諾德英藍(lán)國際金融中心主樓核心筒鋼板剪力墻焊接關(guān)鍵技術(shù)

王 壘，胡廣龍，李 磊，曾祥文

(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)(集團(tuán))有限公司，浙江 紹興 321030)

0 前言

諾德英藍(lán)國際金融中心工程結(jié)構(gòu)主要分為主塔樓、東裙房和北裙房三個部分。本項目建筑地上為64層，地下為4層。塔樓結(jié)構(gòu)采用雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系:鋼結(jié)構(gòu)巨型框架+鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架+鋼筋混凝土核芯筒，以抵抗風(fēng)和地震的水平力作用。結(jié)合建筑的設(shè)備層和避難層，設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架與鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形桁架。巨柱與環(huán)形桁架間在平面的角部區(qū)域設(shè)置了鋼結(jié)構(gòu)次框架。該工程設(shè)計采用了多種鋼結(jié)構(gòu)典型節(jié)點，其中鋼板剪力墻設(shè)計具有典型意義。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)典型節(jié)點概況及焊接要點［1－5］

工程現(xiàn)場焊接主要包括:巨柱焊接、核心筒剪力墻焊接、環(huán)桁架和伸臂桁架焊接、裙房桁架焊接，是十分典型的超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程。

1.1 巨柱焊接

巨柱對接如圖1所示。采用多層多道錯位焊接技術(shù)，兩名或多名偶數(shù)焊工按WPS規(guī)范對稱施焊。

1.2 核心筒剪力墻焊接

鋼板剪力墻鋼板豎向?qū)樱袅附与y度較大，涉及很多實踐經(jīng)驗，是本案例闡述重點，其典型節(jié)點如圖2所示。

圖1 巨柱對接節(jié)點

圖2 鋼板剪力墻豎向?qū)拥湫凸?jié)點示意

1.3 環(huán)桁架焊接

H型腹桿對接，H型弦桿對接如圖3所示。

采用多層多道錯位焊接技術(shù)，先焊弦桿，從中間向兩邊推進(jìn)，然后中間米字節(jié)點對稱施焊，再焊其他焊縫。

1.4 伸臂桁架焊接

H型鋼支撐對接，樓層鋼梁對接如圖4所示。

采用多層多道錯位焊接技術(shù)，先焊弦桿，從中間向兩邊推進(jìn)，伸臂桁架焊接，先焊一端，然后再焊另一端，嚴(yán)禁對稱施焊。

圖4 伸臂桁架對接節(jié)點

1.5 裙房桁架焊接

H型腹桿對接，H型弦桿對接焊如圖5所示。

圖5 桁架對接處弦桿、腹桿對接節(jié)點

采用多層多道錯位焊接技術(shù)，先焊弦桿，從中間向兩邊推進(jìn)，然后再焊斜腹桿。焊斜腹桿時，先焊一端，然后焊一端，嚴(yán)禁對稱施焊。

2 主樓核心筒鋼板剪力墻分段概況

鋼板剪力墻工程現(xiàn)場焊接有兩種情況:a.鋼板剪力墻鋼板與鋼板豎向?qū)雍附訛榱⒑负缚p;b.每層鋼板剪力墻分段之間是縱向?qū)訛闄M向焊縫。

鋼板剪力墻的板厚分為40 mm和20 mm兩種。外圈鋼板剪力墻鋼板厚度為40 mm，內(nèi)圈十字方向剪力墻鋼板厚度為20 mm。現(xiàn)場鋼板墻對接縱、橫向焊縫要求為全熔透，鋼板剪力墻封閉之后形成封閉矩形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于封閉框架剛度很大，所焊焊縫承受極大的拉應(yīng)力，因此對焊接工藝要求很高，如果所采用工藝不合理將會造成焊接裂紋的產(chǎn)生，具有很大難度，鋼板剪力墻鋼板豎向?qū)恿⒑缚p布置如圖6所示。

由圖6可知，鋼板剪力墻是封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由于框架是H型鋼制作，剛度很大，其封閉體內(nèi)焊縫承受極大的拉應(yīng)力;此外鋼板剪力墻兩端存在框架剛度不對稱的情況，給焊接工程帶來極大困難。

圖6 剪力墻鋼板平面分段圖

3 鋼板剪力墻鋼板豎向?qū)雍附禹樞?/h2>

鋼板剪力墻焊接成功的關(guān)鍵是焊接順序，這是在研究鋼板剪力墻焊接失敗工程案例后得出的結(jié)論。

總體焊接順序為:第一層剪力墻鋼板構(gòu)件吊裝到位后，連接錨栓。剪力墻鋼板構(gòu)件之間連接板固定。然后進(jìn)行第二次剪力墻鋼板及暗柱吊裝。吊裝完成后進(jìn)行第一層剪力墻鋼板構(gòu)件之間縱縫立焊焊接。第三層剪力墻鋼板構(gòu)件全部吊裝就位后進(jìn)行第二層與第一層剪力墻鋼板構(gòu)件之間的橫向焊縫焊接。

為了減小構(gòu)件焊接變形，采用多層多道錯位焊接技術(shù)，焊接順序原則上先焊接焊縫兩端剛性相差不多的焊縫，對于鋼柱兩側(cè)的對稱焊縫采用同時對稱的焊接順序。對于兩根鋼柱直接單片剪力墻的兩道焊縫，采用先焊接一端焊縫(同時對另一端焊縫加強(qiáng)臨時固定)，等焊縫冷卻常溫后焊接另一端焊縫。

3.1 鋼板剪力墻層間橫焊焊縫

層間鋼板剪力墻橫向焊縫水平從中間往兩邊分段退焊，同時對稱焊接順序是從中間向兩端推進(jìn);按圖7所示的順序圖號進(jìn)行分段退焊。

圖7 層間鋼板墻對接焊縫分段退焊

3.2 剪力墻鋼板層間對接立焊焊縫

鋼板剪力墻縱焊縫立焊難度最大，根據(jù)鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)形式和焊縫的布置，將整個焊縫分成八個部分進(jìn)行分部焊接如圖8所示。1、2、3三個部分相對獨立，焊接順序根據(jù)后文細(xì)部焊接原則焊接;4、5、6、7、8 五個部分首先焊接兩段對稱部分 4、5，然后焊接4、5之間連接部分6，最后焊接7、8部分。

圖8 剪力墻鋼板層間對接立焊焊縫焊接順序

(1)第一部分(見圖8中①)焊接順序。

按圖9進(jìn)行焊接，其中“焊接順序1”為對稱施焊。

圖9 第一部分焊接順序

(2)第二部分(見圖8中②)焊接順序。

按圖10的順序進(jìn)行焊接。

(3)第三部分(見圖8中③)焊接順序。

按圖11的順序進(jìn)行焊接，其中“焊接順序1”為對稱施焊。第一道焊縫焊接完成后等待焊縫完全冷卻到常溫，然后進(jìn)行焊縫2的焊接。

(4)第四部分和第五部分(見圖8中④、⑤)焊接順序。

圖10 第二部分焊接順序

圖11 第三部分焊接順序

按圖12的順序進(jìn)行焊接;第四和第五部分，剪力墻分段基本對稱，焊接順序相同，下面介紹第四部分焊接順序。

圖12 第四部分和第五部分焊接順序

(5)第六部分(見圖8中⑥)焊接順序。

按圖13的順序進(jìn)行焊接;其中標(biāo)注1為立柱對稱施焊。焊接完成后，再焊其他焊縫，按1～6的順序焊接。一道焊縫焊接完成后，等待焊縫完全冷卻到常溫，然后進(jìn)行后續(xù)焊縫的焊接。

(6)第七部分(見圖8中⑦)焊接順序。

按圖14的順序進(jìn)行焊接。

(7)第八部分(見圖8中⑧)焊接順序。

按圖15的順序進(jìn)行焊接。

4 鋼板剪力墻焊接失敗的教訓(xùn)和成功經(jīng)驗

圖13 第六部分焊接順序

圖14 第7部分焊接順序

圖15 第8部分焊接順序

在鋼板剪力墻的施工中，通過現(xiàn)場有效控制，保證結(jié)構(gòu)安全;施工追求的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理想的初始應(yīng)力狀態(tài)最終目標(biāo)是:安裝和焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變完全符合設(shè)計的技術(shù)要求，且最大程度的均勻化;鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的初始應(yīng)力是直接涉及結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)，這也是本工程鋼板剪力墻焊接的原則。

在嚴(yán)格執(zhí)行本研究所述焊接順序的前提下，焊縫應(yīng)力應(yīng)變的大小，取決于焊縫的設(shè)置和坡口的大小，對此有很多經(jīng)驗、教訓(xùn)值得總結(jié)。

4.1 焊接坡口選擇不合理，系統(tǒng)變形大并出現(xiàn)熱裂紋

由于現(xiàn)場焊接條件和認(rèn)識水平的限制，本工程第一節(jié)柱及剪力墻基本已經(jīng)加工制作完成(見圖16)，鋼板剪力墻現(xiàn)場焊接連接坡口全部為單面坡口反面加墊板全熔透。板厚為40 mm的鋼板剪力墻對接，按常規(guī)焊縫焊接，焊接完成后結(jié)構(gòu)鋼柱和鋼板墻的變形很大，而且出現(xiàn)熱裂紋。

圖16 單向不合理焊接坡口

單向坡口是在形式構(gòu)件反面不宜焊接的場合中使用，由于坡口的截面積是雙向Ⅹ型同角度坡口的兩倍，其收縮應(yīng)力應(yīng)變大大增加，加上結(jié)構(gòu)形式特殊，因此給鋼板剪力墻系統(tǒng)帶來很多應(yīng)力應(yīng)變的不利因素，險些造成焊接工程停產(chǎn)。

4.2 不合理焊接坡口處理技術(shù)要點

焊接的應(yīng)力應(yīng)變大小取決于焊縫坡口截面積，首先要解決好這一難題。

(1)應(yīng)用堆焊技術(shù)，減少坡口截面積。

對于已經(jīng)加工完成的構(gòu)件現(xiàn)場焊接采用以下方法減小焊接變形和焊接質(zhì)量。

a.豎向堆焊焊縫的焊接順序如圖17所示。

圖17 豎向堆焊焊縫的焊接順序

b.橫向焊接順序如圖18所示。

圖18 橫向堆焊焊縫的焊接順序

(2)增加系統(tǒng)約束、減少系統(tǒng)形變。

鋼板剪力墻有較嚴(yán)格的尺寸公差，在大量焊接之后會產(chǎn)生很大的變形，導(dǎo)致焊接失敗，根據(jù)焊接應(yīng)用技術(shù)理論，增加系統(tǒng)約束可以有效的防止變形，對單面不合理坡口加強(qiáng)如圖19所示。

圖19 單面不合理坡口加強(qiáng)約束示意

按規(guī)定的焊接順序，應(yīng)用多層多道錯位焊接技術(shù)，按圖19加強(qiáng)體系進(jìn)行不合理單向坡口焊接獲得了成功。

4.3 成功的經(jīng)驗和推薦的技術(shù)要點

雙面對稱K型坡口既減少了焊縫截面積，減小了熔敷金屬，還減少了應(yīng)力應(yīng)變。采用增加約束控制焊接變形，是鋼板剪力墻焊接成功的關(guān)鍵技術(shù)，推薦雙面K型坡口及加強(qiáng)，如圖20所示。

圖20 雙面K型坡口及加強(qiáng)

工程實踐中坡口留1～2 mm間隙，第一道焊接采用單面焊雙面成形或兩側(cè)對稱焊接，兩人對稱焊接允許錯位2～3 mm。兩側(cè)對稱同時焊接，如圖21所示。

圖21 工程實踐中采用坡口形式

采用雙面K型坡口并附加約束，按上述焊接順序進(jìn)行焊接十分順利，能很好地控制焊接應(yīng)力應(yīng)變。

5 其他技術(shù)要點

對本工程大部分剪力墻分段豎向焊縫全部為立焊，焊接過程中盡量減小焊接過程中的擺動。SMAW擺動范圍小于等于3倍焊條直徑。GMAW擺動范圍15～20 mm，現(xiàn)場橫焊不得有擺動。

(1)兩根暗柱之間只有一塊剪力墻鋼板，剪力墻鋼板與兩側(cè)暗柱焊縫嚴(yán)禁對稱施焊。應(yīng)先焊接一邊，待其溫度降至常溫后在，再焊另一側(cè)焊縫。

(2)同一根暗柱兩側(cè)對稱有剪力墻鋼板對接的，應(yīng)同時對稱焊接兩側(cè)鋼板剪力墻對接焊縫。

(3)焊接邊柱時，因邊柱只有一側(cè)連接，另一側(cè)無法加固，采用在邊柱與內(nèi)柱之間增加一側(cè)加勁板，加勁板規(guī)格為PL30×200，通長布置如圖22所示。

6 結(jié)論

建筑鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑鋼板剪力墻焊接工程是建筑行業(yè)一大難題，目前掌握該項技術(shù)實質(zhì)的單位和個人并不多，諾德英藍(lán)國際金融中心主樓核心筒鋼板剪力墻焊接關(guān)鍵技術(shù)，不僅獲得良好的工程質(zhì)量和各方好評，而且為建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程提供了可以借鑒的寶貴經(jīng)驗，樹立了榜樣。

圖22 加勁板增加位置

［1］GB50205－2001.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.中華人民共和國建設(shè)部，2002.

［2］戴為志，高 良.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)及實例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.GB 50017－2003.

［4］鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.GB 50205.

［5］戴為志.鳥巢焊接攻關(guān)紀(jì)實［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2010.