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1、洛阳理工学院毕业设计（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 STRUCTURE WELD
2、ING 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 bear imp
3、act 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 trouble. St
4、eel 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 expansion and
5、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， StrengthIV目录中文摘要ABSTRAC
6、T目 录前言1第1章 钢结构的组成及发展3第2章 H型钢概述62.1 H型钢优点、适用范围62.1.1 H型钢的优点62.1.2 H型钢的适用范围62.2 H型钢的产品规格分类、表示方法72.3 H型钢结构对连接的要求72.4 H型钢生产方式72.5 H型钢生产工艺8第3章 H型钢结构焊接工艺及变形103.1 H型钢焊接工艺设计103.1.1 H型钢结构特点103.1.2 H型钢的制作要点103.1.3 焊接过程中的难点103.1.4 产生变形的原因113.2 焊接工艺分析113.2.1 熔透焊的难点113.2.2 焊接工艺方案113.2.3 焊接工艺方法123.2.4 焊接变形控制与矫正12
7、3.2.5 采取的预防方法和产生的效果13第4章 H型钢结构焊接应力与变形分析154.1 型钢焊接变形种类及影响因素154.2 型钢的应力与变形164.2.1 纵向残余应力x164.2.2 横向残余应力y174.2.3 厚度方向的残余应力z184.2.4 焊接应力与变形产生的原因184.2.5 焊接残余应力对焊接结构的影响204.2.6 控制措施21第5章 箱形柱产生的焊接变形及工艺控制措施225.1 箱形柱的结构特点225.2 焊接变形分类及其影响225.2.1 焊接残余变形的分类225.2.2 焊接残余变形对焊接结构的影响235.3 箱形柱焊接变形影响因素245.4 箱形柱常见焊接变形规律
8、分析255.4.1 箱形柱挠曲变形规律255.4.2 箱形柱焊接收缩变形27结 论32谢 辞33参考文献34附 录36外文资料翻译40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
9、发展也很迅速，1960 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
10、出。金属构件焊接时，焊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
11、温区域的材料受到周围温度较低、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
12、件不均匀的膨胀和收缩，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。3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。 钢结构住宅屋面系统是由屋架、结构OSB面板、防水层、轻型屋面瓦（金属或沥青瓦）组成的。 迈特建筑轻钢结构的屋面，外观可以有多种组合。材料也有多种。在保障了防水这一技术的前提下，外观有了许多的选择方案。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
13、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。1.2 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
14、能力为120万吨，市场需求量非常巨大。一 H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展H型钢由于截面经济合理、性能优越、加工制作和施工安装工艺简单、方便、快捷，成为建筑钢结构体系中重要的材料组成部分，从而被广泛应用于国民经济建设的各个领域，工业厂房，特别是重工业厂房中的承重框架梁、柱构件，如上海晶元芯片工厂两个月就用了几千吨；化工行业的大量管廊和罐体、塔体设备支架，冶金行业炼钢平台、高炉框架、厂房、轨道等，电厂的煤仓、汽机岛、输送长廊等等。陆地和海洋石油钻井平台、车辆、仓储式大型超市、桥梁隧道等大型施工。仅深圳西部电厂基础打桩414*405就用了5000多吨。地下工程的钢桩及支护结构，SMW坑
15、基施工法就使上海F1赛车场、上海南站地下700*300、488*300用了1万多吨，钱塘江大桥施工辅桥、西湖隧道的坑道支护；厦门、湖南会展中心等等都看到了H型钢的身影。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、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
