超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑厚板焊接工藝及應(yīng)用

杜帆 余偉華 周斌斌 舒澤斌

(中建鋼構(gòu)有限公司 廣東深圳 518000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居住及辦公場(chǎng)所質(zhì)量的要求也逐漸提高，高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑如雨后春筍出現(xiàn)在城市里，民用建筑中高度超過(guò)100m為超高層。相比高層鋼結(jié)構(gòu)，超高層建筑所采用的鋼板厚度更厚，強(qiáng)度更高，對(duì)焊接技術(shù)精準(zhǔn)性控制提出了更高的要求。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)連接的主要形式之一，雖然應(yīng)用已十分廣泛，但鋼結(jié)構(gòu)厚板焊接技術(shù)[1]依然是當(dāng)今建筑行業(yè)亟待解決的難題。本研究依托廈航總部大廈超高層全鋼結(jié)構(gòu)工程，通過(guò)施工過(guò)程中及時(shí)存儲(chǔ)的影像記錄，研究厚板焊接工藝及變形控制技術(shù)。

1 工程概況

廈航總部大廈項(xiàng)目辦公塔樓，為鋼框架(鋼管混凝土柱)+中心支撐結(jié)構(gòu)體系的全鋼結(jié)構(gòu)，高約184.5m，地下3層，地上36層，鋼柱均為箱型鋼管柱，鋼梁截面類型含H型和箱型2種，鋼斜撐為H型，其中地上前3層為方形900mm防屈曲支撐。該工程鋼結(jié)構(gòu)連接方式，包含焊接、螺栓連接、栓焊連接，酒店塔樓鋼柱為十字型與H型兩種，二者均主要采用國(guó)產(chǎn)Q345B與Q345GJB低合金結(jié)構(gòu)鋼，總用鋼量約2萬(wàn)t，構(gòu)件均為工廠制作完成后現(xiàn)場(chǎng)拼裝。該工程焊接量巨大，超厚板較多，對(duì)焊工技術(shù)要求較高，焊工入場(chǎng)前需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格焊工考試合格后方可上崗。

2 焊接形式

在該工程項(xiàng)目中，包含大量超厚板鋼材及大截面鋼柱，焊縫主要有全熔透焊縫、角焊縫，焊縫等級(jí)分別為一級(jí)、二級(jí)焊縫。通過(guò)有資質(zhì)的相關(guān)檢測(cè)單位利用超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)焊縫質(zhì)量，該項(xiàng)目主要涉及到橫焊、平焊、立焊3種焊接方式，鋼柱、鋼梁主要截面形式如表1所示。

表1 鋼柱、鋼梁主要截面形式

3 焊接工藝

3.1 焊材與焊接設(shè)備選用

該工程焊接方式涉及到手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、埋弧焊，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661-2011選用焊材規(guī)格，如表2所示。

表2 焊材規(guī)格

施工現(xiàn)場(chǎng)手工電弧焊采用E5016，焊絲采用實(shí)心焊絲ER50-6及藥芯焊絲E501T-1；現(xiàn)場(chǎng)焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能，經(jīng)有資質(zhì)的檢測(cè)單位檢測(cè)合格后方可使用。由于該工程焊接量較大，選用NBC-500焊機(jī)，此類焊機(jī)體積較小，焊接性能好，線路成熟、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，適用于鋼結(jié)構(gòu)高質(zhì)量焊接。

3.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊接工藝及技術(shù)

3.2.1焊接順序

為控制焊接變形，防止應(yīng)力不對(duì)稱，鋼柱焊接采用兩人同時(shí)對(duì)稱施焊，相對(duì)面焊接方向?yàn)榉磳?duì)稱，即焊接里口時(shí)，第一層至第三層必須精細(xì)操作，因?yàn)楹附幼冃沃饕纱瞬襟E造成。在焊接一至三層結(jié)束后進(jìn)行背面清根處理，繼續(xù)焊接外口，外口一次焊完，最后再焊接里口剩余部分。不同截面鋼柱、鋼梁焊接順序如表3所示。

表3 鋼柱、鋼梁截面焊接順序

3.2.2焊接工藝及技術(shù)

(1)焊前預(yù)熱

由于該項(xiàng)工程中最厚板為100mm，焊前采用火焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120℃，預(yù)熱范圍寬度為焊縫上下150mm，預(yù)熱溫度采用紅外溫度儀進(jìn)行測(cè)溫，待火焰加熱器預(yù)熱離開(kāi)后方可進(jìn)行測(cè)溫。

(2)多層多道焊

為控制焊接過(guò)程中出現(xiàn)層狀撕裂的現(xiàn)象，該項(xiàng)工程厚板焊接時(shí)，首先打底焊接5mm，使用多層多道[2]方式進(jìn)行焊接，每層厚度不超過(guò)5mm，若每層厚度過(guò)大不利于控制焊縫質(zhì)量，焊接時(shí)需精細(xì)化操作。由于焊接時(shí)從焊槍溢出的CO2保護(hù)范圍有限，每層焊縫寬度超過(guò)15mm時(shí)易出現(xiàn)氣孔，該項(xiàng)目控制每層焊縫寬度為10mm，100mm厚板共焊10層。為不影響焊接質(zhì)量，施工時(shí)嚴(yán)格控制每層焊縫寬度不得超過(guò)15mm，每層焊縫由多道焊縫組成，分層多道焊及一次焊接到位的焊縫，如圖1所示。

(3)層間溫度控制

焊接應(yīng)一次性到位，避免中途間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)焊縫冷卻后出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，焊接時(shí)需使用溫度測(cè)定儀實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接層間溫度，嚴(yán)格控制層間溫度在120℃到250℃之間；焊接過(guò)程中需保持連續(xù)施工，若期間中斷后溫度降至120℃以下；再次焊接時(shí)，需重新用火焰加熱至指定溫度后進(jìn)行。

多層多道焊

一次焊接到位

(4)焊接參數(shù)確定

該項(xiàng)工程大量使用CO2氣體保護(hù)焊，為防止層狀撕裂應(yīng)按表4嚴(yán)格控制焊接參數(shù)：

表4 焊接參數(shù)

(5)焊后處理

①焊接作業(yè)完成后，清理焊縫表面的熔渣和金屬飛濺物，焊工自行檢查焊縫外觀質(zhì)量，如不符合要求，應(yīng)焊補(bǔ)或打磨，修補(bǔ)后的焊縫應(yīng)光滑圓順，不影響原焊縫外觀質(zhì)量要求。

②重要構(gòu)件或重要節(jié)點(diǎn)焊縫，焊工自行檢查焊縫外觀合格后，在焊縫附近打上焊工的鋼印。

③外露鋼構(gòu)件對(duì)接接頭，磨平焊縫余高，達(dá)到與被焊材料同樣的光潔度，清理完成后的焊縫及時(shí)予以涂刷防腐油漆，防止焊縫生銹。

3.3 焊后余溫監(jiān)測(cè)

圖2 紅外溫度測(cè)定儀

為探索CO2氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲與藥芯焊絲焊后余溫消除，該項(xiàng)工程每隔1h用紅外溫度測(cè)定儀(圖2)監(jiān)測(cè)一次焊縫表面溫度。每次監(jiān)測(cè)取焊縫隨機(jī)3個(gè)點(diǎn)，溫度取3個(gè)點(diǎn)處的平均值作為最終實(shí)測(cè)溫度。

由于該工程處于福建省廈門市，冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑，施工現(xiàn)場(chǎng)焊接完成后并無(wú)采取保溫措施，焊縫在環(huán)境中自然冷卻。通過(guò)紅外溫度測(cè)定儀實(shí)測(cè)溫度值如5所示。

表5 實(shí)心焊絲、藥芯焊絲測(cè)溫度值

圖3顯示，通過(guò)非線性擬合曲線可知，藥芯焊絲及實(shí)心焊絲散熱曲線十分接近，實(shí)心焊絲降溫較為均衡，藥芯焊絲起初降溫較快，后期逐漸變慢，在大約5～6h后焊縫均降至室溫左右；二次冪函數(shù)擬合兩種焊絲降溫曲線，藥芯焊絲為y=3.79x2-62.16x+242.86，實(shí)心焊絲為y=0.55x2-43.43x+234.32，擬合度均為0.99。該工程設(shè)計(jì)文件并未要求焊后采取應(yīng)力消除措施。

圖3 藥芯焊絲與實(shí)心焊絲散熱曲線

3.4 焊接殘余應(yīng)力消除

在焊接過(guò)程中，由于焊接件產(chǎn)生溫度梯度，接頭組織和性能的不均勻，導(dǎo)致焊接件內(nèi)部因溫差而膨脹收縮不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生焊接應(yīng)力，焊后殘留在焊件內(nèi)的應(yīng)力即為焊接殘余應(yīng)力；消除焊接殘余應(yīng)力的方法有：熱處理、錘擊、振動(dòng)法和預(yù)載法等。工程上主要采用退火處理，溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，溫度梯度約小，應(yīng)力釋放越緩慢并均勻，消除焊接殘余應(yīng)力的效果就越好，在冬季施工或焊接環(huán)境溫度較低時(shí)采用此方法。

該工程處于廈門地區(qū)，冬季平均溫度為13～20℃，溫度較高，采用在空氣中自然降溫的方式消除焊接殘余應(yīng)力。若僅考慮溫度場(chǎng)對(duì)熱應(yīng)變的耦合作用[3]，通過(guò)熱應(yīng)力物理方程[4]可知物理內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)膨脹值為αTΔT(x,y,z)，其中αT為熱膨脹系數(shù)，則該物體的物理方程為：

其中：E為彈性模量，μ為常系數(shù)，σ為應(yīng)力，ε即熱應(yīng)變，指標(biāo)形式如下：

其中：

由于兩種焊絲選用同樣的母材，均為Q345GJB熱軋型鋼，焊絲為與母材匹配，其彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)應(yīng)與母材相似，通過(guò)熱應(yīng)變無(wú)理方程及虛功原理可以推測(cè)焊縫的熱應(yīng)變同降溫曲線相似，同時(shí)可以猜測(cè)焊縫熱應(yīng)力(殘余應(yīng)力)消散曲線也相同。

4 結(jié)論

(1)目前，廈航總部大廈鋼結(jié)構(gòu)工程已完成用鋼量1萬(wàn)t，焊縫共約1.8萬(wàn)條，超聲探傷一次合格率高達(dá)99.3%。

(2)根據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中箱型鋼柱、鋼梁應(yīng)采取雙人對(duì)稱橫焊，焊接速率不可相差太遠(yuǎn)；H型鋼梁及十字型鋼柱采用先腹板厚翼緣的焊接順序進(jìn)行。

(3)超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑厚板焊接，應(yīng)采取分層多道方式進(jìn)行，嚴(yán)格控制每層每道焊縫寬度及厚度，焊接層間溫度嚴(yán)格控制在120～250℃。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，由實(shí)心焊絲及藥芯焊絲構(gòu)成的焊縫降溫速率基本一致，實(shí)心焊絲構(gòu)成的焊縫勻速降溫，藥芯焊絲構(gòu)成的焊縫前期降溫較快、后期趨于勻速，二者大約在2～6h后達(dá)到常溫，由熱應(yīng)力物理方程及虛功原理，推測(cè)焊接殘余熱應(yīng)力消散曲線與之相似。