大跨度高強超厚鋼板廊橋的焊接施工技術(shù)

盛林峰

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海國際金融中心共由上證所、中金所和中國結(jié)算3幢高層塔樓，地下金融劇院以及塔樓連接廊橋等結(jié)構(gòu)組成。廊橋位于呈“品”字形分布的3幢塔樓中間，作為連通塔樓的空中通道。結(jié)構(gòu)平面形狀呈倒“T”字形，由2個樓層和1個屋頂層組成。廊橋總長為158 m，中跨跨度75.50 m，左右邊跨32.25 m，T形跨凈跨度25.75 m（圖1）。

廊橋樓層結(jié)構(gòu)主要由2道縱向主梁與橫向連系次梁組成，主梁為通長布置（圖2）。

圖1 國金中心效果圖

圖2 廊橋結(jié)構(gòu)效果圖

2 焊接結(jié)構(gòu)特點

因廊橋跨度大，故造成其主結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面超大，鋼板超厚，鋼材強度級別覆蓋Q345～Q460。其中，大量的Q420、Q460高強鋼的使用是廊橋工程鋼結(jié)構(gòu)的一個特點。因此，高強度厚板的現(xiàn)場高空焊接是整個廊橋焊接工作中的突出控制重點。

2.1 截面超大、鋼板厚，焊接量大

在廊橋設計上，采用了大截面箱形構(gòu)件，特別是樓層主梁，截面高度基本都超過3 m，屬超大構(gòu)件。

表1為廊橋屋頂層主梁截面以及對應的材質(zhì)要求分布位置統(tǒng)計。現(xiàn)場對接接頭多，最大截面3 750 mm×1 050 mm，最大板厚80 mm，單個接頭焊縫長度達到9.6 m。

構(gòu)件截面大、板厚，造成現(xiàn)場接頭焊接量大。由于現(xiàn)場為全焊接接頭，故焊接質(zhì)量及效率將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)安裝進度。

2.2 鋼材強度高，焊接難度大

由表1可知，廊橋主梁除兩端長度各17.25 m采用了Q345外，其他均為Q420和Q460，且Q460鋼板板厚為最厚，達到60 mm和80 mm。

低合金高強鋼隨著強度級別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大，焊接工藝要求高[1-2]。

2.3 低溫、高空環(huán)境，焊接要求高

在施工現(xiàn)場焊接不同于工廠制作時的焊縫，易受外部條件的影響，焊接工藝的實施也受到諸多限制，如低溫、大風、高空，都會給焊接操作帶來不利影響。廊橋的施工又正好處于冬季，上海的冬季最低溫度可達0 ℃，甚至會低于0 ℃，因此，如何確保低溫環(huán)境下高強鋼的焊接質(zhì)量，是一個難點。

3 應對措施

根據(jù)廊橋鋼結(jié)構(gòu)焊接的特點和難點，將Q460鋼材的焊接作為主要控制對象，首先，通過對其焊接性進行分析，并結(jié)合焊接工藝評定試驗，制訂合理的焊接工藝。其次，對廊橋結(jié)構(gòu)進行合理分段，優(yōu)化現(xiàn)場焊接接頭布置，采取合適的坡口形式，盡量減少現(xiàn)場焊接量。最后，優(yōu)選焊接工人，將最優(yōu)秀的焊工布置到Q460、Q420接頭焊接區(qū)，并嚴格進行焊接過程管理控制。另外，針對現(xiàn)場長焊縫多的特點，將自動化焊接機器人運用到構(gòu)件的拼裝上，提高焊接效率。

表1 廊橋屋頂層主梁結(jié)構(gòu)截面材質(zhì)

4 焊接工藝評定試驗

4.1 Q460鋼焊接性分析

目前，在國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，低合金高強度鋼的應用越來越多，Q390已經(jīng)較為普遍，Q420、Q460使用也逐漸增多。在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，屈服強度為400～800 MPa，抗拉強度為600～1 400 MPa級別的高強度鋼材將是今后的發(fā)展方向。

低合金高強度鋼含有一定的合金元素及微合金化元素，其焊接性主要表現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對焊接熱輸入敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向增大，對氫致裂紋敏感性較大。同時隨著強度級別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大。

國金中心廊橋使用了Q460GJC板，按照GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》相關(guān)公式，計算其碳當量為0.41，其焊接性一般。

4.2 Q460鋼焊接工藝評定試驗

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，應先進行焊接工藝評定試驗。

廊橋鋼結(jié)構(gòu)板厚最大為80 mm，因此選取板厚40 mm作為工藝評定試件，焊接位置則選取橫焊和仰焊2種形式，焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊（圖3）。

焊接工藝參數(shù)（橫焊）如表2所示。

工藝上采用焊前預熱（預熱60 ℃）、多道多層（道間溫度≤230 ℃）、焊后緩冷（用保溫棉包裹）等措施。按照標準做了2組拉伸、4組側(cè)彎、6組沖擊（焊縫、焊接熱影響區(qū)各3組）力學性能試驗，結(jié)果均合格。

由此結(jié)論，針對Q460GJC鋼，采用低氫焊接方法，保證預熱溫度，中等熱輸入條件下焊接能夠獲得無裂紋、塑性好的焊接接頭。

圖3 主梁對接接頭坡口形式

表2 焊接工藝參數(shù)

5 廊橋焊接實施

整個廊橋總質(zhì)量約8 000 t，為全焊接節(jié)點。由于廊橋鋼材種類多、焊縫長又處于冬季施工，為確保焊接質(zhì)量，我們在施工上嚴格進行過程管理，從多個環(huán)節(jié)進行質(zhì)量把控。

5.1 合理分段、優(yōu)化接頭布置

廊橋構(gòu)件截面大，起重量受限，分段較多。在深化設計階段，就同步考慮現(xiàn)場焊接的可操作性。

廊橋9層局部主梁為大截面箱形構(gòu)件，次梁為“H”形構(gòu)件。箱形截面構(gòu)件，造成與之相交的次梁構(gòu)件均為“T”形接頭。

為避免現(xiàn)場大量的“T”形接頭，深化設計時將現(xiàn)場焊接接頭盡可能設置成對接形式，在工廠主梁上帶一段連接牛腿。這樣布置，一方面便于現(xiàn)場對接焊縫施焊，另一方面將牛腿與Q460主梁連接的大量焊縫放在操作條件好的工廠施焊，降低現(xiàn)場Q460鋼的焊接工作及風險（圖4、圖5）。

圖4 廊橋主次梁連接局部

圖5 主次梁連接牛腿示意

在進行主梁對接接頭坡口形式設置時，基于在箱形構(gòu)件焊接上的經(jīng)驗，底部對接焊縫設置成仰焊形式。通過焊接工藝評定試驗，采用合理的焊接工藝，并選擇優(yōu)秀的焊工施焊，完全能滿足接頭焊接質(zhì)量。這樣可避免增開大量的焊接人孔，大大減少現(xiàn)場焊縫數(shù)量，提高現(xiàn)場安裝速度[3-5]。

5.2 嚴格把控、加強過程管理

從制訂完備的焊接工藝開始，到最終完成實施并獲得合格的焊縫質(zhì)量，中間過程中的每道環(huán)節(jié)控制都至關(guān)重要。

1）優(yōu)選焊工，對所有進場焊接Q420、Q460接頭的焊工，均進行焊工附加考試。

2）嚴格執(zhí)行焊前預熱制度。根據(jù)低合金高強鋼焊接性分析，焊接時的冷卻速度將影響接頭組織的性能，若控制不當，則會導致接頭的冷裂傾向加大。針對低合金高強鋼厚板焊接，一個重要的措施就是焊前預熱。為確保加熱的均勻性，應全部采用遠紅外電加熱方法進行焊前預熱。

根據(jù)焊接工藝評定試驗結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場接頭的拘束情況，最終確定了預熱溫度（表3）。

表3 Q420、Q460預熱溫度

3）控制現(xiàn)場裝配質(zhì)量，合理安排焊接施工順序。現(xiàn)場接頭受制作、安裝多方面累積誤差等因素影響，往往存在比如接頭間隙、錯邊超差等情況，不僅造成焊接工藝的難度提高，偏差嚴重時還會對接頭的最終性能有不利影響。廊橋主梁由于超重，故采用地面拼裝、整體提升的施工工藝，因而既要保證構(gòu)件整體提升能精確到位，又要確保接頭質(zhì)量處于標準范圍內(nèi)。基于該原因，需采取跟蹤測量，并嚴格按照已安裝構(gòu)件接頭處反饋的數(shù)據(jù)，對提升主梁地面拼裝的尺寸進行精準控制。針對超長焊縫，為減小焊接應力、降低焊接變形，施工中采取多人對稱、分段退焊的焊接工藝。

4）針對低溫環(huán)境，現(xiàn)場搭設全封閉操作平臺，既滿足防風防雨要求，又保證焊接區(qū)一定的溫度，同時每條焊縫一次性連續(xù)焊接完成。

5）焊接前編制焊接工藝卡，進行針對性技術(shù)交底。接頭裝配完成、坡口清理、焊前預熱、施焊、焊后處理等，每道工序都安排定點、定人檢查，遵循工藝流程施焊。

5.3 焊接機器人輔助焊接

針對廊橋構(gòu)件截面大、焊縫長的特點，為提高焊接工效，同時也為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，我們將焊接機器人運用到構(gòu)件的現(xiàn)場拼裝焊接上，在現(xiàn)場輔助工人進行焊接（圖6）。

圖6 焊接機器人構(gòu)件拼裝焊接

焊接機器人由焊接移動小車、剛性軌道、控制箱、焊接電源系統(tǒng)和手控盒等5個部分組成。

焊接操作工需經(jīng)過培訓，考試合格后方可進行操作焊接。焊前應根據(jù)主梁高度裝配固定軌道，把自動焊匹配使用的焊接控制箱、焊接電源及送絲機，通過焊接電纜與焊接小車相連接，焊接保護氣瓶通過氣管與控制箱連接。焊接時焊接操作工利用焊接機器人示教功能對焊縫進行示教操作，保證焊接過程中熔池中心與焊縫中心一致，通過焊接參數(shù)的優(yōu)化組合，實現(xiàn)連續(xù)焊接[6-7]。

對于類似廊橋結(jié)構(gòu)大截面、長焊縫接頭，采用機器人焊接非常適合，可有效提高焊接效率、確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

上海國金中心廊橋鋼結(jié)構(gòu)從2016年底開始施工，到2017年3月結(jié)構(gòu)完成。通過對Q460低合金高強鋼焊接性的分析，根據(jù)現(xiàn)場施工特點，制訂合理的焊接工藝，并有效落實焊接管理各項措施，使得焊接質(zhì)量處于良好的受控狀態(tài)，焊縫無損檢測一次合格率達到98%以上，減少了返工，為后續(xù)施工爭取了更多時間。