要树立“最复杂焊接体系是建筑钢结构体系”的观点

要树立“最复杂焊接体系是建筑钢结构体系”的观点发布时间:2014-12-16 18:34 来源:中国工程建设焊接协会 作者:戴为志 点击:149次 责任编辑：admin 问题的提出： 这是一个突破一般对焊接结构复杂性认识的观点，也是一个我宣传多年而不得要领的观点，致今为止可能还有很多人不同意我的观点。不过，事实胜于雄辩，建筑钢结构的发展现状已经说明了一切！ 历史发展往往有惊人的相似之处，钢结构行业发展过程，和我国锅炉压力容器行业发展轨迹相似，已经进入到十分类似当年锅炉压力容器行业、从“无序状态”、问题积重难返的局面进入“法治”的转折期阶段。钢结构企业无论是市场竞争、工程质量、人员素质、,安全运营等方面，都存在不同程度的不足、缺陷和遗憾。目前在钢结构焊接工程中相继发生重大、恶性安全、质量事故，同时各地相继发现以焊缝裂纹为主的钢结构质量缺陷，足以说明钢结构行业也进入到“问题期”。于是也就有了我们谈论的社会基础。 我在讲课时，曾向学员们提出两个问题： 问题一：在以下8个行业里，哪个行业焊接技术最复杂？ 问题二：在以下8个行业里，哪个行业最不重视焊接技术？ 1、锅炉压力容器（含火电站）； 2、长输送管道； 3、机械制造（含工程机械）； 4、海洋石油平台； 5、造船行业（不含军工）； 6、化工行业； 7、建筑钢结构； 8、铁路钢桥。 学员们的回答五花八门，我的答案十分肯定：两个问题的答案只有一个，哪就是：建筑钢结构！ 我经历过压力容器、锅炉、管道、高炉、转炉以及稀奇古怪的建筑钢结构焊接工程，经过长期的分析观察，认为建筑钢结构有以下特点： 一、建筑钢结构体系复杂 建筑钢结构体系是一个完整有机的受力体系，承受自重和自然界的各种荷载。焊接是建筑钢结构的灵魂和生命，直接受到钢结构形式的影响甚至制约。实践证实：焊接是完成钢结构体系初始应力控制的宏观战略部署关键工序。因此、在复杂建筑钢结构体系中，控制焊接应力应变的技术路线必须是从焊接工序入手，根据不同的结构体系，采用不同的施工方法，不同的应力应变转换路径，进行宏观、微观钢结构体系应力应变控制。这是全面质量管理中“全过程管理”在钢结构焊接工程中的体现，同时也是设计和施工有机结合的高级景界，对焊接技术而言、无疑是责任重大，同时也是一大技术进步。 设计、制作、施工追求的钢结构系统理想的初始应力状态最终目标就是：安装和焊接所产生的应力应变完全符合设计的技术要求、并且最大程度的均匀化。因为钢结构系统的初始应力是直接涉及结构安全与否的重要指标，这一观念逐渐被工程界认识和接受，并开始系统研究。 然而，这是一件十分艰难的工作，因为钢结构体系的初始应力目前暂时不能大面积的定量分析，并且系统初始应力的形成和大小，在设计完成的前提下，100取决于施工方法，这就是建筑钢结构与其他结构的区别和特点，是一个涉及面很大的动态过程，控制系统应力应变有很大的难度。因此，应根据设计的技术指标，在工程中按照建筑钢结构系统形成的路经来控制钢结构焊接工程的初始应力。 建筑钢结构系统形成的过程是：钢结构体系逐渐形成，其力系也逐渐变化：具体地讲：是以零件逐渐形成部件，再过渡到局部稳定结构（工程中称：吊装单元），再由多个局部稳定结构，通过合龙工序、过渡成带有临时支撑的封闭稳定系统，在此基础上通过对支撑塔架卸载形成自承重钢结构体系，实现钢结构体系全部力系转换，形成最终的建筑钢结构体系的初始应力状态。 一般说来：不同的类别（不同截面、不同型号、类别钢材）的钢结构有不同的施工方法，就是在相同类别的系统中，也存在不同的施工方法，实践证实：在相同的钢结构类别中，不同的施工方法会使系统从零件到部件，从部件转换成局部稳定系统并通过合龙、卸载形成封闭稳定自承重钢结构体系的路，径不同，因此、所获得的应力应变结果也不一致，甚至有很大的差异。 结构刚度是随着结构的建造过程逐步形成的，荷载也是分步作用在刚度逐步形成的结构上，如果内力分布与将全部荷载一次性施加在最终成形结构上，与逐步加载的方法相比较：系统受力结果有一定的差异，对于超高层钢结构，这一差异会比较显著。对于大跨度和复杂空间钢结构，特别是非线性效应明显的索结构和预应力钢结构，不同的结构安装方式（特别是不同的焊接工艺）会导致结构刚度形成的条件和程度的不同，进而影响结构最终成形时的内力和变形。因此、要求在建筑钢结构的设计阶段结构分析中，应充分考虑这些因素，必要时进行施工（焊接）模拟分析，因此，结构和焊接专业应充分结合，相辅相成，单打独斗，不可能达到和实现建筑钢结构体系初始应力的理想景界。 对建筑钢结构系统而言：初始应力状态扑朔迷离，即有安装应力、温差引起的应力，又有焊接残余应力，组成和分布十分复杂，定量分析十分困难。由于建筑钢结构体系中存在数千个节点，对每个节点都进行有限元分析是不现实的，大面积的定量计算也是很难作到的，比如说：由于太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在相关规范中并没有明确提及，可以参考的经验较少，因此温度应力计算采用的各种参数、室外风速取值很难确定。此外，漫反射、空气流动性差等影响因素，在各类构件热传导计算边界条件中考虑比较困难，目前只能根据工程经验确定，但有一点可以肯定：施工过程中制定有效的具备全面质量管理思想和技巧的焊接方案并深层次运行，以控制结构体系的焊接应力应变，完全有可能实现建筑钢结构系统的最佳初始应力状态。二、建筑钢结构工序最复杂 建筑钢结构行业的主要工作流程是：1、钢结构设计；2、钢结构详图（深化）设计；3、钢结构使用钢材的复检；4、钢结构使用焊材的复检；5、焊接工艺评定（PQR）；6、焊接专项方案编制（WPS）；7、钢结构号料放样（传统和计算机辅助CAM下料工艺）；8、钢结构下料；9、钢结构组装；10、钢结构焊接（在焊接阶段之后进行质量检查和NDT）；11、钢结构的一次涂装；12、钢结构拼装；13、钢结构安装；14、钢结构安装阶段的焊接（在焊接阶段之后进行质量检查和NDT）；15、钢结构二次涂装。 从钢结构设计开始，焊接应用技术贯穿上述13个阶段（钢结构的涂装可以除外），钢材（新钢种）焊接性试验尽管十分重要，由于工作量不大，涉及面小，因此没有排在主要工艺流程中，焊接工艺评定是相当重要的，具有质量否决权的重要环节。这些流程远比一般其他钢结构体系复杂。除此之外，建筑钢结构尚有两个特殊工序：“合龙”、“卸载”是均化系统应力应变的关键工序。 在建筑钢结构宏观力系的转换中，采由用科学合理的“合龙”、“卸载”方案，能够有效实现力系转換的平稳过渡，最大程度均衡焊接残余应力。在我们的工程实践中，经常听到的、见到的是桥梁合龙，拦河大坝合龙。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程第一次提出建筑钢结构焊接工程的合龙观念，在2006年9月17日钢结构支撑塔架卸载成功以后，从理论和工程实体上都为建筑钢结构合龙提出了新的课题，也可以说是提出了挑战。这是因为“合龙”观念的提出，意味着钢结构体系开始重视初始应力的研究，将会开辟一个新的技术领域，将会有更新更多的工作，将会碰到和解决更多的难题。 钢结构焊接工程的初始应力应变的指标，应当成为钢结构焊接工程重要的质量控制指标，钢结构整体合龙就是结构整体安全运营的关键工序。 1、合龙及合龙焊缝定义 建筑钢结构在初始温度的条件下，从分散的带临时约束体系到封闭稳定结构的结构体系转换过程叫合龙；使之成为封闭稳定结构的焊缝叫合龙焊缝。 2、钢结构体系转换后的特点 体系的刚性明显增加；安全稳定性明显增加。 合龙后的钢结构体系临时约束一起形成了钢结构体系的一次初始应力。 合龙完成后的钢结构体系经过卸载工序之后，钢结构体系再次转换为自承重体系，一次初始应力进行二次分配，形成钢结构系统真正的初始应力状态。 3、合龙温度的确定原则 合龙时，构件平均温度即为合龙温度，合龙温度就是钢结构在合龙过程中的初始平均温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点。也称安装校准温度,其确定原则如下： 确定结构合龙温度时，首先考虑当地的气象条件，应使合龙温度接近平均气温，也就是可进行施工的天数所占的比例最大气温。 合龙温度应尽量设置在结构可能达到极限最高最低温度之间，使结构受温度影响最合理，使日照形成的温差应力。 确定合龙温度应充分考虑施工中的不确定因素，预留一定温度的允许偏差，作调整用。 4、合龙温度监测的必要性 钢结构的温度是由周围环境所决定的，是太阳辐射、空气流动、环境温度等多种因素共同作用的结果。钢结构的构件温度与周围的环境温度是有差别的，存在滞后性，在一些特殊条件下，存在钢构件温度比环境温度高的可能性。同时，对于国家体育场如此大体量的空间钢结构工程，各部位的钢结构温度也会存在差别。因此，不能简单的通过环境温度的测量而得到钢构件的温度，必须使用专门的测量设备对钢构件进行直接的温度测量。 温度监测主要有3个目的： 测量钢结构各部位的本体温度及主要位置的大气温度、湿度，以判断钢结构温度的滞后时间效应，并由此建立钢结构本体温度与大气温度、湿度及天气预报之间的关系，通过天气预报资料和设计确定的合龙温度确定初步的合龙时间，以便组织合龙工作。 根据钢结构各部位的本体温度的分布情况，确定合龙温度测量基准点，确保合龙温度的可操作性和准确性。 根据钢结构本体温度的变化情况，确定最适宜的合龙时间段，保证合龙质量和合龙工作的有序进行。 事实上，钢结构系统的合龙过程是整个系统一次初始应力的形成过程。真正形成钢结构系统初始应力的工序是卸载，带有临时支撑的钢结构稳定系统，转换成自承重稳定系统的过程叫卸载。卸载是对钢结构系统焊缝质量的最终检验，同时形成