泰安道五號院工程焊接順序研究

1 工程概況

泰安道五號院工程是天津市市屬重點工程，位于天津市和平區泰安道以南，南鄰曲阜道，東臨大沽北路，西臨浙江路，總建筑面積189 000m2，地下3層、地上47層，建筑最大高度263.4m，附樓屋頂高度為39 m，基坑最大深度18.05m；塔樓結構形式為鋼框架-核心筒（內筒外框）結構 ，附樓及地下室為鋼筋混凝土框架結構，屬于超高層建筑。

該工程主體核心筒結構為混凝土結構，外框為鋼管柱內灌混凝土結構。外框鋼管柱20根，最大管徑1.5m，最小管徑0.6m，最大壁厚30mm。鋼梁形式為H型鋼，共計4 183根，結構總鋼量25 000 t。

2 研究方法

2.1 研究內容

標準層外框鋼結構焊接順序；轉換層桁架焊接順序；焊接對于整體結構的應力、應變影響分析。

2.2 研究方法

采用MIDAS/gen三維有限元軟件建立結構模型，然后使用軟件中的施工模擬、生死單元、溫度荷載技術按照不同順序對結構的相應位置施加和取消焊接熱影響，從而得到不同焊接順序的應力、應變數值，通過數值加以分析。

3 標準層焊接順序研究

每一層的結構基本相仿，現在以標準層為對象，進行焊接順序的研究。焊接順序分為兩種：由兩邊向中間焊接、由中間向兩邊焊接，見圖1和圖2。

圖1 由兩邊向中間焊接

圖2 由中間向兩邊焊接

3.1 分析

分析采用midas有限元軟件，對安裝各工序的構件、荷載及焊接熱影響依次進行激活及鈍化模擬整層的焊接過程，見圖3。

圖3 泰安道五號院MIDAS模型

1）由兩邊向中間焊接模型分析。焊接完成后最大變形3.46mm，最大應力比0.41。

2）由中間向兩邊焊接模型分析。焊接完成后最大變形3.5mm，最大應力比0.38。

3.2 對比及結論

兩種焊接情況的計算結論基本相仿，由中間向兩邊焊接的方法應力比略微低于由兩邊向中間焊接的情況。同時，實際施工中應保證結構角部的變形，這兩種方法中由中間向兩邊焊接的方法角部結構最后施工，更加便于消化施工誤差，滿足結構外形尺寸要求。從應力比及施工合理性上綜合分析，最后選定由中間向兩邊焊接為最終的焊接順序。

4 轉換層桁架焊接順序研究

根據轉換桁架應用于結構避難層，是結構剛度最大的地方，所以是施工需要嚴格控制的區域。

4.1 分析

轉換桁架分為4種情況：由中間向兩邊，由上而下；由中間向兩邊，由下而上；由兩邊向中間，由上而下；由兩邊向中間，由下而上。

1）由中間向兩邊，由上而下。焊接完成后最大變形10.24mm，最大應力比0.155。

2）由中間向兩邊，由下而上。焊接完成后最大變形10.28mm，最大應力比0.168。

3）由兩邊向中間，由上而下。焊接完成后最大變形10.3mm，最大應力比0.154。

4）由兩邊向中間，由下而上。焊接完成后最大變形10.28mm，最大應力比0.168。

4.2 對比及分析

由以上4組數據可以看出，桁架由上而下焊接應力小于由下而上焊接，而無論是由中間向兩邊還是由兩邊向中間施工的應力比基本一致均在0.155左右，是安全的。現場施工考慮保證角部尺寸最終選擇由中間向兩邊，由上而下進行焊接的施工方式。

5 整體結構焊接應力、變形研究及總結

將上述研究成果逐一累加至結構模型。從頭至尾完整模擬結構施工焊接過程，研究焊接過程對整體的應力、壓縮變形的影響程度。

沒有焊接熱影響的結構，見圖4和圖5。鋼結構最大應力比為0.303，結構柱最大變形為-21.3mm。

圖4 沒有焊接熱影響的變形

圖5 沒有焊接熱影響的應力

考慮焊接影響后結構，見圖6和圖7。鋼結構最大應力比為0.391，結構柱最大變形為-20.4mm。

圖6 焊接影響的變形

圖7 焊接影響的應力

6 結論

從以上兩組數據可以看出，結構因焊接應力最大提升0.088，結構壓縮變形縮小約1mm，這兩個數據證明給結構帶來的影響非常微弱，證明采取的焊接順序較為合理，符合施工及設計要求。