1.1　焊接结构特点及类型

1.1.1　焊接结构的特点

与铆接、螺栓连接的结构相比较，或者与铸造、锻造方法制造的结构相比较，焊接结构具有下列优点。

① 焊接接头强度高。现代焊接技术能够使焊接接头的强度等于甚至高于母材的强度；而铆接或螺栓连接的结构，需预先在母材上钻孔，这样就削弱了接头的工作截面，从而导致接头的强度低于母材约20%。

② 焊接结构设计的灵活性大，主要表现在：

a.焊接结构的几何形状不受限制。可以制造空心封闭结构，而采用铆、铸、锻等方法是无法制造的。

b.焊接结构的壁厚不受限制。铆接结构板厚大于50mm时，铆接将会十分困难；但焊接结构在厚度上基本没有限制，有些现代高压容器的单层壁厚可以达到300mm。被焊接的两构件可厚可薄，而且厚与薄相差很大的两构件也能相互焊接。

c.焊接结构的外形尺寸不受限制。对于大型金属结构可分段制成部件，现场组装焊接成整体，而锻造或铸造结构均受到自身工艺和设备条件限制，外形尺寸不能做得很大。

d.可以充分利用轧制型材组焊成所需的结构。这些轧制型材可以是标准的或非标准（专用）的，这样的结构质量轻，焊缝少。目前许多大型起重机和桥梁等都采用型材制造。

e.可实现异种材料的连接。在同一结构的不同部位可按需要配置不同性能的材料，然后把它们焊接成一个实用的整体，充分发挥材料各自的性能，做到物尽其用。

f.可与其他工艺方法联合制造。如设计成铸-焊、锻-焊、栓-焊、冲压-焊接等联合的金属结构。

③ 焊接接头密封性好。制造铆接结构时必须捻缝以防止渗漏，但是在使用期间很难保证水密性和气密性的要求，而焊接结构焊缝处的水、油、气的密封性是其他连接方法无法比拟的，特别是在高温、高压容器结构上，只有焊接才是最理想的连接形式。

④ 焊前准备工作简单。特别是近年来数控精密气割技术的发展，对于各种厚度或形状复杂的待焊件，不必预先画线就能直接从板料上切割出来，一般不再进行机械加工就能投入装配和焊接。

⑤ 易于结构的变更和改型。与铸、锻工艺相比，焊接结构的制造无需铸型和模具，因此成本低、周期短。特别是制作大型或重型、结构简单而且是单件或小批量生产的产品结构时，具有明显的优势。

⑥ 成品率高。一旦出现焊接缺陷，可容易实现修复，因此很少产生废品。

同时，焊接结构也存在以下缺点和不足之处：

① 存在焊接应力和变形。焊接是一个局部不均匀加热的过程，不均匀的温度场会导致热应力的产生，并由此造成残余塑性变形和残余应力，以及引起结构的变形。这对结构的性能造成一定的影响，如焊接应力可能导致裂纹，残余应力对结构强度和尺寸稳定性不利。为避免这类问题，常需要进行消除应力处理和变形校正，因而会增加工作量和生产成本。

② 对应力集中敏感。焊接接头具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响到应力分布，并对应力集中较为敏感。而应力集中点是结构疲劳破坏和脆性断裂的起源，因此在焊接结构设计时要尽量避免或减少产生应力集中的一切因素，如处理好断面变化处的过渡、保证良好的施焊条件避免结构因焊接困难而产生焊接缺陷等。

③ 焊接接头的性能不均匀。焊缝金属是由母材和填充金属在焊接热作用下熔合而成的铸造组织，靠近焊缝金属的母材（近缝区）受焊接热影响而发生组织和性能的变化（焊接热影响区），因此焊接接头在化学成分、组织和性能上都是一个不同于母材的不均匀体，其不均匀性程度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对结构的力学行为，特别是对断裂行为有重要影响。因此，在选择母材和焊接材料以及制订焊接工艺时，应保证焊接接头的性能符合产品的技术要求。

④ 对材料敏感，易产生焊接缺陷。各种材料的焊接性存在较大的差异，有些材料焊接性极差，很难获得优质的焊接接头。由于焊接接头在短时间内要经历材料冶炼、冷却凝固和焊后热处理三个过程，因此焊缝金属中常常会产生气孔、裂纹和夹渣等焊接缺陷。例如，一些高强钢和超高强度钢在焊接时容易产生裂纹，铝合金焊缝金属中容易产生气孔。这些都对结构的强度很不利，所以对材料的选择必须特别注意。

1.1.2　焊接结构的类型

焊接结构应用在各种建筑物和工程构筑物上，类型众多，其分类方法也不尽相同，各分类方法之间也有交叉和重复现象。即使同一焊接结构中也有局部的不同结构形式，因此很难准确和清晰地对其进行分类，通常可从用途（使用者）、结构形式（设计者）和制造方式（生产者）来进行分类，见表1-1。

1.1.3　典型建筑焊接结构

多年来，焊接以其独特的优点已经取代铆接，成为建筑结构的主要连接方法。焊接钢结构被广泛应用于各类工业与民用房屋和构筑物中，见表1-2。这些结构主要作为建筑物的基本骨架，用以承重和承受其他外加载荷的作用。其主要要求除了应保证结构几何尺寸及安装和连接之外，尤其应有足够的强度和稳定性，同时应具有一定的抗震、防腐和防火等特殊的使用性能。

1.1.3.1　焊接钢桁架

在建筑结构中，按结构传递载荷的路径不同，可分为平面结构体系和空间结构体系。在平面结构体系中，桁架作为主要屋盖承重构件一般沿建筑物的短向布置，在建筑物结构的另一方向布置檩条和支撑等构件。建筑结构的屋盖载荷通过桁架传递至两端的支撑柱和基础。檩条、支撑的作用有两方面：一是将屋面载荷传递给桁架；二是对桁架提供侧向支撑，以保证桁架在其平面外的稳定和结构的整体刚度。

桁架结构又称为杆系结构，是指由长度远大于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相互连接组成的能够承受横向弯曲的结构，其杆件按照一定的规律组成几何不变结构。焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重机、高压输电线路和广播电视发射塔架等，如图1-2所示。

根据承受载荷大小不同，又可分为普通桁架［图1-2（c）、（f）］、轻钢桁架［图1-2（a）］和重型桁架［图1-2（b）、（d）、（e）］。根据桁架的外形轮廓，桁架可分为三角形、平行弦、梯形、人字形和下撑式桁架等（图1-3）。

桁架结构由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成，图1-4给出了几种常用的腹杆布置方法。对两端简支的屋盖桁架而言，当下弦无悬吊载荷时，以人字形体系和再分式体系较为优越［图1-4（b）、（g）］；当下弦有悬吊载荷时，应采用带竖杆的人字形体系［图1-4（c）］；桥梁结构中多用三角形和带竖杆的米字型体系［图1-4（e）、（f）］；起重机械和塔架结构多采用斜杆或交叉斜杆体系［图1-4（a）、（d）］。

桁架结构中常用的型材有工字钢、T形钢、管材、角钢、槽钢、冷弯薄型材、热轧中薄板以及冷轧板等。图1-5给出了常用上弦杆的截面形式。上弦杆承受以压力为主的压弯力，尤其上部承受较大的压应力，因此构件应具有一定的受压稳定性，结构部件必须连续，必要时加肋板，见图1-5（d）、（e）。图1-6给出了常用的下弦杆的截面形式，下弦杆承受以拉应力为主的拉弯力，结构相对简单。可以看出，桁架结构中上下弦杆截面形式基本相同，只是考虑到受力情况不同，主受力板位置有所变化。一般情况下，缀板加于受拉侧，肋板加于受压侧。腹杆截面形式与上下弦杆截面形式也基本相同，腹杆主要承受轴心拉力或轴心压力，所以腹杆截面形式尽可能对称，其中双臂截面类型常用于重型桁架中，用来承受较大的内力。

焊接节点是指用焊接方法将各个不同方向的型材组合成整体并承受应力的结构。图1-7（a）～（c）给出了三种将型材直接焊接在一起的节点，这些焊接节点虽然具有强度高、节省材料、重量轻和结构紧凑等优点，但焊接节点处焊缝密集，焊后残余应力高，应力复杂，容易产生严重的应力集中。如果结构承受的是动载荷，则焊接节点应尽量采用对接接头，否则会降低钢结构的使用寿命。管材焊接节点相贯较多，制造比较困难，可采用插入链接板，见图1-7（d）；或部分插入链接板，见图1-7（e）；目前多用球形节点，即将各个方向的管材焊在一个空心球上，结构强度高，受力合理，见图1-7（f）。

1.1.3.2　大跨空间钢结构

大跨空间钢结构一般指跨度大于或等于60m的建筑结构。大跨建筑结构有平面结构体系和空间结构体系两大类，前者有梁式、框架式和拱式等体系；后者则有网架、网壳、悬索、索膜和张弦结构等结构体系。空间结构体系在载荷作用下呈三维受力特征，与平面结构体系相比，具有结构受力合理、整体刚度大、用钢量较省且易于塑造新颖美观的建筑外形等特点，故在大跨建筑中得到十分广泛的应用。

例如，为迎接2008年北京奥运会的召开，建成的国家体育场和国家游泳中心就是采用空间格构式钢架结构。国家体育场屋盖为鞍形曲面，平面呈椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m，中间开口尺寸长向185.3m，短向127.5m，大跨屋盖支承在24根桁架柱上，柱距37.958m，屋盖主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22根主桁架直通或接近直通，并形成由分段直线构成的内环桁架，少量主桁架在内环附近截断，以避免使节点构造过于复杂。主桁架和桁架柱相交处形成刚性节点，组成的桁架和柱的构件大量采用钢板焊接而成的箱形构件。交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起形成了“鸟巢”的奇特建筑造型（图1-8）。

国家游泳中心水立方的建筑造型，其长、宽、高分别为177m、177m、30m，屋盖厚7.202m，墙体厚5.876m。“水立方”结构形成系基于气泡理论，将由多面体细胞填充的巨大空间（大于建筑物轮廓尺寸）进行旋转、切割，得到建筑物的外轮廓和内部使用空间，切割产生的内、外表面杆件和内外表面之间保留的多面体棱线便形成了结构的弦杆和腹杆。这种新型的空间钢架构成简单，重复性高，结构内部多面体单元只有4种杆长。3种不同的节点，每个节点汇交的杆件仅有4根（图1-9）。

在空间钢结构中，应用较为普遍的是网格结构，这种结构是由多根杆件按照一定规律布置并通过节点连接而组成的，是一种高次超静定的空间杆系结构，见图1-10。其空间刚度大、整体性强、稳定性强、安全度高，具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，同时兼有重量轻、省材料、制作安装方便等优点，因此是适用于大、中跨度屋盖体系的一种良好的结构形式，近年来网架结构在国内外得到普遍推广应用。网架结构按外形可分为平板网架［简称网架，外形呈平板形，见图1-10（a）］和曲面网架［简称网壳，外形呈曲面形状，见图1-10（b）、（c）］，平板网架在设计、计算、构造和施工制作等方面都比曲面网架简便，应用范围较广。网架可布置成双层或三层，双层网架是最常用的一种网架形式。

1.1.3.3　工业厂房钢结构

适应各种不同生产工艺的需要，厂房钢结构有单层单跨、单层多跨、多层多跨等多种形式。典型的重型、单层单跨全钢厂房的结构骨架组成如图1-11所示。由屋架、柱、起重机梁以及支撑体系等组成的厂房结构骨架是可以承受来自各方向载荷，并有足够刚度的空间结构，其中屋架和柱组成的横向框架式厂房结构的基本承重骨架，它几乎传承了厂房的全部竖向和横向载荷。

厂房的横向框架柱因设置起重机梁的需要，可以做成一次或二次变截面的，上柱多采用实腹工字形，中柱、下柱截面较大采用格构式比较经济。框架的横梁一般采用平面桁架，单跨时屋架与柱、柱与基础多采用刚接（图1-12）。跨度、高度及起重机吨位不大的厂房（跨度L≤36m，高度H≤35m，起重机起重量Q≤30t，中、轻级工作制）也有采用钢屋架与钢筋混凝土柱组成的横向框架，此时屋架与柱铰接，柱与基础刚接。

对于跨度L≤36m，高度H≤10m，起重机起重量Q≤10t的轻型厂房其横向框架可采用门式钢架，因其耗钢量小，施工便捷，这种结构形式也广泛用于仓库、货棚以及可移动房屋的骨架。一般门式钢架的横梁和柱采用H型钢或焊接工字钢（图1-13），根据受理需要还可设计成变截面的，当跨度较大时也可采用格构式钢架。

1.1.3.4　多、高层房屋钢结构

钢结构强度高、自重轻、延性好、建造周期短，用于多、高层房屋的称重骨架能更充分发挥钢结构的优越性。世界上像美、日等国家钢结构在房屋中的比重远大于砖石与钢筋混凝土结构，据统计，世界上200m以上的高楼中全钢结构占到56%。我国自20世纪80年代以来，高层钢结构发展十分迅速，目前我国已成为世界上拥有250m以上超高层建筑最多的国家，在世界超高层建筑数量排名前十的城市中，我国的城市（含港澳台）占据了六席。相比之下，超高层建筑最早出现的美国仅有两个城市上榜。1997年建成的钢-混凝土混合结构的上海金茂大厦（图1-14）总建筑面积289500m2，地上88层，地下3层，总高度421m，在建成时是中华第一高楼，居世界第三（吉隆坡的彼德罗纳斯双塔1996年建成，高度450m，是世界之最；美国1974年建成的芝加哥西尔斯塔高度443m，居世界第二）。

近年来，我国钢产量一直位居世界第一，钢材的品种、规格也有大幅度增加，加之多、高层钢结构的理论分析研究和制作安装水平都在不断提高，国内已经完全具备自行设计、自行制作安装的能力。

厚板焊接工作量大是高层钢结构制作安装中较为突出的问题，一般焊接梁、柱的截面厚度都在30mm以上，例如深圳发展中心大厦的箱形柱壁厚最大达130mm，焊接工作量达35万延长米（表示不规则工程量的统计单位）；深圳地王大厦的焊接工作量达60万延长米。

因此在高层钢结构中，对钢构件加工精度提出较高的要求，并宜结合工程实际情况和现场条件，通过试验确定焊接方法、焊接工艺和焊接顺序，以免产生过大的焊接应力、焊接变形和过大安装误差。