高炉巨型梁栓焊合拢接头的模拟试验研究王承权，陈冰泉，张建强，杨昌凯，张蔚群（武汉交通科技 大学船舶机械工程系武汉４３００６３）（冶金部一冶技术处武汉４３００８０）摘要：对武钢新 三号高炉炉顶吊车梁模拟栓焊梁和全焊梁进行试验研究，给出测试数据和试验结果及分析．栓焊梁 的腹板滑移量、螺栓初拉力损失率是合拢中应当控制的最重要的项目，而横向收缩量和角变形值都 能满足技术要求．按模拟试验提供的数据，实梁的变形是可以得到保证的．关键词：巨型梁；栓焊 合拢接头；
横向收缩；
角变形；腹板滑移量；螺栓初拉力；模拟试验中留法分类号：ＴＧ４０７； Ｆ０８亚问题的提出武钢新三号高炉炉顶吊车梁为焊接工字梁，梁高度４．７０ｍ，上翼缘宽１０ ００ｍｍ，下翼缘宽８５０ｍｍ，下翼缘中部板厚６０ｍｎ。，其余下翼缘和上翼缘板厚均为５０ ｍｍ，腹板厚２５ｒｕｍ．钢材为１６ＭｎＪ．该梁在设计和建造方面有以下特点．１）板厚超出 现行钢结构设计规范《ＧＢＪ—１７—８８））关于低合金钢焊接结构板厚不宜大于３６ｒｕｍ的 规定．２）此梁总长８６．２６ｍ，须在７１．９ｒｎ高空合拢栓焊对接．３）合拢对接采取腹板 先用高强螺栓做１００％终拧紧固，然后焊接翼缘对接缝的施工方案．腹板和上下翼缘的接缝位于 同一截面上．此梁不论是在结构设计，还是合拢施工方面，国内无先例可借鉴，亦无国外资料可查 阅．然而工程实践要求对下述问题应给予明确的回答和作出技术判定．ｌ）梁的合拢对接方案中栓 焊型和全焊型相比，对合拢后梁总体形状的影响．２）这两种方案施焊后残余应力的数值及分布． ３）栓焊方案中焊后腹板滑移量的大小．４）光栓后焊对螺栓终拧的拉力所产生的影响．５）焊后 接头局部热处理消除残应力的效果．收稿日期：１９９５－ｏｆ－１８于承权：男，５７岁，教授 为此进行模拟梁的试验研究．２试验研究２．１试验梁与实梁之间的模拟关系１）两者的材料相同 ，都是１６ＭｎＪ．２）除腹板高度不同外，两者的上下翼缘尺寸、腹板厚度均相同，试验梁长度 取合拢接头两侧各ｌｉｎ，试验梁腹板高度为１３８０ｒｕｍ，这样试验梁高度是１４８０ｒｎｘ ｎ．３）试验梁翼缘、腹板的接口位于同一截面上，上下翼缘对接缝与梁长度方向垂直，这与实梁 完全一样．４）两者在合拢接头两侧翼缘与腹板的角接缝，预留出１５０ｍｍ不焊，待上下翼缘对 接缝焊完后再焊．５）在上下翼缘对接缝处将腹板切出半径为３０ｎｕｎ的半圆孔．６）上下翼缘 坡口角为３５“．７）焊接Ｘｉ艺（焊接方法、焊丝、焊接参数、焊前预热及层间温度等）与实梁 完全相同．８）焊接程序：栓焊试验梁与实梁一样．全焊梁先手弧焊腹板对接缝，后用半自动自保 护焊丝焊接翼缘对接缝．”２．２＄拟梁分组及试验内容１）栓焊梁，见图ｌａ）．测试项目：ａ ）在腹板高强螺栓做１００％终拧紧固情况下，翼缘对接缝及预留的翼缘与腹板角接缝焊完后的残 余应力．ｂ）最终状态翼缘对接焊缝的横向收缩量及角变形量．图１模拟梁的形式此处的焊接程序 是考虑与栓焊梁对照确定的．在全焊梁中正确的焊接程序应是先焊接上下翼缘对接缝，后焊接腹板 对接缝［门Ｃ）最终状态腹板的滑移量．ｄ）在靠近上下翼缘对接缝的两对（上下共４支）螺栓经 过全部焊接热过程（包括焊前预热、焊接加热、层间温控）后终拧初拉力的变化．ｅ）局部热处理 后的残余应力．２）全焊梁，见图ｆｏ）．测试项目：ａ）焊接残余应力．ｂ）焊后翼缘及腹板对 接焊缝的横向收缩量．Ｃ）翼缘接头处的角变形量．ｄ）局部热处理后的残余应力．２·３测试方 法１）残余应力是用盲孔释放一电阻应变法常规方式测定的，２）横向收缩是借助于预先用定位焊 焊在接缝两侧的专门制作的标距块测量的，测量标距块的量具为千分卡．３）角变形是用角度计测 量的．４）腹板滑移量是借助于横跨腹板对接缝的专门制做的过桥（其上有标距）测量的．５）高 强螺栓终拧初拉力的变化用电阻应变法测量．此项测量应考虑螺栓拧紧过程的操作不应使应变片、 引线及连接导线受到损伤．这里存在技巧问题，我们所采用的方案被实践证明是可行的，测量结果 是可信的．２·４测试注意事项１）测试工作和试验梁的合拢对接过程是相互交叉进行的，必须使 两者配合协调．完成某一合拢阶段后，测试工作跟随进行．要避免出现此阶段的测试项目未进行或 尚未完成就开始下一合拢工序的情况．我们在测试前制定出“测试方案和细则”，依据它编制测试 工作网络图．整个测试工作按网络图进行．２）测量项目较多，其中有些项目的测量是不能重复进 行的，应及时测量取得数据，否则下一合拢工序一开始就失去再测量的机会．如百孔一应变法测残 余应力，钻盲孔前必须测量记录初始应变数值，高强螺栓未拧紧前的初始应变数值，终拧后的应变 数值，都应在相应阶段测得，一旦失去测量机会则此一项目的测试既告失败．对此应当给予充分注 意．３）测量前做好组织准备工作，包括制定记录表格（测试项目多、测点多、阶段性数据较多， 列表可防止漏掉某项或某点的数据），对参加测试记录人员讲清任务，测试时每个人到岗定位，听 从指挥．４）测试仪器调试正常，专门制作的测量器具应满足要求．可以在正式测试前进行一次演 练，发现问题及时解决．３测试结果及分析３·ｌｑ向收缩且ｌ）栓焊梁（焊接程序是先焊下翼缘 对接缝，后焊上翼缘对接缝）下翼缘对接缝焊后，下翼缘上测点均为收缩．其中最大值为一２．５ ２ｍｍ，最小值为一２．１１ｒｕｍ，平均收缩为一２．２７ｒｕｍ；上翼缘上的测点均为伸长， 平均伸长为０．２７４ｒｕｍ，２）全焊梁（焊接程序是腹板对接缝一下翼缘对接缝一上翼缘对接 缝）ａ）腹板对接缝焊后，腹板上的测点均为收缩，其中最大值为一２．８７ｎｕｎ，最小值为一 １．６４ｒｕｍ，平均收缩一２．０４ｍｒｂ）焊完下翼缘对接缝后，所有测点均为收缩，其最大 值为一３．６８ｒｕｍ，最小值为一０．Ｚｆｍｒｎ，平均收缩一２．２６ｒｕｍ．Ｃ）最终状态 两试验梁的横向收缩见表１．３．２上下翼缘合拢区的角变形１）栓焊梁全部接缝焊接完毕，即最 终状态所有测量位置的角变形均为反时针旋转方向的变形，最大角度为５０’，最小角度为２０’ ，平均转角为３６‘５４”．２）全焊梁最终状态所有测量位置的转角均为反时针方向，最大值为 １”３１．７’，最小值为４８．３’，平均转角１“１３‘３８‘’．３·３栓焊梁腹板滑移且 焊后最终状态所有测点均显示腹板沿梁长度方向向合拢接头移动，最大值为一０．７６７ｒｕｍ， 最小值为一０．０９ｍｍ，平均滑移为一０．４３２ｒｕｍ．３·４＄栓初拉力损失栓焊梁焊后， 被监测的４支螺栓的初拉力均有所减小，其中初拉力损失率最大者为５５．６％，最小者为１４． ５呢，其平均损失率为２８．８３％．３·５残余应力栓焊梁和全焊梁最大残余应力如表２所列． ３·６局部热处理后的残余应力经局部热处理后的最大残余应力如表３所列．表１模拟梁横向收缩 值表２模拟梁焊接应力测试结果注：ａ．一沿焊缝轴线方向的残余应力；ｅｑ一垂直于焊缝轴线在 翼扳平面内的残余应力；１６ＭｎＪＭＪ屈服极限为３４３ＭＰａ表３热处理后模拟梁应力测试结 果注：所有测点的人仍全为压应力．局部热处理降低残余应力的效果是，栓焊梁的拉应力下降％． ９呢，压应力下降７７．９％；全焊梁中相应地为３３．７％和１８．９％．３·７结果分析从测 试结果可以看出，栓焊梁变形特征如下：１）腹板先用高强螺栓终拧紧固，使栓焊梁的横向收缩比 全焊梁减小约１／３．但螺栓接头阻碍焊缝收缩的能力是不强的，无论是横向收缩的形成过程（动 态），还是最终的收缩（静态），其规律性与全焊梁的相似．２）不论是栓焊梁还是全焊梁，其翼 缘对接缝区的角变形都是不大的，满足工程上精度的要求．全焊梁稍大一些，如采取措施完全可以 降低．３）栓焊梁的残余应力，不论是最大拉应力值，还是最大压应力值都远大于全焊梁的，这是 先栓后焊的必然结果．其压应力值超过了１６ＭｎＪ钢的屈服极限．从梁工作时下翼缘受拉来看， 此压应力可减轻下翼缘的工作应力．栓焊梁中的残余应力是各种因素引起的综合应力，已不是焊接 引起的应力．类似的情况在文献［２］中有报道．４）局部热处理可使焊后残余应力值降低，拉应 力的降低率在两类试验梁中是相同的，约为１／３；压应力的降低率在栓焊梁中约为７８％，在全 焊梁中约为１９％．５）腹板滑移量及螺栓初拉力损失腹板滑移量及螺栓初拉力损失是桂焊梁试验 研究最重要的项目．腹板产生向合拢缝的位移，表明终拧紧固后的接头产生了某种“松动”，因而 使人担忧吊车梁工作时的可靠性和安全性．腹板滑移将使螺栓受剪切，这是栓接接头设计时绝对不 希望产生的．然而，最大滑移量为０．７６７ｒｒｉｍ（位于上翼缘下部），最小值０．０９ｒｕ ｍ（位于腹板高度一半处），平均滑移量为０．４３２ｒＴｕｎ．其平均值较螺孔直径减去螺栓直 径的一半还小一些．这说明栓接接头由于焊接上下翼缘对接缝的横向收缩产生的滑移，仅使腹板与 连接板摩擦面之间发生位移，螺栓并未受到剪切，即是栓接接头仍处于原设计技术状态．这是使吊 车梁得以正常工作的最基本的、最重要的条件．从焊接变形及应力理论可推知，由焊缝收缩引起的 载荷是吊车梁工作中不可能遇到的，因此不会发生腹板再滑移的情况．螺栓终拧初拉力损失的主要 原因，在于上下翼缘对接缝焊前的预热．经热传导和热辐射使螺栓温度升高，沿螺栓长度方向膨胀 造成的．显然，螺栓拉力的损失如果发生在所有的螺栓上，那将是十分危险的．控制并尽量减少螺 栓受热是防止初拉力损失的重要措施．初拉力损失率最大的２号位螺栓，是用两把乙炔火焰同时预 热，而其它位置都用一把乙炔火焰预热．可以预料，控制初拉力损失率在１５％以内是完全可以做到的．这对于保证栓接接头的安全工作具有重要意义．４结束语经试验研究，可得出以下结论．１）栓焊梁的变形量在满足工程精度要求的范围内．２）残余应力大多数是压应力．局部热处理可降低拉应力的１／３，压应力的２／３．３）控制腹板滑移量和螺栓初拉力损失，对权接接头的安全
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