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第9章 钢结构工程
钢结构连接施工
1.钢结构连接要求
采用一定方式将各个杆件连成整体。杆件间要保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求；连接部位应具有设计规定的静力强度和疲劳强度。连接是钢结构设计和施工中的重要环节。
2.钢结构连接方法
焊接、铆接、普通螺栓（A级、B级和C级）连接和高强螺栓连接等，目前应用最多的是焊接和高强螺栓连接。
广州电视塔外筒 南京大胜关长江大桥
钢结构焊接施工 高强螺栓连接施工
铆接连接
一、焊接施工
1. 连接方法选择
焊接的类型 特点 适用范围
电弧焊 手工焊 交流焊机 利用焊条与焊件之间产生的电弧热焊接，设备简单，操作灵活，可进行各种位置的焊接，是建筑工地应用最广泛的焊接方法 焊接普通钢结构
直流焊机 焊接技术与交流焊机相同，成本比交流焊机高，但焊接时电弧稳定 焊接要求较高的钢结构
埋弧自动焊 利用埋在焊剂层下的电弧热焊接，效率高，质量好，操作技术要求低，劳动条件好，是大型构件制作中应用最广的高效焊接方法 焊接长度较大的对接、贴角焊缝，一般是有规律的直焊缝
半自动焊 与埋弧自动焊基本相同，操作灵活，但使用不够方便 焊接较短的或弯曲的对接、贴角焊缝
CO2气体保护焊 用CO2或惰性气体保护的实芯焊丝 或药芯焊接，设备简单，操作简便，焊接效率高，质量好 用于构件长焊缝的自动焊
电渣焊 利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热焊接，能焊大厚度焊缝 用于箱型梁及柱隔板与面板全焊透连接
2.焊接工艺总体要求
（1）焊接工艺设计：确定焊接方式、焊接参数及焊条、焊丝、焊剂规格型号等。
（2）焊条烘烤：焊条和粉芯焊丝使用前必须按质量要求烘焙。酸性焊条烘培温度为75～150℃，时间为1～2h。碱性低氢型焊条烘焙温度为350～400℃，时间为1～2h，烘干的焊条应放在100～150℃保温箱内随用随取。低氢型焊条一般在常温下超过4h应重新烘焙，重复烘焙次数不宜超过3次。
（3）定位点焊：点焊长度、厚度应由计算确定。电流要比正式焊接提高10%～15%，定位点焊位置应尽量避开构件端部、边角等应力集中的地方。
（4）焊前预热：预热可降低热影响区冷却速度，防止焊接延迟裂纹的产生。预热区在焊缝两侧，每侧宽度均应大于焊件厚度的1.5倍以上，且不应小于100mm。
（5）焊接顺序确定：一般从焊件中心开始向四周扩展；先焊收缩量大焊缝，后焊收缩量小焊缝；尽量对称施焊；焊缝相交时，先焊纵向焊缝，待冷却至常温后，再焊横向焊缝；钢板较厚时分层施焊。
（6）焊后热处理：对焊缝进行消氢处理，以防止冷裂纹的产生。焊后热处理应在焊后立即进行。消氢处理加热温度应为200～250℃，保温时间应根据板厚按每25mm板厚不小于0.5h、且总保温时间不得小于1h确定。随后应缓冷至常温。可采用散发式火焰枪进行。
3.钢结构焊接施工工艺
（1）药皮焊条手工电弧焊施工工艺
① 药皮焊条手工电弧焊原理：在涂有药皮的金属电极与焊件之间施加一定电压时，由于电极的强烈放电,而使气体电离产生焊接电弧。电弧高温足以使焊条和工件局部熔化，形成气体、熔渣和熔池，气体和熔渣对熔池起保护作用，同时，熔渣在与熔池金属起冶金反应后凝固成为焊渣，熔池凝固后成为焊缝，固态焊渣则覆盖于焊缝金属表面。药皮焊条手工电弧焊依靠人工移动焊条实现电弧前移完成连续的焊接。
② 手工电弧焊接电源（分类）
按电流可分为：交流、直流，以及交直流两用。交流弧焊机又可分为动铁式、动圈式和抽头式。直流弧焊机主要有硅整流式和逆变整流式。
按其使用方式分类有单站式和多站式。
单站式为一机供一个操作岗位。
多站式为一机供多个操作岗位。
③ 焊条及其组成
涂有药皮的供手工弧焊用的熔化电极称为焊条。焊条由药皮和焊芯两部分组成。
焊芯焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。
焊芯作用是传导焊接电流产生电弧，同时焊芯熔化后形成焊缝中的填充金属。
焊条直径是指焊芯直径，不包括药皮的厚度。
药皮涂敷在焊芯表面上的涂料层称为焊条药皮。
按照药皮的类型可分为：钛钙型和低氢钠型。
焊条药皮主要作用有：
·保护作用：焊接过程中药皮中的物质如有机物、碳酸盐等受热而分解出气体、形成熔渣，起到气体保护或熔渣保护作用，使熔滴和熔池金属免受有害气体影响。
·冶金作用：药皮同焊芯配合，通过冶金反应实现脱氧、去氢、去除硫、磷等杂质或渗入需要的合金元素。
·改善焊接工艺性能：通过焊条药皮不同物质的配方设计，来提高焊条的焊接工艺性能，如稳定电弧、减少飞溅、改善脱渣和焊缝成形，以及提高熔敷效率等。
④ 焊接材料选用的原则
·等强度原则：是所选用焊条熔敷金属的抗拉强度与被焊母材金属的抗拉强度相等或相近。
·等韧性原则：指所选用焊条熔敷金属的韧性与焊母材金属的韧性相等或相近。当焊接结构的破坏不是强度不够，而是韧性不足导致脆断。
·等成分原则：指选用的焊条熔敷金属的化学成分符合或接近母材金属。
·工作条件相近原则：使用条件相近、腐蚀条件相近、磨损条件相近、工作温度相近、结构形状相近
⑤ 焊接工艺参数
·电源极性：工件接正极称为正极性（或正接），工件接负极称为反极性（或反接），一般药皮焊条直流反接可获得稳定的焊接电弧。
·弧长与焊接电压：弧长增大，电压升高，使焊缝宽度增大，熔深减小。
·焊接电流：焊接电流大则焊缝熔深大，易得到凸起的表面堆高，反之则熔深浅。
·焊接速度：焊接速度太小时，母材易过热变脆。
·运条方式：有直线形式及横向摆动式；横向摆动式还分螺旋形、月牙形、锯齿形、八字形等。
·焊接层次：
焊接层数——视焊件的厚度而定。除薄板外，一般都采用多层焊。每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利影响，施工中每层焊缝的厚度不应大于4～5mm。
多层焊的焊缝和焊接顺序
有平焊、立焊、横焊和仰焊四种。平焊易操作，劳动条 件好,生产率高，焊缝
质量易保证。立焊、
横焊和仰焊时施焊
困难，应尽量避免。
焊缝的空间位置
焊缝的空间位置
⑥ 焊缝缺陷产生原因及防止措施
缺陷类别 原因 改进、防止措施
气孔 焊条未烘干或烘干温度、时间不足；焊口潮湿、有锈、油污等；弧长太大，电压过高 按焊条使用说明的要求烘干；用钢丝刷和布清理干净，必要时用火焰烤；减少弧长
夹渣 电流太小、熔池温度不够，渣不易浮出 加大电流
咬边 电流太大 减少电流
熔宽太大 电压过高 减小电压
未熔透 电流太小 加大电流
焊瘤 电流太小 加大电流
焊缝表面 凸起太大 电流太大、焊速太慢 加快焊速
表面波纹粗 焊速太快 减慢焊速
（2）埋弧焊
①埋弧焊（SAW）原理
利用电弧热作为熔化金属的热源，熔渣是由覆盖在焊接坡口区的焊剂形成的。当焊丝与母材之间施加电压并互相接触引燃电弧后，电弧热将焊丝端部及电弧区周围的焊剂及母材熔化，形成金属熔滴、熔池及熔渣。金属熔池受到浮于表面的熔渣和焊剂蒸汽的保护，而避免氮、氢、氧有害气体的侵入。随着焊丝向焊接坡口前方移动，熔池冷却凝固后形成焊缝，熔渣冷却后形成渣壳。
②埋弧焊特点
·热效率较高，电流密度和熔深大，减少了坡口尺寸及填充金属量。
·热输入大、冷却速度慢、熔池存在时间长，使冶金反应充分，各种有害气体能及时逸出，避免气孔产生，也减少了冷裂纹敏感性。
·埋弧焊不见弧光及飞溅，操作条件好。
·焊剂保护方式使焊接位置一般限于平焊。
·一般要求坡口加工精度稍高，或需要加导向装置。
·大多数应用于自动焊。
③埋弧焊设备
交、直流焊接电源、焊接小车、药盒 和电缆等组成。
④埋弧焊用焊剂
·按制作方法分:熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊剂。
·按化学成分:以焊剂中SiO2、MnO 和CaF2含量分类。
·按焊剂碱度分:碱性、酸性和中性焊剂。
⑤ 埋弧焊用焊丝
有碳锰钢、锰硅钢、锰钼钢和锰钒钢。
⑥ 埋弧焊焊剂和焊丝的组合
焊剂和焊丝选配原则：根据《钢制压力容器焊接工艺评定》JB 4708-2000的规定，焊丝和焊剂的不同组合可获得不同成分或性能的熔敷金属。
⑦ 埋弧焊焊接工艺参数
影响焊缝成形和质量的因素有：焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝直径、焊丝倾斜角度、焊丝数目和排列方式、焊剂粒度和堆放高度。
前面五项影响因素影响与其他电弧焊接方法相似，仅影响程度不同。
最后三项因素影响是埋弧焊所特有的。
⑧ 埋弧焊焊缝缺陷产生原因及防止措施
埋弧焊缝常见缺陷种类及防止措施，除了与手工电弧焊时相似的情况以外，还有一些不同情况，具体的缺陷产生原因及防止措施见表9-5。
埋弧自动焊的焊接过程 埋弧自动焊机
电脑自动埋弧焊生产线
埋弧焊时焊缝的形成
（3）CO2气体保护焊
① 气体保护焊分类及原理
包括:钨极氩弧焊（TIG）和熔化极气体保护焊。
钨极氩弧焊是利用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为电极（不熔化极），在惰性气体保护下，电极与焊件间产生电弧热熔化母材和填充金属的焊接方法。
熔化极气体保护焊（GMAW）是采用可熔化的焊丝（熔化电极）与焊件间的电弧热熔化焊丝与母材金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化焊丝、熔池及附近的母材金属免受空气的有害作用。
② CO2气体保护电弧焊原理
用喷枪喷出CO2气体作为电弧焊的保护介质，使熔化金属与空气隔绝，以保持焊接过程的稳定。由于焊接时没有焊剂产生的熔渣，故便于观察焊缝的成型过程，但操作时需在室内避风处，在工地操作则需搭设防风棚。
③ CO2气体保护焊分类
按焊丝分类有实芯焊丝CO2气体保护焊（GMAW）和药芯焊丝CO2气体保护焊（FCAW）。
按保护气体性质分类有纯CO2气体保护焊和Ar+ CO2混合气体保护焊。
④ CO2气体保护焊特点
不仅适合于构件长焊缝的自动焊，也适用于半自动焊接短焊缝。
焊缝熔深比手工电弧焊大，焊接效率高。
母材加热较集中，热影响区较小，相应变形及残余力较小。
因明弧作业，工件坡口形状可见，便于电弧对准待焊部位。
用实芯焊丝时基本无熔渣，用药芯焊丝时熔渣很薄，易于清除。
⑤ CO2气体保护焊设备 （选择内容）
由焊接电源、送丝机两大部分和气瓶、流量计及预热器、焊枪、电缆等附件组成。
⑥ CO2气体保护焊工艺
焊接电流和电压。
CO2+Ar混合气配比。
保护气流量。
导电嘴与焊丝端头距离。
焊距与工件的距离。
电源极性。
焊接速度。
CO2气体纯度。
逆变CO2气体保护焊机 CO2气体保护焊
CO2气体保护焊丝
二、高强度螺栓连接施工
高强度螺栓从外形上可分为大六角头高强度螺栓（即扭矩型高强度螺栓）和扭剪型高强度螺栓两种。
扭剪型高强螺栓 大六角头高强螺栓
一个连接副为一个螺栓、一个螺母和二个垫圈
一个连接副为一个螺栓、
一个螺母和一个垫圈
1.一般要求
必须有出厂质量保证书。使用前，应按有关规定对高强度螺栓的各项性能进行检验。
注意储存。在安装前严禁任意开箱。
材料领取与现场使用要求。
摩擦面处理方法。
不得用高强度螺栓兼作临时螺栓，以防损伤螺纹引起扭矩系数的变化。
安装高强度螺栓时，严禁强行穿入螺栓。
接头摩擦面清洁，并不得在雨天进行安装。
使用定扭矩扳子紧固高强度螺栓时，每天上班前应对定扭矩扳子进行校核。
2.摩擦面加工
摩擦面处理一般有：喷砂、喷丸、酸洗、砂轮打磨和钢丝刷清除等方法，可根据条件选择加工方法。
（1）喷砂（丸）：选用干燥的石英砂，粒径1.5～4.0mm，风压0.4～0.6N／mm2，喷嘴直径10mm，喷嘴距离钢材表面100～150mm进行喷射。但由于喷砂对空气的污染严重，在城区不允许使用。目前推广采用的磨料是钢丸。
（2）酸洗加工：利用浓度为18%硫酸，内加少量硫脲，温度70～80℃，停留30～40min。用石灰水中和，温度60℃左右，钢材放入停留1～2min提起，再继续放入1～2min出槽。清洗时水温60℃左右，清洗2～3次，用PH试纸检验中和清洗程度。
（3）砂轮打磨：用手提式电动砂轮进行打磨，打磨范围不应小于螺栓孔径的4倍，打磨方向应与构件受力方向垂直。砂轮打磨时，注意不应在钢材表面磨出明显的凹坑。
（4）钢丝刷清除：利用钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面，仅适用于全面地覆盖着氧化薄钢板或有轻微浮锈的钢材表面和抗滑移系数较低的连接面。喷砂后生赤锈的处理此方法效果良好，但要遵守有关施工规程，严格掌握赤锈程度，安装前应清除浮锈。
3.安装工艺
应从螺栓群中部开始安装，向四周扩展，逐个拧紧。扭矩型高强度螺栓的初拧、复拧、终拧。
有高强度螺栓连接又有焊接连接时，宜按先栓后焊的方式施工。
应自由穿入螺栓孔内，当板层发生错孔时，允许用铰刀扩孔。扩孔时，铁屑不得掉入板层间。扩孔数量不得超过一个接头螺栓的1/3，扩孔后的孔径不应大于1.2d（d为螺栓直径）。严禁使用气割进行高强度螺栓孔的扩孔。
一个接头多个高强度螺栓穿入方向应一致。螺母和垫圈不得装反。
高强度螺栓连接副在终拧以后，螺栓丝扣外露应为2～3扣。
4.紧固方法
（1）大六角头高强度螺栓连接副紧固
扭矩法
使用直接显示扭矩值的专用扳手，分初拧和终拧二次拧紧。对于大型节点应分为初拧、复拧、终拧。初拧扭矩为施工扭矩50%，复拧力矩等于初拧力矩。其目的是通过初拧，使接头各层钢板达到充分密贴；终拧扭矩把螺栓拧紧。每次拧紧都应用不同颜色在螺母上涂上标记。
转角法
根据螺母旋转角度与螺栓预拉力成正比的关系确定的一种方法。操作时分初拧和终拧两次施拧。初拧用短扳手将螺母拧至使构件靠拢，并作标记。终拧用长扳手将螺母从标记位置拧至规定终拧位置。转动角度大小在施工前由试验确定。
（2）扭剪型高强度螺栓紧固
扭剪型高强度螺栓有一特制尾部，拧断尾部后即达相应的扭矩值。一般用定扭矩扳手初拧，用专用电动扳手终拧。
螺栓紧固必须从中心开始，对称施拧；大型接头采用复拧，即“两次紧固法”。
南京大胜关长江大桥高强螺栓终拧
手动扭矩扳手：高强螺栓以手动紧固时，要使用有示明扭矩值的扳手施拧，以达到高强螺栓连接副规定的扭矩和剪力值。常用的手动扭矩扳手有指针式、音响式和扭剪型三种。
高强螺栓施工扳手
响声式扭矩扳手
德国Wera可调控扭力扳手
手动扭矩扳手
电动扳手
定扭矩、定转角电动扳手适用于大六角头高强螺栓的紧固，可自动控制扭矩和转角，适用于钢结构桥梁、厂房建设安装大六角头高强螺栓施工的初拧、终拧和扭剪型高强螺栓的初拧。
扭剪型电动扳手适用于扭剪型高强度螺栓的终拧紧固，常用的扭剪型电动扳手有6922型和6924型两种。
6924扭剪扳手 电动扭剪扳手
定扭矩电动扳手
高强螺栓施工扳手实物图
（C）响声式扭矩扳手
（a）数字显示式扭力板手
（b）指针式扭力板手
（d）电动式扭力板手
（3）防松处理
①垫放弹簧垫圈:在螺母下面垫一开口弹簧垫圈，螺母紧固后沿轴向产生弹性压力，可起到防松作用。为防止开口垫圈损伤构件，可在开口垫圈下垫一平垫圈。
②副螺母防松：紧固后的螺母上面，增加一个副螺母，使两螺母之间产生轴向压力，并增加螺栓、螺母凸凹螺纹的咬合自锁长度；螺栓应伸出副螺母外长度不少于2扣螺纹。
③不可拆的永久防松：将螺母紧固后，用电焊将螺母与螺栓或将螺母与构件点焊；另一做法：螺母紧固后，用尖锤或钢冲对称点铆3～4处，使螺栓的螺纹被铆成乱丝呈凹陷，阻止螺母旋转，起到防松作用。
三、钢结构连接质量验收
1.焊缝质量检查
钢结构焊缝质量方法：外观检查、超声波检查、射线探伤检查、浸渗探伤检查、磁粉探伤检查等。
2.高强度螺栓连接副终拧检查
大六角头高强度螺栓连接副应在完成lh后，48h内进行终拧扭矩检查。
扭剪型高强度螺栓连接副终拧检查是以拧掉梅花头为标志。

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