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要树立“最复杂焊接体系是建筑钢结构体系”的观点(一）


    问题的提出：
    这是一个突破一般对焊接结构复杂性认识的观点，也是一个我宣传多年而不得要领的观点，致今为止可能还有很多人不同意我的观点。不过，事实胜于雄辩，建筑钢结构的发展现状已经说明了一切！
    历史发展往往有惊人的相似之处，钢结构行业发展过程，和我国锅炉压力容器行业发展轨迹相似，已经进入到十分类似当年锅炉压力容器行业、从“无序状态”、问题积重难返的局面进入“法治”的转折期阶段。钢结构企业无论是市场竞争、工程质量、人员素质、,安全运营等方面，都存在不同程度的不足、缺陷和遗憾。目前在钢结构焊接工程中相继发生重大、恶性安全、质量事故，同时各地相继发现以焊缝裂纹为主的钢结构质量缺陷，足以说明钢结构行业也进入到“问题期”。于是也就有了我们谈论的社会基础。

    我在讲课时，曾向学员们提出两个问题：
    问题一：在以下8个行业里，哪个行业焊接技术最复杂？
    问题二：在以下8个行业里，哪个行业最不重视焊接技术？
        1、锅炉压力容器（含火电站）；
        2、长输送管道；
        3、机械制造（含工程机械）；
        4、海洋石油平台；
        5、造船行业（不含军工）；
        6、化工行业；
        7、建筑钢结构；
        8、铁路钢桥。
    学员们的回答五花八门，我的答案十分肯定：两个问题的答案只有一个，哪就是：建筑钢结构！

    我经历过压力容器、锅炉、管道、高炉、转炉以及稀奇古怪的建筑钢结构焊接工程，经过长期的分析观察，认为建筑钢结构有以下特点：

    一、建筑钢结构体系复杂
    建筑钢结构体系是一个完整有机的受力体系，承受自重和自然界的各种荷载。焊接是建筑钢结构的灵魂和生命，直接受到钢结构形式的影响甚至制约。实践证实：焊接是完成钢结构体系初始应力控制的宏观战略部署关键工序。因此、在复杂建筑钢结构体系中，控制焊接应力应变的技术路线必须是从焊接工序入手，根据不同的结构体系，采用不同的施工方法，不同的应力应变转换路径，进行宏观、微观钢结构体系应力应变控制。这是全面质量管理中“全过程管理”在钢结构焊接工程中的体现，同时也是设计和施工有机结合的高级景界，对焊接技术而言、无疑是责任重大，同时也是一大技术进步。
    设计、制作、施工追求的钢结构系统理想的初始应力状态最终目标就是：安装和焊接所产生的应力应变完全符合设计的技术要求、并且最大程度的均匀化。因为钢结构系统的初始应力是直接涉及结构安全与否的重要指标，这一观念逐渐被工程界认识和接受，并开始系统研究。
    然而，这是一件十分艰难的工作，因为钢结构体系的初始应力目前暂时不能大面积的定量分析，并且系统初始应力的形成和大小，在设计完成的前提下，100％取决于施工方法，这就是建筑钢结构与其他结构的区别和特点，是一个涉及面很大的动态过程，控制系统应力应变有很大的难度。因此，应根据设计的技术指标，在工程中按照建筑钢结构系统形成的路经来控制钢结构焊接工程的初始应力。
    建筑钢结构系统形成的过程是：钢结构体系逐渐形成，其力系也逐渐变化：具体地讲：是以零件逐渐形成部件，再过渡到局部稳定结构（工程中称：吊装单元），再由多个局部稳定结构，通过合龙工序、过渡成带有临时支撑的封闭稳定系统，在此基础上通过对支撑塔架卸载形成自承重钢结构体系，实现钢结构体系全部力系转换，形成最终的建筑钢结构体系的初始应力状态。
    一般说来：不同的类别（不同截面、不同型号、类别钢材）的钢结构有不同的施工方法，就是在相同类别的系统中，也存在不同的施工方法，实践证实：在相同的钢结构类别中，不同的施工方法会使系统从零件到部件，从部件转换成局部稳定系统并通过合龙、卸载形成封闭稳定自承重钢结构体系的路，径不同，因此、所获得的应力应变结果也不一致，甚至有很大的差异。
    结构刚度是随着结构的建造过程逐步形成的，荷载也是分步作用在刚度逐步形成的结构上，如果内力分布与将全部荷载一次性施加在最终成形结构上，与逐步加载的方法相比较：系统受力结果有一定的差异，对于超高层钢结构，这一差异会比较显著。对于大跨度和复杂空间钢结构，特别是非线性效应明显的索结构和预应力钢结构，不同的结构安装方式（特别是不同的焊接工艺）会导致结构刚度形成的条件和程度的不同，进而影响结构最终成形时的内力和变形。因此、要求在建筑钢结构的设计阶段结构分析中，应充分考虑这些因素，必要时进行施工（焊接）模拟分析，因此，结构和焊接专业应充分结合，相辅相成，单打独斗，不可能达到和实现建筑钢结构体系初始应力的理想景界。
    对建筑钢结构系统而言：初始应力状态扑朔迷离，即有安装应力、温差引起的应力，又有焊接残余应力，组成和分布十分复杂，定量分析十分困难。由于建筑钢结构体系中存在数千个节点，对每个节点都进行有限元分析是不现实的，大面积的定量计算也是很难作到的，比如说：由于太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在相关规范中并没有明确提及，可以参考的经验较少，因此温度应力计算采用的各种参数、室外风速取值很难确定。此外，漫反射、空气流动性差等影响因素，在各类构件热传导计算边界条件中考虑比较困难，目前只能根据工程经验确定，但有一点可以肯定：施工过程中制定有效的具备全面质量管理思想和技巧的《焊接方案》并深层次运行，以控制结构体系的焊接应力应变，完全有可能实现建筑钢结构系统的最佳初始应力状态。
（未完，待续）