高　良，高玲丽

（浙江精工钢结构（集团）有限公司，浙江绍兴312030）

建筑钢结构焊接应力应变控制基本要素

高良，高玲丽

（浙江精工钢结构（集团）有限公司，浙江绍兴312030）

建筑钢结构体系是一个“庞然大物”，一个钢结构焊接工程用钢量少则上千吨，多则几万吨到十几万吨；同时建筑钢结构体系也是一个完整有机的受力体系，承受自重和自然界的各种交变荷载。结构体系复杂不仅仅是造型和采用大规格新钢种，结构体系的高耸也是其中之一；自然状况的变化，使建筑钢结构体系受力不同于其他结构，仅对阴阳面受力分析来看，状态十分复杂。断面相同、材质相同的构件，在同一时间承受不同的荷载，而这些不断变化的复杂荷载全部由建筑钢结构焊缝分担，因此焊缝就是关键；特别是系统焊接应力应变的控制成为目前学术争论的焦点。以焊接应用技术理论为指导，以工程实践为依据，对建筑钢结构焊接应力应变控制进行简析。

焊接应力；焊接应变；建筑钢结构

1　建筑钢结构焊接工程不宜消除焊缝焊接残余应力[1-5]

某体育场24个柱脚，安装配合精度要求高，结构十分复杂，筋板纵横交错，且全部为厚板全熔透焊缝，柱脚单质量100～220 t不等。为此，有人提出消除焊接残余应力来保证安装配合尺寸精度的要求。由于柱脚十分庞大、复杂，消除焊后残余应力很困难，施工方坚持不消除焊接残余应力，两种观点互不让步，谁也难说服对方，于是引起我国学术界结合工程的一场大讨论。学术讨论的结果出乎人们意料，施工单位的观点得到了清华大学权威教授的支持，权威教授明确表示：没有必要对钢结构消除焊接残余应力。

根据工程成功的案例分析，研究认为，清华大学权威教授不消除焊接残余应力的观点有以下理由。

1.1焊缝在建筑钢结构中所占比例太少，难以形成影响结构刚度的规模效应

消除应力概念缘于机械制造行业铸造件保证加工尺寸精度的技术。对铸造件而言，由于厚薄相差悬殊且彼彼皆是，铸件应力分布十分复杂，采用消除应力技术能够稳定铸件形状，从而保证加工尺寸的稳定性。在我国基础工业消除应力技术不发达的年代，主要采用应力自然“时效”的做法，即把铸件搁置在露天，经过长期日晒雨淋、应力自然消除的技术，在露天搁置的时间越长，消除应力的效果越好。

需要对比和说明的是，铸件和焊缝情况差别很大。就比例分析：无论大小铸件的铸造组织都为100％，产生的焊接残余应力也认为是100％，并且分布十分复杂。如果不采取消除应力措施直接加工，会导致铸造应力新的不平衡，如果加工量大，这种不平衡的程度就会加重，应力差就会越大，就可能导致形变和裂纹，完全有可能影响加工尺寸的高精度要求。所以铸造件采取消除应力措施来保证工件加工尺寸精度和提高韧性储备大有好处。

焊缝也是铸造组织，所产生的残余应力在理论上是基本一致的。然而在建筑钢结构焊接工程中，根据建筑钢结构焊接工程中所耗焊材用量的粗略估算，焊缝所形成的铸态组织只占建筑钢结构的3％～5％（扣除焊材损耗，所占比例还要减少）；量变到质变，这种比例所产生的焊接应力对95％～97％轧制钢材所形成的刚度作用较小，不可能产生“铸造件效应”和过大的应力差；如果焊接残余应力在建筑钢结构焊接工程系统中，分布基本均匀，没有过大的焊接残余应力集中，可以肯定的说：焊接残余应力对建筑钢结构体系强度和形变没有影响。

在建筑钢结构焊接工程中，焊接应力是平衡的内力体系，平衡就是稳定，因此只要没有应力集中，钢结构系统初始应力状态是安全的，这个钢结构系统也就是安全的，焊接残余应力状态越均匀越安全，同时焊接残余应力随着时间的流失因自然时效作用而逐渐变小，系统也就越来越安全，因此没有消除焊接残余应力的必要。

工程案例：某体育场的第一根柱脚C13质量132 t，消耗焊材6.1 t，粗略计算，焊缝铸态组织占柱脚重量的4.6％。分析认为，焊缝所产生的残余应力对132 t的庞然大物不起决定性的作用；因此，在排定焊接顺序后，决定不消除焊接残余应力，其结果完全达到预期目的，如图1所示。

图1　某体育场C13柱脚安装现场

a.某体育场钢结构工程C13柱脚拼装焊接结束后经自检和第三方监检，焊接的形位公差控制在规定范围之内，最大变形值不超过5 mm（平均值在3 mm以下），焊缝一次合格率为100％。

b.焊缝质量要求为全熔透一级焊缝，技术难度大，主焊缝规格如下：（1）板厚100mm，横焊，长度6.8m；（2）板厚60mm，横焊，长度5.76 m；（3）板厚90mm，横焊，长度3.5m；（4）厚60 mm，立焊，长度10.1 m。

c.完整柱脚消耗长焊材6.1 t。

d.焊接技术要求为连续施焊，24名焊工和多名管理人员连续奋战84h，保质保量完成任务。目前该体育场运营情况良好。

1.2焊接残余应力对建筑钢结构体效静载强度没有影响

根据有关文献阐述：没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是当材料处在脆性状态时，则拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到撕裂强度，导致结构早期破坏。

由于建筑钢结构属于静载结构，遵循应力叠加原理：未经消除残余应力的焊件投入使用时，由载荷引起的工作应力将与焊接残余应力互相叠加。如果两种应力性质不同，方向相反，叠加的结果会提高构件的承载能力。如果两种应力的性质相同，方向相同，叠加后的应力数值往往在构件的局部区域超过材料的屈服点（ReL），这不会影响有良好塑性、韧性的材料强度，而只会影响刚度；但对脆性材料，将有不利的影响。

光滑试样受无数次应力循环而不发生破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限，它与循环特征的平均应力和应力腹值密切相关。构件上拉残余应力对疲劳强度有不利影响，降低构件的疲劳强度，而压残余应力则对疲劳强度起有利的影响，能提高疲劳强度。

当外载产生的应力与结构中某区域的内应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的内应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载能力，造成结构的有效面积减小，结构刚度也随之降低。

焊接结构除焊接引起残余内应力外，火焰矫正后也在结构上产生较大范围的内应力。加载时，刚度可能存在明显下降，发生较大变形。卸载后回弹量也可能减小，出现了参与变形。因此，对尺寸精度和稳定性要求高的结构不容忽视。

建筑钢结构受外载荷影响不大属于自承重系统，只要没有应力十分集中的焊接接头和十分集中的焊接残余应力，对系统的安全运营基本没有影响。

焊接应力不影响建筑钢结构的静载强度。

1.3建筑钢结构焊接工程消除焊缝残余应力是以牺牲焊缝的综合性能为代价

目前消除焊接残余应力的五种方法——整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸法、温差拉伸法、振动法。在理论和实践中令人放心的就是热处理，除热处理工艺外，其余方法都是局部的、小型的（热处理的规模也有限）；有的方法目前还不成熟，比如振动消除内应力的机理，迄今无系统和令人满意的解释。多数认为振动给工件施加了附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过金属材料的屈服点时，在工件内部发生了微观和宏观的塑性变形，使其残余应力降低和均匀化。

理论和实践均证实，只有热处理才能实现消除焊接残余应力，可是就热处理而言，再小的建筑钢结构系统对它们来说都是“庞然大物”，可以肯定的说，目前消除焊接残余应力的方法对建筑钢结构系统不起作用。

假如用局部热处理技术（局部高温回火技术）有可能会带来麻烦，焊缝的应力得到消除之后，将引起新的附加应力，造成新的应力集中，事实上就是把应力搬一个家，适得其反。

有人把复杂的建筑钢结构“化整为零”，把另件（复杂构件）送到炉子中热处理消除焊缝残余应力，其结果令人失望，焊接接头屈服强度、抗拉强度都有不同程度的下降，有的冲击韧性下降严重。

1.3.1消除应力热处理对焊缝拉伸性能的影响

消除应力热处理对焊缝组织和性能有何影响？在理论界和工程界历来有不同的看法和做法。最近有关学者对此进行了系统研究，十分趋近于工程应用，得出了很多有价值的结论，如：试验采用碱性焊条，φ＝4mm；药皮外径6.8mm，药皮中Mn含量分别为0.6％、1.0％、1.4％和1.8％；焊条分别编号A、B、C、和D。在平焊（F）位置施焊，每层焊3道，总共27道，直流反接，I＝170A，U＝21V；焊接线能量10kJ/cm；道间温度200℃。

焊缝金属消除应力处理规范580℃×2 h。为了研究保温时间的影响，对0.15％Mn和1.8％Mn的一种焊条做了长达100 h的消除应力热处理。分别测定每种焊条的化学成分和拉伸性能，如表1所示。

表1　焊缝金属化学成分和拉伸性能

假设消除应力热处理后，拉伸性能与C、Mn含量之间有线性关系，则可用如下回归式表示，即，屈服强度ReL（单位：MPa）＝310＋390·w（C）＋50·w（Mn）＋429×[w（C）·w（Mn）]抗拉强度Rm（单位：MPa）＝396＋330·w（C）＋42·w（Mn）＋643×[w（C）·w（Mn）］

这两个关系式与焊态下的关系式相似，只是常数项不同。

强度下降是消除应力热处理的结果，而下降程度的大小则受成分的综合影响。屈服强度比抗拉强度下降得更多，试件在焊态下和消除应力热处理后经对比，屈服强度平均下降33 MPa，抗拉强度下降12 MPa，故消除应力热处理之后，屈强比下降0.85以下。正如预料的那样，普通C-Mn系焊缝全面软化。

1.3.2消除应力热处理对焊缝冲击韧性的影响

不同含碳量的焊缝，消除应力热处理后碳对冲击吸收功的影响与焊后状态相同，上平台冲击吸收功随含碳量的增加而下降，且与最佳冲击吸收功对应的含锰量仍为1.4％，与含碳量变化无关。

消除应力热处理主要影响的是脆性转变温度的改变，并与碳锰含量有密切关系。碳锰含量低时，消除应力热处理有利于韧性；碳锰含量高时，消除应力热处理不利于韧性。比如：碳锰高时，相当于100 J冲击吸收功的试验温度比焊后状态提高5℃～20℃。其原因可能是消除应力热处理过程中，随着含碳量的增加，渗碳体的析出量增加，渗碳体尺寸增大，尤其是厚度增大将导致转变温度升高。含碳量和含锰量处于中等水平时，消除应力热处理后转变温度基本不变，且含锰量为1.4％，含碳量为0.07％～0.09％时得到最佳韧性。

消除应力热处理时间对脆性转变温度的影响如图2所示。可以看出，消除应力热处理时间在2 h之内时，随着时间的增加，脆性转变温度（相当于28 J和100 J）有上升的趋势。进一步增加时间后，脆性转变温度表现出下降趋势。电镜观察结果表明，经100 h消除应力热处理之后，析出的碳化物变得更加粗大并接近于球形。

图2　消除应力热处理（580℃）对脆性转变温度的影响（0.15％C，1.8％Mn）

2　建筑钢结构体系设计是控制焊接应力应变的关键

在建筑钢结构焊接过程中，对控制焊接残余应力应变相当重视，采取“防患于未然”即预防焊接残余应力集中为主方法。该方法的目的是使钢结构系统应力应变尽可能小、尽可能相对均匀。这是建筑钢结构控制焊接应力应变唯一可行的技术路线，是“全面质量管理”中全员、全面、全过程管理的良好结果，而不是寄希望在焊接残余应力集中已经形成后、再考虑去消除焊接残余应力集中的最后阶段。

建筑钢结构应力应变的控制必须从设计开始。良好的受力系统、合理的焊接接头是控制焊接应力应变、钢结构系统初始应力状态达到设计要求基本保证。经验证实，控制钢结构焊接应力应变有两个层次：

（1）设计和施工时要尽量使钢结构系统在焊接过程中受热均匀。系统受热愈均匀，所形成的焊接应力就愈均匀，应力集中点愈少，钢结构系统运营就愈安全。

（2）在具体的焊接接头的设计和施工中，尽量减少焊接残余应力。

上述两个层次，第一是宏观的战略地位，第二是微观的战术地位。钢结构焊接工程对设计和施工而言，都超出常规，需要战略和战术两方面的紧密结合才能成功，因此形成了特殊钢结构控制应力应变的第一难关，带来了两方面的特色思想和技术。

2.1减少焊缝的数量和尺寸以及应力均匀

根据焊接残余应力与焊缝的截面积成正比、与建筑钢结构体系的钢度（板厚）成反比的技术观点，减少焊缝的数量和尺寸就是直接减少焊接残余应力，这是具有战略意义的，或者说这是宏观控制焊接残余应力。

（1）在设计建筑钢结构体系中，设计的首要任务就是准确地分清工作焊缝和联系焊缝。工作焊缝坡口设计时要求全熔透，而联系焊缝采用角焊缝或局部焊透焊缝；这样可大幅度地减少焊缝截面积，也就降低了焊接残余应力。

（2）坡口的尺寸是战术动作，也可以说微观控制应力应变。建议为300～350 mm加8 mm（V型坡口，间隙为8 mm加衬垫）。

（3）对接焊缝清根应力均衡坡口设计。

为使焊接接头焊接残余应力均匀，无论是工作焊缝或是联系焊缝，尽可能做到板材中心两边焊缝成型系数（φ＝B/H；B为焊缝宽度，H为焊缝深度）基本相等，如图3所示。

图3　全熔透（CJP）坡口焊缝成形系数控制

图3坡口突破原标准图集两边不等宽的错误设计（即无论板厚薄，一律采用大面45°，小面60°两边宽窄不一的坡口设计），而是采用投影和直尺丈量的方法保证板材两边坡口宽窄一致的设计。

具体做法是：在确定大面坡口后，由大面坡口向对岸投影（也可以用直尺在对岸量出等宽），然后连上大面坡口的顶端；这类坡口是专门为全熔透碳弧气刨工艺设计的。焊接过程中，大面焊完后，小面碳弧气刨焊根到板的中心（允许刨到中心或稍微超过中心线一点，按照大部分焊工的技术水平都能实现），然后焊接，这样焊接接头两边的宽度和深度几乎相等，焊缝成形系数φ也基本相等，即φ1≈φ2；与原来宽窄不一的设计相比，板材两边的焊接残余应力因此相对均匀；图中T型焊缝同理。如果一个钢结构焊接工程每条焊缝都是均匀的，那么焊接残余应力对结构体系的影响就大大降低。

2.2工程案例：广州西塔钢管的斜对接焊缝形式设计

为保证节点的整体动载性能，并尽可能减小焊接熔敷量，优先采用不加设焊接垫板的X型坡口焊缝，尽可能减小坡口角度，以减小焊接热输入，如图4所示，β＞35°。确保钢管外侧坡口宽度等于内侧35°坡口宽度，以保证在碳弧气刨刨根后两侧焊缝系数基本相等，从而保证构件的制作精度及焊接残余应力相对均匀；β角通过钢管厚度相等的两条平行线，在35°侧坡口边投影，在投影点同外侧板的垂直线上确定。

图4　投影法清根坡口

全熔透焊缝最理想的形式就是采用X形对称坡口，采用单面焊双面成形技术，可保证焊接质量，提高工效，降低成本。

2.3部分熔透焊缝的设计

图5坡口设计为等强度焊接接头（Q345试件试验结果是：拉伸强度与母材相等，断在母材上），是为重要联系焊缝设计。

现行国家标准《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》GB/T 985.1和《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》GB/T 986中规定了坡口的通用形式，其中坡口部分尺寸均给出了一个范围，并无确切的组合尺寸；GB/T 985.1中板厚40 mm以上、GB 986/T中板厚60 mm以上均规定采用U形坡口，且没有焊接位置规定及坡口尺寸及装配允差规定。总的来说，上述两个标准比较适合于使用焊接变位器等工装设备及坡口加工、组装要求较高的产品，如机械行业中的焊接加工，对钢结构制作的焊接施工则不尽适合，尤其不适合于钢结构工地安装中各种钢材厚度和焊接位置的需要。目前大型、大跨度、超高层建筑钢结构多由国内进行施工图设计，GB50661规范中将坡口形式和尺寸的规定与国际先进标准接轨十分必要。美国与日本标准中全焊透焊缝坡口的规定差异不大，部分焊透焊缝坡口的规定有些差异。美国《钢结构焊接规范》AWS D1.1中对部分焊透焊缝坡口的最小焊缝尺寸规定值较小，工程中很少应用。日本建筑施工标准规范《钢结构工程》JASS 6（96年版）所列的日本钢结构协会《焊缝坡口标准》JSSI 03（92年底版）中，对部分焊透焊缝规定最小坡口深度为为板厚）。实际上日本和美国的焊缝坡口形式标准在国际和国内均已广泛应用。GB50661规范参考了日本标准的分类排列方式，综合选用美、日两国标准的内容，制订了三种常用焊接方法的标准焊缝坡口形式和尺寸。

图5　部分熔透坡口（PJP）焊缝成型系数控制

此外，为了所谓结构安全而对焊缝几何尺寸要求宁大勿小这种做法是不正确的，其结果适得其反，不论设计、施工或监理各方都要走出这一概念上的误区。

[1]GB50661《钢结构焊接技术规范》[S].

[2]陈伯蠡.焊接工程缺欠分折与对策[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]戴为志，刘景凤.建筑钢结构焊接技术-“鸟巢”焊接工程实践[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]戴为志，高良.钢结构焊接技术培训教程[M].北京：化学工业出版社，2008.

[5]尹士科.焊接材料实用基础知识[M].北京：化学工业出版社，2015.

Basic elements of welding stress and strain control of building steel structure

GAO Liang，GAO Lingli
（Zhejiang Jinggong Steel Structure Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China）

Building steel structure system is a"monster"，there are thousands of tons of steel volumes for a steel structure welding engineering at least，more than tens of thousands of tons to tens of tons;at the same time building steel structure system is a complete organic system，under dead weight and alternatingload ofnature.Complexstructural systemis not only a model and adopting the newlarge size steel，but also the structure ofthe tower.Natural conditions change，the construction steel structure system stress is different from other structures，the state is very complex for the surface stress analysis of Yin and Yang.The same section and component material，at the same time under different load，and the ever-changing complex heavy load is all shared by construction steel structure welding seam，therefore，weld is the key;especially the system of the welding stress and strain control has become the focus of academic debate at present.Guided bythe weldingapplication technologytheory,based on engineering practice,construction steel structure welding stress and strain control is brieflyanalyzed.

welding stress；welding strain；building steel structure system

TG404

B

1001－2303（2016）05－0082-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.18

2016-02-06

高良(1981—)，男，高级工程师，主要从事焊接技术及管理工作。