钢结构变形控制

1  钢结构变形类型 

    钢结构的变形可分为两类：总体变形和局部变形。总体变形是指整个结构的外形和尺寸发生变化，出现弯曲、畸变和扭曲等。局部变形是指结构构件在局部区域内出现变形。例如：构件凹凸变形，端面的角变位、板边褶皱波浪形变形等。

    总体变形与局部变形在实际的工程结构中有可能单独出现，但更多的时候是组合出现。无论何种变形都会影响到结构的美观，降低构件的刚度和稳定性，给连接和组装带来困难，尤其是附加应力的产生，将严重降低构件的承载力，影响到整体结构的安全。 

2  钢结构变形原因 

2.1  钢材的初始变形 

    钢结构所用的钢材常由钢厂以热轧钢板和热轧型钢供应，热轧钢板厚度为 4.5mm～60mm，薄钢板厚度为 0.35mm～4.0mm。热轧型钢包括角钢、槽钢、工字钢、H 型钢、钢管、C 型钢、Z 型钢，其中冷弯薄壁型钢厚度在 2mm～6mm。钢材由于轧制及人为因素等原因，时常存在初始变形，尤其是冷弯薄壁型钢。因此在钢结构构件制作前必须认真检查材料，矫正变形，不允许超出钢材规定的变形范围。 

2.2  加工制作中的变形 

a）冷加工产生的变形 

剪切钢板产生变形，一般为弯扭变形，窄板和厚板变形会大一点；刨削以后产生弯曲变形，薄板和窄板变形大一点。 

b）制作、组装带来变形 

由于加工工艺不合理，组装场地不平整，组装方法不正确，支撑不当等原因，引起的变形有弯曲、扭曲和畸变。 

c）焊接变形 

焊接过程中的局部加热和不均匀冷却使焊件在产生残余应力的同时还将伴生变形。焊接变形又称焊接残余变形。通常包括纵向和横向收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等。焊接变形产生的主要原因是焊接工艺不合理、电焊参数选择不当和焊接遍数不当等。焊接变形应控制在制造允许误差限制以内。 

d）运输及安装过程中产生变形 

运输中不小心、安装工序不合理、吊点位置不当、临时支撑不足，堆放场地不平，尤其是强迫安装，均会使结构构件变形明显。 

e）使用过程中产生变形 

钢结构在使用过程中由于超载、碰撞、高温等原因都会导致变形的产生。 

3  防止和减少变形的措施 

3.1  控制变形的焊接工艺措施 

    焊接变形是钢结构变形的主要形式，而焊接残余应力是引起焊接变形的根源，减少焊接残余应力的存在就可相应减少焊接变形。控制变形的焊接工艺措施主要有以下几个方面。 

a）焊前准备工作 

    将焊件放置平整，不允许随意摆放进行焊接。焊件要有足够的合理的支撑点，如果支撑点太少，在焊接过程中焊件会因自重引起弯曲或扭曲变形，支撑点的位置尽量选在焊件重心附件和刚性较大处。 

b）减少焊接线能量 

    焊接时热输入量小的，焊后变形也小。因此，在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定的情况下，宜采用熔化极气体保护焊或药芯焊丝自保护焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输入。 

c）选择合理的焊接顺序 

    采用对称焊接，对称焊接可使焊接引起的变形相互抵消或简化，大多数结构是对称的，且具有对称布置的焊缝，但是因为各条焊缝的焊接顺序有先有后，所以在焊接过程中焊件的刚度是不断变化的，先焊的焊缝容易使焊接产生变形，后焊的焊缝则影响小些，因此虽然焊缝对称，但焊后也会产生变形，最好由成双的焊工对称地同时进行焊接，如图所示。在实际施工中，也会遇到很多焊缝不对称的结构，可以考虑先焊焊缝少的一侧，也可减少变形。 

    对于构件上的长焊缝，若采用从一端向另一端连续的直通焊时，焊接作业时间长，温度分布不均匀，导致构件产生较大变形。为减少焊缝和构件由于受热时间过长且不均匀而产生塑性变形，应采用不同的焊接方向和顺序，可使局部焊缝变形适当减少或相互抵消，从而达到减少总体变形的目的。 

d）预热法 

    预热法是指在焊前对焊件的局部或整体进行加热，其目的通常是在焊接合金结构钢、高强度钢等钢材以及焊接或修补刚度较大的构件时，为了防止焊接区产生淬硬组织，减少焊接应力和防止裂纹产生而采用的。预热温度视钢材的材质、结构的刚度、散热情况等不同而异，一般常用的预热温度为 80～200℃，为控制变形而进行预热时，温度可适当提高些。 

e）刚性固定法 

    刚性大的焊件焊后变形一般较小，当焊件刚性较小时，焊接时将构件固定在具有足够刚度的工作台架上，使构件不能移动，变形受到阻碍，焊缝完全冷却后将约束解除，这时构件还是要产生变形的，但比在自由状态下焊接所发生的变形小些。这种方法对于板件厚度小于 10mm 焊件形状较小的薄板效果较好，对于厚度大于 12mm 的大型焊件虽不能完成消除焊接变形，但可减小变形。钢结构施工中，比较常用的局部加固法，采用”马铁”将对接缝刚性固定。

f）反变形法 

    反变形法是在构件未焊前，先将构件预制成人为的变形，使其变形方向与焊接引起的变形相反，则焊后构件的变形与预制变形可相互抵消，达到构件变形减小或消除焊接变形。

3.2  制造和使用过程中控制变形的措施 

    在零件加工时，要预留足够而合理的焊接和热矫正收缩量以及加工余量；组装时场地或操作台要平顺，支撑点数量要充足，支撑的位置要正确；吊点的位置要正确，在吊运构件时，要严格执行吊运操作规则，避免发生碰撞、脱钩、断绳等事故；构件放置时要注意有足够的支撑点，支撑位置要恰当。 

4  变形处理原则 

    碳素结构钢在环境温度低于-16℃，低合金结构钢在环境温度低于-12℃时，不得进行冷矫正。碳素结构钢和低合金结构钢在加热矫正时，加热温度应根据钢材性能选定，但不得超过 900℃。低合金钢在加热矫正后应缓慢冷却。当构件变形不大时，可采用冷加工矫正和热加工矫正；当变形较大又很难校正时，应采用加固或调换新件进行修复。

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