡河铁索桥，云南的元江桥和贵州的盘江桥等都是我国早期铁体承重结构的例子。在世界上钢结构的发展也很迅速，1960
13、 日本积水（SEKISUI HOUSE）公司推出A型钢结构住宅。1961 建成北京工人体育馆。中国现代悬索结构的开始。 1962 日本大和公司推出A型钢结构住宅。 1965 日本松下住宅推出R2N型钢结构住宅。1970 当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成，高410米 1973 当时最高的芝加哥西尔斯大厦Sears Tower完工，110层，高442米。1974 中国颁布TJ 17-44 （半概率，半经验的设计法）。钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，得到了迅速发展和普遍应用。而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，但随之带来的焊接变形与应力问题也日益突出。金属构件焊接时，焊
14、缝区域局部受热膨胀，而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高，因而对受热区域母材的膨胀起约束作用，因而焊接区受压，而母材受拉；随着电弧前移，已完成焊接的热影响冷却收缩，而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用，因而焊缝区域受拉，而其周围的母材金属受压。在焊接应力作用下，如果焊件的拘束度较小，则焊件会产生相应的变形，如缩短、弯曲、翘曲等；如果焊件的拘束度很大，此时焊件不能自由变形，但在应力作用下会产生局部的应变，同时产生较大的残余应力。焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1800，局部高温使材料产生不均匀的膨胀。处于高温区域的材料受到周围温
15、度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变，在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。产生相变应力。除上述两种原因外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力，上述因素就是焊接残余应力的形成过程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程。但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，
16、从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。本课题主要从H型钢结构的焊接变形与应力对钢结构的影响来分析。第一章 钢结构的组成及发展 1.1 钢结构主要组成部分钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。 钢结构为确保达到保温效果，在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。迈特建筑轻钢结构住宅一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外，在墙外侧再贴一层保温材料，有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维，减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维，减少户墙之间的热传递。1
17、.2 钢结构的发展前景 近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快(构件为预制，与土建基础部分可同时施工) 、外形色彩美观、时尚、环保(拆除时较混凝土结构易处理) 得到较快发展。这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢。作为钢结构主体材料的结构设计，H型钢已被业内专家认为是今后的发展趋势。据统计2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。1.2.1 H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展钢结构建筑形式的多元化、多样化，促进了钢结构形式多种多样。有普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、
18、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土结合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨（型钢）混凝土结构等等。如：轻钢结构，目前在国际上，特别是在我国，是被重点推荐的一种结构形式。它具有重量轻、经济性好等特点，目前在各种屋盖结构及单层房屋中得到广泛应用。在中、小跨度的屋盖中，轻型钢及轻型钢管拱型结构（平面曲线材架）也是较多采用的形式之一。网壳结构在大跨度空间结构的建造中越来越多，网壳结构在地震作用下的动力性能与设计也得到了普遍关注。网壳结构形式较多，有空间网格结构、单桩层面网壳结构、单层球面网壳结构、索承网壳结构等。钢管结构因其形式多样，结构灵活多变，可与其他钢结构相互关连，更是城镇建设
19、中大型建筑常见的结构形式。目前一些造型优美的体育场馆如“鸟巢”、机场候机楼和会展中心应用钢结构等都采用了这些形式。不过，螺旋焊管在高层大厦、重工业厂房等重钢结构中新的应用，都使热轧H型钢在钢结构领域应用受到限制。1.2.2 钢结构住宅前景广阔轻钢结构住宅也是近10年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑投资的50%以上。这些结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。轻钢住宅的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的一个重要方向，目前已经有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。钢结构住宅通用体系用于民用住宅，具有独特的优势，与其它住宅通用体系相比
20、，其主要特点是：1 自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。2 布置灵活，开间大，房型丰富，约可提高建筑面积3%5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于满足现代人的居住需要，适应现代住宅的市场需求。 3 可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。4 施工周期大大缩短。据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色建筑体系。钢结构住宅因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对
21、我国传统的住宅结构产生较大冲击。但由于受到相关领域如墙体材料、消防验收的制约，特别是在工业化、城市化快递进程中，人们环保意识淡薄，劳动力成本低等因素，导致住宅钢结构在我国短时间内难以形成规模。一旦住宅钢结构技术上取得突破性进展，逐步取代传统建筑形态进入住宅建设市场，钢结构行业将引来爆发性的增长。第2 章 H型钢概述H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H”相同而得名。 2.1 H型钢优点、适用范围2.1.1 H型钢使用中有以下显著优点：1 H型钢可使建筑等钢结构件重量减轻1530%，用于桥梁上可减轻结构件重量1315%；2 在荷载相同的情况下，
22、使用H型钢可节省用钢量；3 用H型钢建造建筑物或工程，可比采用钢筋砼缩短一半的建设工期并减少施工对周围环境的影响；4 建造同等面积的楼宇，用H型钢比用钢筋砼能增加约6%的有效使用面积，在同样跨度时可减少梁的高度，故同净空高度时可减少楼层高度，节约内外墙工作量约3%；2.1.2 H型钢适应范围由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。常用于要求承截能力大，截面稳定性好的大型建筑（如厂房、高层建筑等），以及桥梁、船舶、起重运输机械、石油钻井平台、设备基础、支架、基础桩等。 2.2 H型钢结构对连接的要求基本构件通过
23、连接制成整体结构。例如：屋架。在H型钢结构中，连接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题：1 连接设计与结构内力分析时的假定相一致；2 连接设计应选择最不利的荷载工况；2 传力直接、明确，避免应力集中；4 节点的变形协调；5 避免偏心的影响；6 连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力；7 利用厚钢板时，应避免层间撕裂；8 连接的构造简单，便于施工。第3章H型钢焊接工艺及变形成品（轧制）H型钢规格有限，大部分的H型钢均需拼装焊接制造，为了保证焊接质量，需制定相关工艺措施。 3.1 H型钢焊接工艺设计3.1.1 H型钢结构特点近年来，轻钢结构建筑
24、在国内因施工进度快（构件为预制，与土建基础部分可同时施工）、外形色彩美观、时尚、环保（拆除时较混凝土结构易处理）等得到较快发展。这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢制作而成。焊接H型钢是由3块一定规格尺寸的钢板组焊而成，如图3-1。两块翼板和腹板通过两个T型接头结合成整体。这种结构形式虽然简单，但对外观要求较高。因此，对焊接变形的控制、校正尤其重要。图3-1 焊接H型钢3.1.2 H型钢的制作要点：1 要求全焊透（熔透焊），无损检测应达到GB11345之级标准。2 钢梁连接板处的焊缝也是同样的要求。3 翼缘板与腹板焊接后的角变形3mm(国家标准3mm)。3.1.3 焊接过程中的难点：1 对于H
25、型钢的熔透焊（钢板厚度=25mm）的焊接量非常大。2 在焊接中，容易出现以下几种较难处理的变形（非对称）：翼缘板与腹板焊接变形，见图3-2；连接板与H型钢焊接变形，见图3-3。 图3-2 翼缘板与腹板焊接变形 图3-3 连接板与H型钢焊接变形3.1.4 产生变形原因产生变形的原因是焊接应力。金属焊接是局部加热、熔化的过程。焊缝加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高状态，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用， 焊接区因此受压应力，而母材受拉应力。随着电弧的前移，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而周围的母材起约束其收缩作用。在这种作用下产生的是焊接应力，金属冷却后还存在焊接残余应力
26、。残余应力（横向、纵向及母材厚度方向）根据应力大小及构件的结构形式、约束程度的不同，产生的变形方向也不相同，因而产生变形结果也不相同。3.2 焊接工艺分析3.2.1 熔透焊（级）的难点：1 焊缝集中，钢板较厚（=25mm）。2 位置狭小，不便操作。3 构件长，重量大，摆放、翻身较困难。3.2.2 焊接工艺方案根据上述情况，工艺的制定主要是满足焊透及焊后的变形控制。由于板厚按常规焊接，这样的规格大多数采用K型坡口形式。这种坡口形式焊接的优点是：焊缝对称，焊接填充量少，焊后的变形及整体侧弯较小。但由于操作位置小，清根很难，内部质量很难保证。根据这样的情况，技术人员制定了单面4045的坡口，留钝边。
27、采用CO2气体保护焊填充、背面清根的工艺。3.2.3 焊接工艺方法在操作过程中为防止变形（T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差），各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。由于焊缝交叉处4050mm范围内无法清根（碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理），因此在零件下料时4个角50mm范围内短2mm组对时此处预留出23mm组对间隙， 选用CO2气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力强可保证焊透；由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位
28、置尽可能焊平角缝，少焊立缝。为加快施工进度，背面清根选择在构件侧立时，即一侧焊接另一侧清根同时进行。依据情况具体确定参数见表3-1。表3-1 CO2气体保护焊参数表项目焊丝直径（mm）焊接电流（A） 电弧电压（V）CO2气体保护焊1.218020025353.2.4 焊接变形控制与矫正前面从理论上表明焊接应力是产生焊接变形的原因，是焊接过程中不可避免的问题。消除焊接应力对于这种钢结构件从经济的角度是不可取的，解决的办法通常有三种：一是预变形，对于结构简单、零部件组合较单一的构件易采用；二是使之对称变形，H型钢焊接通常产生的角变形（对称），用H型钢矫直机可解决；三是变形后的矫正。对于前面提到的两
29、种变形（见图3-2、图3-3）是处理较困难的变形。这些变形产生的原因，对于图3-2的变形来说与焊接顺序及两侧焊接线能量不均有关。这种变形一般采用火焰加热方法矫正，对于个别变形量较大还需配千斤顶支撑。 表3-2 埋弧焊H型钢焊接参数表板厚（mm）焊丝牌号及规格焊剂牌号焊接电流（A）电弧电压（V）焊速（m/min）25 H08MnA，5mm焊剂4317307503638183.2.5 采取的预防方法和产生的效果1 用两面同时打底焊接，自动焊使用相同的焊接工艺参数。若使用手工焊可采用对称的焊接顺序，以及翼缘板固定在钢平台上施焊等。2 组对时采用预变形的方法来控制，见图3-4（数字经实践验证效果理想，
30、埋弧焊H型钢焊接参数见表3-2）。对于图3-3的变形，产生的原因是腹板与连接板要求焊透，焊接时热量过大而产生的，这种变形产生后矫正较为困难。矫正的方法是采用火焰加热（加热区域见图3-5涂黑处）。加热的温度应在正火温度以内600800。C，钢板的外观呈暗红色。这种方法实际是将上、下翼缘板“烤短”（即使钢板经加热冷却后收缩），因此，根据实际情况在下料预留焊接收缩余量时考虑进去收缩余量值一般根据经验留取，也可以利用经验公式计算。这种“烤短”方法虽然可行，但对操作工人的技术、经验要求较高，况且非常费时、费气（氧、乙炔）。如何控制这种变形，所采取的方法是在保证焊透的前提下，尽可能减小坡口角度。使用CO2气体保护焊，挑选技术较好的焊工施焊，减少返修（清根）等来控制，此方法 钢结构制作过程中取得较好的效果。 图3-4 预变形法控制变形 图3-5 矫正变形加热区域第4章 H型钢的应力与变形分析焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。4.1 H型钢焊接变形种类及影响因素由于H型钢点固时的刚性较低又采用了大线能量焊接，H型钢
