高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工技術(shù)

中建八局鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

1 工程慨況

南京新金陵飯店層高242 m，從地下負(fù)3層柱腳往上外圍四角分布有8 根組合柱和對(duì)稱的8 根十字柱，內(nèi)圈核心筒四角則為4 根十字柱和2 根H形柱。結(jié)構(gòu)平面見圖1。隨著層高，外圍十字柱分4 次截面變化，中間多層腰桁架，內(nèi)圈核心筒起始剪力墻，設(shè)備層、結(jié)構(gòu)封頂停機(jī)坪都有加密梁，設(shè)計(jì)用鋼總量逾1.6萬 t。該工程主構(gòu)件形式多變、焊接時(shí)機(jī)要求嚴(yán)格，焊材消耗量大，且高空操作與防護(hù)困難，因此，焊接是個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。

圖1 結(jié)構(gòu)平面

2 焊接節(jié)點(diǎn)形式[1-3]

新金陵飯店鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)焊接節(jié)點(diǎn)主要有：組合柱、十字柱、H形柱、鋼管柱對(duì)接橫焊；箱形腰桁架斜撐、箱形梁全位置焊接；組合柱現(xiàn)場(chǎng)組合立焊；梁-柱栓接平焊；栓接連接板與核心筒埋件立焊。其中80%焊縫為一級(jí)焊縫，最大截面焊縫長約6 m，涉及板材厚12～40 mm。

3 焊接工藝[4-5]

3.1 焊接方法的選擇

考慮鋼結(jié)構(gòu)工程焊接熔敷量大、工序銜接緊，因此選用了半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊作為主要的焊接方法：一是變形小，焊接效率高；二是相對(duì)靈活性大且具有一定的抗表面銹能力；三是氣保護(hù)相對(duì)廉價(jià)且避免了烘焙、過程熔渣處理等工序。其主要缺點(diǎn)是氣保護(hù)受風(fēng)影響大，容易出氣孔等缺陷。因此，以環(huán)境惡劣程度可換用藥芯焊絲或加大過程中的防護(hù)措施來補(bǔ)償。

3.2 焊材的選擇

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)使用鋼材Q345B選用實(shí)芯焊絲ER50-6（Φ1.2 mm）和藥芯焊絲E501T-1（Φ1.2 mm）。過程焊條手工焊焊條用E5015（Φ3.2 mm、4.0 mm）。

3.3 坡口形式

以中厚板為主的高層鋼結(jié)構(gòu)焊接量大、變形控制難度高，所以坡口的設(shè)計(jì)對(duì)工程的進(jìn)度和質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。其原因有：

（a）坡口角度小，則不能滿足熔合比要求，有時(shí)出現(xiàn)根部未焊透等缺陷，而加大組對(duì)間隙則在增加熔敷量的同時(shí)收縮應(yīng)力也相應(yīng)增大。且窄而深的焊縫成形系數(shù)偏小，影響一次結(jié)晶，容易產(chǎn)生區(qū)域偏析，在拘束應(yīng)力大的情況下進(jìn)而導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生；

（b）坡口角度大，則焊接量增加，焊縫角變形收縮過程的殘余應(yīng)力也大大增加，容易引起變形。這不僅對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力的控制極為不利，同時(shí)也給后續(xù)的安裝精度帶來困難；

（c）坡口形式不合適，則不僅給控制變形和降低殘余應(yīng)力增加難度，同時(shí)也限制了焊工操作空間的有效利用和人員的布置。

鑒于梁、柱翼緣板較短，且截面較為對(duì)稱，決定采用單V形坡口。組合柱腹板長縫3 360 mm、通長半熔透立縫采用K形坡口，坡口角度為40°±2°，如圖2所示。

圖2 主要坡口形式

4 過程控制[6-8]

4.1 焊接順序

新金陵飯店鋼結(jié)構(gòu)工程施工進(jìn)度與土建相輔相成，因此，深化鋼柱3～4層1 節(jié)。

以3層節(jié)點(diǎn)為例，焊接順序見圖3。組合柱現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接立縫則按土建樓面進(jìn)度提前一層焊接。

圖3 焊接順序

層面鋼梁焊接時(shí)，焊工均勻分布，先焊接外圈梁。單根鋼梁兩端分先后焊接，以降低焊接收縮產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變帶來的影響，保障整體變形的控制。

組合柱、十字柱對(duì)接焊縫焊接時(shí)，先對(duì)稱焊接腹板焊縫，以釋放部分縱向應(yīng)力，保證十字縫處的焊縫質(zhì)量。組合柱腹板焊縫3 360 mm，坡口形式為K形，因此焊接時(shí)由2 名焊工對(duì)稱從中間反向焊接，遇十字縫處分段，焊縫必須先長后短依次焊接，而后焊接對(duì)稱翼緣板（圖4）。

圖4 組合柱焊縫焊接順序

圖4所示①縫（腹板右側(cè)T形縫）位置為組合柱現(xiàn)場(chǎng)拼接立縫，該縫為K形坡口半熔透立焊縫，其主要特點(diǎn)是該側(cè)板面寬，且焊縫向上通長，焊接方式為熱輸入相對(duì)較大的立焊，容易導(dǎo)致寬腹板變形，且應(yīng)力得不到釋放。因此，本工程采用2 名焊工分兩側(cè)對(duì)稱分段施焊，完整焊道分打底層、填充層、蓋面層依次交錯(cuò)完成。

4.2 焊接參數(shù)控制

按照焊接工藝評(píng)定報(bào)告給出的焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡，針對(duì)不同位置給出特定的參數(shù)范圍，見表1。

表1 半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊參數(shù)

以上參數(shù)為正常施工，特殊工況下做調(diào)整，或以小參數(shù)焊接，增加層道。

4.3 操作環(huán)境控制

高層鋼結(jié)構(gòu)焊接工作大部分在高空進(jìn)行，新金陵飯店地處高樓集中地段，因此容易造成環(huán)形的氣流，風(fēng)從各個(gè)方向吹向焊道，且樓層越高受風(fēng)的影響越大，焊縫的冷卻速度也就越快，而這正是CO2氣體保護(hù)焊的弱點(diǎn)。所以采取相應(yīng)的防護(hù)措施是很關(guān)鍵的，本工程在普通風(fēng)速的影響下采取藥芯焊絲替換實(shí)芯焊絲、增大氣體流量及焊道短防護(hù)等措施 ，但在秋冬季節(jié)則必須加裝防風(fēng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境、操作人員與周邊人員安全的三防護(hù)。

5 結(jié)語

（a）高層施工包含土建、鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、防火、裝飾等各個(gè)專業(yè)，其中尤以土建和鋼結(jié)構(gòu)施工配合緊密、相輔相成，因此焊接人員與設(shè)備的配備、焊接時(shí)機(jī)的把握必須聯(lián)系土建實(shí)際進(jìn)度；

（b）焊前準(zhǔn)備工作必須到位，既能有效保證質(zhì)量、間接加快焊接進(jìn)度，而且有效保障施工工作有條不紊、循序漸進(jìn)的進(jìn)行；

（c）嚴(yán)格控制焊接順序，保障接頭焊縫質(zhì)量，減小后續(xù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件安裝誤差；

（d）高空焊接施工焊渣飛濺大、長時(shí)間高強(qiáng)度作業(yè)導(dǎo)致施工人員疲勞及高空自然環(huán)境惡劣等安全隱患突出，因此，在多工序交叉作業(yè)工況下必須做好防護(hù)。