要樹立“最復(fù)雜焊接體系是建筑鋼結(jié)構(gòu)體系”的觀點(diǎn)

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問題的提出：

這是一個(gè)突破一般對(duì)焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜性認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)，也是一個(gè)我宣傳多年而不得要領(lǐng)的觀點(diǎn)，致今為止可能還有很多人不同意我的觀點(diǎn)。不過，事實(shí)勝于雄辯，建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀已經(jīng)說明了一切！

歷史發(fā)展往往有驚人的相似之處，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展過程，和我國(guó)鍋爐壓力容器行業(yè)發(fā)展軌跡相似，已經(jīng)進(jìn)入到十分類似當(dāng)年鍋爐壓力容器行業(yè)、從“無序狀態(tài)”、問題積重難返的局面進(jìn)入“法治”的轉(zhuǎn)折期階段。鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)無論是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、工程質(zhì)量、人員素質(zhì)、,安全運(yùn)營(yíng)等方面，都存在不同程度的不足、缺陷和遺憾。目前在鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中相繼發(fā)生重大、惡性安全、質(zhì)量事故，同時(shí)各地相繼發(fā)現(xiàn)以焊縫裂紋為主的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷，足以說明鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)也進(jìn)入到“問題期”。于是也就有了我們談?wù)摰纳鐣?huì)基礎(chǔ)。

我在講課時(shí)，曾向?qū)W員們提出兩個(gè)問題：

問題一：在以下8個(gè)行業(yè)里，哪個(gè)行業(yè)焊接技術(shù)最復(fù)雜？

問題二：在以下8個(gè)行業(yè)里，哪個(gè)行業(yè)最不重視焊接技術(shù)？

1、鍋爐壓力容器（含火電站）；

2、長(zhǎng)輸送管道；

3、機(jī)械制造（含工程機(jī)械）；

4、海洋石油平臺(tái)；

5、造船行業(yè)（不含軍工）；

6、化工行業(yè)；

7、建筑鋼結(jié)構(gòu)；

8、鐵路鋼橋。

學(xué)員們的回答五花八門，我的答案十分肯定：兩個(gè)問題的答案只有一個(gè)，哪就是：建筑鋼結(jié)構(gòu)！

我經(jīng)歷過壓力容器、鍋爐、管道、高爐、轉(zhuǎn)爐以及稀奇古怪的建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程，經(jīng)過長(zhǎng)期的分析觀察，認(rèn)為建筑鋼結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

一、建筑鋼結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜

建筑鋼結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)完整有機(jī)的受力體系，承受自重和自然界的各種荷載。焊接是建筑鋼結(jié)構(gòu)的靈魂和生命，直接受到鋼結(jié)構(gòu)形式的影響甚至制約。實(shí)踐證實(shí)：焊接是完成鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力控制的宏觀戰(zhàn)略部署關(guān)鍵工序。因此、在復(fù)雜建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中，控制焊接應(yīng)力應(yīng)變的技術(shù)路線必須是從焊接工序入手，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)體系，采用不同的施工方法，不同的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換路徑，進(jìn)行宏觀、微觀鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力應(yīng)變控制。這是全面質(zhì)量管理中“全過程管理”在鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的體現(xiàn)，同時(shí)也是設(shè)計(jì)和施工有機(jī)結(jié)合的高級(jí)景界，對(duì)焊接技術(shù)而言、無疑是責(zé)任重大，同時(shí)也是一大技術(shù)進(jìn)步。

設(shè)計(jì)、制作、施工追求的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理想的初始應(yīng)力狀態(tài)最終目標(biāo)就是：安裝和焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變完全符合設(shè)計(jì)的技術(shù)要求、并且最大程度的均勻化。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)的初始應(yīng)力是直接涉及結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)，這一觀念逐漸被工程界認(rèn)識(shí)和接受，并開始系統(tǒng)研究。

然而，這是一件十分艱難的工作，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力目前暫時(shí)不能大面積的定量分析，并且系統(tǒng)初始應(yīng)力的形成和大小，在設(shè)計(jì)完成的前提下，100％取決于施工方法，這就是建筑鋼結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)的區(qū)別和特點(diǎn)，是一個(gè)涉及面很大的動(dòng)態(tài)過程，控制系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變有很大的難度。因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，在工程中按照建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形成的路經(jīng)來控制鋼結(jié)構(gòu)焊接工程的初始應(yīng)力。

建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形成的過程是：鋼結(jié)構(gòu)體系逐漸形成，其力系也逐漸變化：具體地講：是以零件逐漸形成部件，再過渡到局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（工程中稱：吊裝單元），再由多個(gè)局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過合龍工序、過渡成帶有臨時(shí)支撐的封閉穩(wěn)定系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上通過對(duì)支撐塔架卸載形成自承重鋼結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)體系全部力系轉(zhuǎn)換，形成最終的建筑鋼結(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力狀態(tài)。

一般說來：不同的類別（不同截面、不同型號(hào)、類別鋼材）的鋼結(jié)構(gòu)有不同的施工方法，就是在相同類別的系統(tǒng)中，也存在不同的施工方法，實(shí)踐證實(shí)：在相同的鋼結(jié)構(gòu)類別中，不同的施工方法會(huì)使系統(tǒng)從零件到部件，從部件轉(zhuǎn)換成局部穩(wěn)定系統(tǒng)并通過合龍、卸載形成封閉穩(wěn)定自承重鋼結(jié)構(gòu)體系的路，徑不同，因此、所獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果也不一致，甚至有很大的差異。

結(jié)構(gòu)剛度是隨著結(jié)構(gòu)的建造過程逐步形成的，荷載也是分步作用在剛度逐步形成的結(jié)構(gòu)上，如果內(nèi)力分布與將全部荷載一次性施加在最終成形結(jié)構(gòu)上，與逐步加載的方法相比較：系統(tǒng)受力結(jié)果有一定的差異，對(duì)于超高層鋼結(jié)構(gòu)，這一差異會(huì)比較顯著。對(duì)于大跨度和復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)，特別是非線性效應(yīng)明顯的索結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)安裝方式（特別是不同的焊接工藝）會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度形成的條件和程度的不同，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)最終成形時(shí)的內(nèi)力和變形。因此、要求在建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)分析中，應(yīng)充分考慮這些因素，必要時(shí)進(jìn)行施工（焊接）模擬分析，因此，結(jié)構(gòu)和焊接專業(yè)應(yīng)充分結(jié)合，相輔相成，單打獨(dú)斗，不可能達(dá)到和實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力的理想景界。

對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言：初始應(yīng)力狀態(tài)撲朔迷離，即有安裝應(yīng)力、溫差引起的應(yīng)力，又有焊接殘余應(yīng)力，組成和分布十分復(fù)雜，定量分析十分困難。由于建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中存在數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行有限元分析是不現(xiàn)實(shí)的，大面積的定量計(jì)算也是很難作到的，比如說：由于太陽輻射照度引起結(jié)構(gòu)溫升的計(jì)算方法在相關(guān)規(guī)范中并沒有明確提及，可以參考的經(jīng)驗(yàn)較少，因此溫度應(yīng)力計(jì)算采用的各種參數(shù)、室外風(fēng)速取值很難確定。此外，漫反射、空氣流動(dòng)性差等影響因素，在各類構(gòu)件熱傳導(dǎo)計(jì)算邊界條件中考慮比較困難，目前只能根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，但有一點(diǎn)可以肯定：施工過程中制定有效的具備全面質(zhì)量管理思想和技巧的《焊接方案》并深層次運(yùn)行，以控制結(jié)構(gòu)體系的焊接應(yīng)力應(yīng)變，完全有可能實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最佳初始應(yīng)力狀態(tài)。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)工序最復(fù)雜

建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的主要工作流程是：1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、鋼結(jié)構(gòu)詳圖（深化）設(shè)計(jì)；3、鋼結(jié)構(gòu)使用鋼材的復(fù)檢；4、鋼結(jié)構(gòu)使用焊材的復(fù)檢；5、焊接工藝評(píng)定（PQR）；6、《焊接專項(xiàng)方案》編制（WPS）；7、鋼結(jié)構(gòu)號(hào)料放樣（傳統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助CAM下料工藝）；8、鋼結(jié)構(gòu)下料；9、鋼結(jié)構(gòu)組裝；10、鋼結(jié)構(gòu)焊接（在焊接階段之后進(jìn)行質(zhì)量檢查和NDT）；11、鋼結(jié)構(gòu)的一次涂裝；12、鋼結(jié)構(gòu)拼裝；13、鋼結(jié)構(gòu)安裝；14、鋼結(jié)構(gòu)安裝階段的焊接（在焊接階段之后進(jìn)行質(zhì)量檢查和NDT）；15、鋼結(jié)構(gòu)二次涂裝。

從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，焊接應(yīng)用技術(shù)貫穿上述13個(gè)階段（鋼結(jié)構(gòu)的涂裝可以除外），鋼材（新鋼種）焊接性試驗(yàn)盡管十分重要，由于工作量不大，涉及面小，因此沒有排在主要工藝流程中，焊接工藝評(píng)定是相當(dāng)重要的，具有質(zhì)量否決權(quán)的重要環(huán)節(jié)。這些流程遠(yuǎn)比一般其他鋼結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。除此之外，建筑鋼結(jié)構(gòu)尚有兩個(gè)特殊工序：“合龍”、“卸載”是均化系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)鍵工序。

在建筑鋼結(jié)構(gòu)宏觀力系的轉(zhuǎn)換中，采由用科學(xué)合理的“合龍”、“卸載”方案，能夠有效實(shí)現(xiàn)力系轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)過渡，最大程度均衡焊接殘余應(yīng)力。在我們的工程實(shí)踐中，經(jīng)常聽到的、見到的是橋梁合龍，攔河大壩合龍。國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程第一次提出建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程的合龍觀念，在2006年9月17日鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載成功以后，從理論和工程實(shí)體上都為建筑鋼結(jié)構(gòu)合龍?zhí)岢隽诵碌恼n題，也可以說是提出了挑戰(zhàn)。這是因?yàn)椤昂淆垺庇^念的提出，意味著鋼結(jié)構(gòu)體系開始重視初始應(yīng)力的研究，將會(huì)開辟一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，將會(huì)有更新更多的工作，將會(huì)碰到和解決更多的難題。

鋼結(jié)構(gòu)焊接工程的初始應(yīng)力應(yīng)變的指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)成為鋼結(jié)構(gòu)焊接工程重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，鋼結(jié)構(gòu)整體合龍就是結(jié)構(gòu)整體安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵工序。

1、合龍及合龍焊縫定義

建筑鋼結(jié)構(gòu)在初始溫度的條件下，從分散的帶臨時(shí)約束體系到封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程叫合龍；使之成為封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的焊縫叫合龍焊縫。

2、鋼結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后的特點(diǎn)

①體系的剛性明顯增加；安全穩(wěn)定性明顯增加。

②合龍后的鋼結(jié)構(gòu)體系臨時(shí)約束一起形成了鋼結(jié)構(gòu)體系的一次初始應(yīng)力。

③合龍完成后的鋼結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過卸載工序之后，鋼結(jié)構(gòu)體系再次轉(zhuǎn)換為自承重體系，一次初始應(yīng)力進(jìn)行二次分配，形成鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)真正的初始應(yīng)力狀態(tài)。

3、合龍溫度的確定原則

合龍時(shí)，構(gòu)件平均溫度即為合龍溫度，合龍溫度就是鋼結(jié)構(gòu)在合龍過程中的初始平均溫度，區(qū)別于大氣溫度，是結(jié)構(gòu)使用中溫度的基準(zhǔn)點(diǎn)。也稱安裝校準(zhǔn)溫度,其確定原則如下：

①確定結(jié)構(gòu)合龍溫度時(shí)，首先考慮當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，應(yīng)使合龍溫度接近平均氣溫，也就是可進(jìn)行施工的天數(shù)所占的比例最大氣溫。

②合龍溫度應(yīng)盡量設(shè)置在結(jié)構(gòu)可能達(dá)到極限最高最低溫度之間，使結(jié)構(gòu)受溫度影響最合理，使日照形成的溫差應(yīng)力。

③確定合龍溫度應(yīng)充分考慮施工中的不確定因素，預(yù)留一定溫度的允許偏差，作調(diào)整用。

4、合龍溫度監(jiān)測(cè)的必要性

鋼結(jié)構(gòu)的溫度是由周圍環(huán)境所決定的，是太陽輻射、空氣流動(dòng)、環(huán)境溫度等多種因素共同作用的結(jié)果。鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件溫度與周圍的環(huán)境溫度是有差別的，存在滯后性，在一些特殊條件下，存在鋼構(gòu)件溫度比環(huán)境溫度高的可能性。同時(shí)，對(duì)于國(guó)家體育場(chǎng)如此大體量的空間鋼結(jié)構(gòu)工程，各部位的鋼結(jié)構(gòu)溫度也會(huì)存在差別。因此，不能簡(jiǎn)單的通過環(huán)境溫度的測(cè)量而得到鋼構(gòu)件的溫度，必須使用專門的測(cè)量設(shè)備對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行直接的溫度測(cè)量。

溫度監(jiān)測(cè)主要有3個(gè)目的：

①

測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)各部位的本體溫度及主要位置的大氣溫度、濕度，以判斷鋼結(jié)構(gòu)溫度的滯后時(shí)間效應(yīng)，并由此建立鋼結(jié)構(gòu)本體溫度與大氣溫度、濕度及天氣預(yù)報(bào)之間的關(guān)系，通過天氣預(yù)報(bào)資料和設(shè)計(jì)確定的合龍溫度確定初步的合龍時(shí)間，以便組織合龍工作。

②

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)各部位的本體溫度的分布情況，確定合龍溫度測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，確保合龍溫度的可操作性和準(zhǔn)確性。

③

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度的變化情況，確定最適宜的合龍時(shí)間段，保證合龍質(zhì)量和合龍工作的有序進(jìn)行。

事實(shí)上，鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的合龍過程是整個(gè)系統(tǒng)一次初始應(yīng)力的形成過程。真正形成鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)初始應(yīng)力的工序是卸載，帶有臨時(shí)支撐的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成自承重穩(wěn)定系統(tǒng)的過程叫卸載。卸載是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)焊縫