上海中心大廈鋼結構焊接變形控制研究★

黃譽（上海建科工程咨詢有限公司，上海200032）

上海中心大廈鋼結構焊接變形控制研究★

黃譽
（上海建科工程咨詢有限公司，上海200032）

對大型鋼結構焊接變形因素進行了闡述，以上海中心大廈鋼結構工程為案例，針對該工程結構及節點復雜、安裝精度要求高、焊接變形大等特點，從焊接坡口形式、焊接方法、焊接順序、焊接工藝及節點裝配順序等方面進行了控制研究，實踐表明，該工程焊接變形得到了有效控制，鋼結構安裝順利進行，構件安裝精度及節點施工質量符合相關要求。

大型鋼結構，焊接變形控制，焊接工藝

鋼結構焊接變形是一個不可避免的問題，大型復雜鋼結構尤其是現場安裝，一旦發生過大焊接變形，其高空安裝校正難度相當大，將會極大地影響安裝工期、生產成本和安裝質量，因而必須通過焊接工藝、焊接順序等方面來對焊接變形進行控制，盡可能減少焊接變形。焊接變形主要是由于焊接中焊件受到不均勻的加熱和冷卻，焊接各部位金屬熱脹冷縮的程度不一致，而各部分相互連接相互制約，不能自由的伸長和縮短，進而產生應力不均導致變形，常見的焊接變形有橫向收縮變形、縱向收縮變形、彎曲變形、角變形、扭曲變形和波浪變形六種，其中縱向收縮變形和橫向收縮變形是基本的變形形式，根據以往的焊接生產經驗，焊接變形的影響因素主要有構件剛度及約束狀態、焊縫形式、焊接順序、焊接方法、焊接工藝等。

1 焊接變形控制研究

上海中心大廈工程位于上海市浦東新區，塔樓地上124層，建筑高度632 m，沿豎向共分為8個區段和1個觀光層，在每個區段的頂部均布置有設備層和避難層，裙房地上7層，建筑高度為38 m，地下室5層，整個建筑總面積約57萬m2。結構采用了巨型框架+核心筒+伸臂桁架抗側力結構體系，為鋼—混凝土混合結構，整個工程鋼結構用量約10萬t，具有構件重大、節點復雜、安裝精度要求高、焊接變形控制難度大等特點，為有效控制焊接變形，主要從以下幾方面進行了控制研究。

1.1 增加約束來控制焊接變形

一般情況下，結構剛度越小，焊后變形越大，反之變形越小。結構的剛性取決于其截面的形狀、尺寸及約束狀態，截面越大，結構剛性越大，變形就越小，約束狀態下的焊接變形較無約束的小。上海中心大廈外框豎向由12根內埋勁性鋼骨的巨型柱構成，是結構最主要的受力構件之一，其勁性鋼柱安裝精度控制是整個工程鋼結構安裝質量控制的重點，而巨型柱截面復雜（見圖1）、板件厚，焊前組裝對接錯位要求高，制作精度和安裝精度控制難度大。為有效控制現場焊接變形，確保組裝精度，在巨型柱吊裝就位，上下節柱對接焊接前，須將與上節柱相連的框架梁吊裝就位與之連接，以形成局部小框架的穩定結構后（見圖2），才能開始進行巨型柱的焊接。這樣樓面鋼梁可以對巨型柱提供較好的側向約束，從而有效減少巨型柱的焊接變形。

1.2 利用合理的焊接順序減少變形

焊接順序不同其焊后變形也不同，一般的焊接順序是先焊主要焊接、約束大的焊縫，再焊剛度小、次要焊縫，當構件具有對稱布置的焊縫時，可采用對稱焊接減少變形。對于本工程巨型柱，根據截面特點，加之巨型柱靠核心筒側傾斜，為減少焊接變形，采用4人對稱焊接，焊接順序為A→B→C→D。施焊時，首先由3名焊工進行焊縫群對稱軸線的A焊接，考慮到柱子內傾，再由1名焊工對A部位進行焊接，這樣可以有效減少向核心筒側的焊接變形。之后由4名焊工對稱的進行B部位焊縫焊接，之后是C部位，最后是D部位焊接（見圖1）。在環帶桁架與巨型柱的節點板對焊，節點板板厚達120 mm，焊縫長度達3 m多，且為立焊，焊接難度大，焊接變形大，為有效減少焊接變形，采用分段退焊的措施。

圖1 巨型柱截面及焊接順序示意圖（A→B→C→D）

圖2 外框架局部布置示意圖

1.3 預變形法

在焊前進行裝配時，預置反方向的變形量為抵消焊接變形，這在生產實踐中是行之有效的好辦法。本工程巨型柱隨著結構的增高，與核心筒的距離逐漸變小，即巨型柱向內側傾斜，巨型柱在焊接過程中，由于柱子內傾自重影響，容易向內側傾斜變形，為此，在吊裝就位施焊前，將柱在理論位置基礎上向外側預傾斜3 mm～5 mm。

1.4 預設焊接橫向變形收縮余量

巨型柱焊接時，焊縫橫向收縮變形（高度方向）將對結構安裝精度控制帶來較大影響，為確保巨型柱標高及鋼梁標高精度，需要對焊縫橫向收縮變形進行控制。通常而言，焊縫橫向收縮變形可按下式估算:單V對接焊縫橫向收縮近似值及公式:y=1.01×e^ （0.046 4t），其中，y為收縮近似值;e為2.718 282;t為板厚，但實際工程中，其變形值受焊接方法、間隙等影響較大，要精確計算其橫向變形較難，為此，在本工程鋼結構安裝的起始階段，通過對大量巨型柱焊縫收縮變形的實測（見圖3），統計得出巨型柱焊接橫向收縮變形在1mm～3mm間，根據統計分析結果，考慮到施工的效率和標高控制，在巨型吊裝就位矯正時，將組裝間隙在理論值的基礎上統一預加2 mm～3 mm，從而較好的控制了巨型柱標高的安裝精度。

1.5 盡可能減少熱輸入量、熔敷金屬量

減小焊縫截面積，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸（角度和間隙），有利于減少焊接變形。本工程桁架層節點板最大板厚達120 mm，為減少焊縫面積，在橫向焊縫中，將常規的坡口角度30°～45°減少到15°（見圖4）。此外，將常規的立焊單面坡口焊接改為雙面坡口焊接也可以減少焊縫面積（見圖5）。焊縫截面積減少，相應的焊縫熔敷金屬也減少，從而熱輸入量更小，自然可以減少焊接變形。此外，盡可能的采用小電流施焊也有利于減少熱輸入量。選用焊接線能量小的焊接方法，可以有效地減少焊接變形。本工程鋼結構現場焊接全部采用CO2藥芯焊絲氣保焊來代替焊條電弧焊，不但效率高，而且線能量相對較小，可以明顯地減少焊接變形。

圖4 坡口角度盡可能改小

圖5 單面焊改雙面焊

1.6 優化焊接工藝

厚板焊接用多層多道焊（見圖6），小電流有利于減少焊接變形。每道焊縫收頭需熔至上一道焊縫端部約50 mm處，即錯開50mm，使焊道的接頭不集中在一處。鋼板兩端增設引弧、收弧板。

圖6 多層多道焊縫示意圖

1.7 利用合理的節點裝配焊接順序

環帶桁架與巨型柱的節點連接中（見圖7），考慮到節點1，3的現場焊接變形較大，為此，按圖示順序先將兩端焊接完成，然后對腹桿進行連接，最后對中間的螺栓進行施工。中間的螺栓節點亦采取用臨時連接板包夾腹板和翼緣進行臨時固定，臨時連接板可采取開擴大孔或長圓孔的方式，投入一定數量的螺栓為臨時螺栓，使構件能夠應對焊接收縮變形，隨后加工廠按實測數據制作連接板進行替換，保證了桁架層的順利安裝，確保了節點連接質量。

圖7 環帶桁架與巨型柱的連接

2 結語

上海中心大廈主體鋼結構現場安裝具有構件重、大、節點復雜、鋼板厚、焊接變形控制難度大等特點，通過選擇合理的焊接方法及順序、優化焊接工藝和接頭形式、預設反變形、合理的節點安裝順序等對焊接變形進行了系統的控制研究并嚴格實施，目前主體鋼結構核心筒已安裝至60層，外框鋼結構已安裝至45層，焊接變形得到了有效控制，焊接接頭間隙及錯位、高強螺栓連接穿孔質量得到了保證，構件安裝精度符合設計和規范要求，確保了鋼結構安裝的順利進行和現場安裝質量。

［1］GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范［S］.

［2］JGJ 81-2002，建筑鋼結構焊接技術規程［S］.

［3］丁潔民，巢斯，趙昕.上海中心大廈結構分析中若干關鍵問題［J］.建筑結構學報，2010，31（6）：6.

Research on welding deformation control at steel structure of Shanghai Center Tower

HUANG Yu

（Shanghai Building Science Engineering Consulting Co.，Ltd，Shanghai200032，China）

The paper illustrates thewelding deformation factors of large steel structure，undertakes the control research from thewelding groove，the weldingmethods，the welding sequence，thewelding craft and joint assembling according to the features complicated joints and structure，the high installation accuracy，and largewelding deformation of the steel structure projectof ShanghaiCenter Tower，and proves by the practice that the welding deformation of the project can have effective control，the steel structure installation can be undertaken in a smooth way，and its components installation accuracy and joint construction quality can meet the relative requirements.

large steel structure，welding deformation control，welding craft

TU758.11

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.113

1009-6825（2012）19-0230-02

2012-05-10★：公司科研創新基金（項目編號：1G2110027）

黃譽（1979-），男，博士，工程師