关于钢结构连接设计的一些问题

关于钢结构连接设计的一些问题

一、钢结构焊接连接（焊缝）的设计问题
1、各级焊缝强度的设计值应按焊接接头系数确定：
钢结构焊缝强度的设计值应和锅炉压力容器等其它焊接结构一样引入焊接接头系数φ
φ=焊缝强度设计值/母材强度设计值
现把GB150-1998《钢制压力容器》关于焊接接头系数的规定摘录如下：
焊接接头系数φ应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。
双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：
100%无损检测 φ=1.00
局部无损检测 φ=0.85
单面焊对接接头(沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板:
100%无损检测 φ=0.9
局部无损检测 φ=0.8
由以上规定可见，100%无损检测（探伤）的双面焊的对接接头焊缝其焊接接头系数φ才等于1，也就是说只有在这种情况下才可能是焊缝强度等于母材强度。GBJ17-88表3.2.1-4把一、二级焊缝强度的设计值不考虑探伤比例一律列为与母材等强度，我们认为是不妥的。此外，该表所列的三级（即部分熔透或称为不探伤）焊缝的强度设计值太高。美国国家标准AWS D1.1:2000《钢结构焊接规范》表2.3规定钢结构焊缝的许用应力：在作用力为垂直于有效面积的拉力时，部分熔透的焊缝为0.3倍的填充金属标称拉伸强度。如使用我国的E43XX焊条，焊条的标称拉伸强度为420Mpa，其许用应力（焊缝强度设计值）为126Mpa，远小于GBJ17-88表3.2.1-4中规定的三级焊缝设计值。
2、规范应明确常见构件的焊缝质量等级（或明确规定哪些焊缝应熔透）：
这里所谓的常见构件是指以焊接H型钢为主要部件的梁或柱。我们认为承重的梁或柱的翼板拼接焊缝、腹板拼接焊缝，以及翼板、腹板与端板的连接焊缝（包括梁的翼板与柱的连接焊缝）均应按全熔透设计，其焊缝内部质量起码应按二级要求，探伤比例不应小于20%。GBJ17-88除吊车梁外对大部分常见构件焊缝质量无明确规定，这使设计者随意性太大，特别是设计施工在市场经济条件下日益同体化的今天，容易为粗制滥造制造借口，为结构留下隐患。
3、规范应进一步明确的几个概念或问题：
⑴、焊缝质量等级和焊缝质量的检验等级不同。
焊缝质量等级其概念很明确，就是指焊缝质量的一、二、三级；而焊缝质量的检验等级则是指对焊缝质量检验时所用的无损检测方法的完善程度。例如，超声波探伤检验等级分为A、B、C级，射线探伤检验等级分为A、AB、B级。因此，设计图纸上出现这样的语言：“焊缝质量的检验等级为二级”，我们认为这是概念上的错误。
⑵、焊接接头和焊缝不同。
焊接接头分为：对接接头、T型接头、搭接接头、角接接头等多种。
焊缝分为：对接焊缝、角焊缝及角焊缝和对接焊缝组合形成的组合焊缝。
对接接头的焊缝当然是对接焊缝，但T型接头腹板侧开坡口的接头、角接接头一侧钢板开坡口的接头也是对接焊缝。有时，为了加强结构的承载力，在坡口位置焊平后，又填加角焊缝，形成组合焊缝。这就是说，T型接头的坡口焊缝有对接焊缝的成分。有些设计人员仅把翼板拼接焊缝（对接接头焊缝）、腹板拼接焊缝（对接接头焊缝）理解为对接焊缝，而不认为翼板、腹板与端板连接的T型接头的坡口焊缝是对接焊缝，因此，在设计图纸上写“所有对接焊缝的质量等级为二级”，当检测人员按二级质量要求检测翼板、腹板与端板连接的T型接头的坡口焊缝时，设计者不理解。
GBJ17-88第7.1.4条（包括图7.1.4）对此问题也作了一些示意，但需进一步明确。
⑶、GB50205和无损检测标准上焊缝质量等级符号的区别。
GB50205和设计规范上焊缝质量等级符号为“一、二、三级”。其一、二级对应超声波检测标准GB11345（或射线检测标准GB3323）的“Ⅱ、Ⅲ级”。如设计部门把对接焊缝质量等级的“二级”写成“Ⅱ级”，这不仅是个错别符号的问题，还会引起检验上的争议，因为探伤要求的“Ⅱ级”实际上是GB50205的“一级”，不但焊缝质量提高了，探伤比例也由20%升为100%。
⑷、“板厚≤6mm的对接接头焊缝其内部质量无法检测”的错误认识。
板厚≤6mm的对接接头焊缝其内部质量不能用超声波检测，这是我国、美国等国家标准的规定，是科学的、合理的。但不能用超声波检测，不等于说不能用射线检测。在板厚≤30mm的对接接头焊缝质量检测上，最可靠的检测方法应是射线检测。美国AWS D1.1把射线检测放在首位，射线检测后不必超声波复验，而超声波检测发现面状显示（重要缺陷）时，要用射线检测复验，甚至解剖验证。目前钢结构构件制作已经和锅炉、压力容器制作一样工厂化了，再强调使用射线检测困难而拒不采用是没有理由的。
GB50205-2001在检测单位的要求下较95规范作了如此改动：“超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤”。这一规定是个进步，但仍没有把射线探伤放在应有的地位。
4、规范应补充的一些内容：
⑴、对局部熔透（或称为不完全熔透、不焊透）对接焊缝实际有效厚度的验证规定。
GBJ17-88规范第7.1.4条对不焊透的对接焊缝和组合焊缝有效厚度he做了一些规定，叙述了he和坡口根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离S的关系。现在的问题是：在图纸上按GBJ17-88规范图7.1.4的式样标出S是很简单的事情，而在实际工程上特别是焊后如何确定S和he却是很困难的，无法检验是否达到了设计要求。因为这类焊缝不要求无损检测，而且迄今为止，各种无损检测方法的共同局限性就在于准确确定缺陷沿板厚方向上的尺寸。这也是我们一直强调承力的拼接焊缝一定要全熔透的原因所在。
设计规范不同于施工质量验收规范，这是自然的。但现行GB50205《钢结构施工质量验收规范》未涉及局部熔透（不焊透）对接焊缝实际有效厚度he的检验，设计规范又仅在图纸上标出S，那这个问题应由谁来明确呢？
AWS D1.1:2000第6.6.5条有这样的规定（大意）：如原合同未规定做除目视检查外的无损检测（包括对无损检测的验证解剖），但业主坚持增加无损检测，如发现不符合设计要求（偷工减料）时，则承包商必须承担全部返修费用。这就彻底堵住了随意修改设计的退路。
另外，GBJ17-88第7.1.4条要求不焊透的对接焊缝应按角焊缝的计算公式计算，那表3.2.1-4列出的三级焊缝抗拉强度设计值就没用了。
⑵、焊缝质量达不到设计要求时，设计核算认可的原则。
GB50205-2001第3.0.7第3款有如下规定:
“经有资质的检测单位单位鉴定达不到设计要求,但经原设计单位核算认可能够满足结构安全和使用功能的检验批,可予以验收。”
我们认为对不会发生焊后扩展的焊接缺陷（主要是拼接焊缝的未焊透），在通过完善的无损检测方法或解剖验证确定其沿壁厚方向上的尺寸和长度后，是可以按常规计算方法进行设计核算认可的；但裂纹这种缺陷在使用中可能会扩展，必须用簖裂力学的方法进行安全评定。如果对裂纹可能的扩展速率等缺少足够的证明资料，这种评定结果也是不可信的。因此，我们认为对于有裂纹缺陷的焊缝一般不要进行核算认可，应通过返修将裂纹消除。
⑶、重要结构焊缝的焊接顺序。
美国AWS D1.1规范在这方面对设计提出了明确要求。我国GB50205-95第4.8.2条对焊接H型钢的焊缝顺序作了如下规定:
“当翼缘板需要拼接时，可按长度方向拼接；腹板拼接缝可为“十”字型或“T”字型；翼缘板拼接缝和腹板拼接缝的间距应大于200mm；拼接焊接应在H型钢组装前进行。”
很可惜GB50205-2001把这一条取消了。因组装顺序不对，增大焊缝收缩的拘束度，会产生延迟裂纹。如果先把翼板、腹板组装成H型，然后再焊拼接焊缝，通常是先焊翼板拼接焊缝，最后焊腹板拼接焊缝，那么腹板拼接焊缝上常会出现较多裂纹（见附图1）。
⑷、其他。
如对接接头有效厚度、有效截面积的定义，如焊缝附近沿板厚方向受力的构件防层状撕裂，焊缝的最大、最小长度，焊接和栓接共同承载的规定等等。
二、高强螺栓连接设计的问题
GB50017-2003中虽然提到承受静力载荷和间接承受动力载荷结构中的连接，但我们不理解的是：为什么该条还规定“高强螺栓的预拉力P和连接处构件接触面的处理方法应与摩擦型高强螺栓相同”。我们认为：使用承压（抗剪）型高强螺栓，可以不必强调预紧力，接触面间可以涂防锈漆，不必强调抗滑移和扭拒两个系数是复验。GB50205所有关于高强螺栓的规定都是针对摩擦型的。我们认为：承压型高强螺栓不存在超拧的危险，应在不直接承受动力载荷的结构中广泛采用。