高層建筑鋼結構焊接施工技術

中建八局鋼結構工程公司 上海 200125

1 工程慨況

南京新金陵飯店層高242 m，從地下負3層柱腳往上外圍四角分布有8 根組合柱和對稱的8 根十字柱，內圈核心筒四角則為4 根十字柱和2 根H形柱。結構平面見圖1。隨著層高，外圍十字柱分4 次截面變化，中間多層腰桁架，內圈核心筒起始剪力墻，設備層、結構封頂停機坪都有加密梁，設計用鋼總量逾1.6萬 t。該工程主構件形式多變、焊接時機要求嚴格，焊材消耗量大，且高空操作與防護困難，因此，焊接是個極其重要的環節。

圖1 結構平面

2 焊接節點形式[1-3]

新金陵飯店鋼結構工程現場焊接節點主要有：組合柱、十字柱、H形柱、鋼管柱對接橫焊；箱形腰桁架斜撐、箱形梁全位置焊接；組合柱現場組合立焊；梁-柱栓接平焊；栓接連接板與核心筒埋件立焊。其中80%焊縫為一級焊縫，最大截面焊縫長約6 m，涉及板材厚12～40 mm。

3 焊接工藝[4-5]

3.1 焊接方法的選擇

考慮鋼結構工程焊接熔敷量大、工序銜接緊，因此選用了半自動CO2氣體保護焊作為主要的焊接方法：一是變形小，焊接效率高；二是相對靈活性大且具有一定的抗表面銹能力；三是氣保護相對廉價且避免了烘焙、過程熔渣處理等工序。其主要缺點是氣保護受風影響大，容易出氣孔等缺陷。因此，以環境惡劣程度可換用藥芯焊絲或加大過程中的防護措施來補償。

3.2 焊材的選擇

根據鋼結構使用鋼材Q345B選用實芯焊絲ER50-6（Φ1.2 mm）和藥芯焊絲E501T-1（Φ1.2 mm）。過程焊條手工焊焊條用E5015（Φ3.2 mm、4.0 mm）。

3.3 坡口形式

以中厚板為主的高層鋼結構焊接量大、變形控制難度高，所以坡口的設計對工程的進度和質量起著關鍵的作用。其原因有：

（a）坡口角度小，則不能滿足熔合比要求，有時出現根部未焊透等缺陷，而加大組對間隙則在增加熔敷量的同時收縮應力也相應增大。且窄而深的焊縫成形系數偏小，影響一次結晶，容易產生區域偏析，在拘束應力大的情況下進而導致焊接熱裂紋的產生；

（b）坡口角度大，則焊接量增加，焊縫角變形收縮過程的殘余應力也大大增加，容易引起變形。這不僅對鋼結構體系初始應力的控制極為不利，同時也給后續的安裝精度帶來困難；

（c）坡口形式不合適，則不僅給控制變形和降低殘余應力增加難度，同時也限制了焊工操作空間的有效利用和人員的布置。

鑒于梁、柱翼緣板較短，且截面較為對稱，決定采用單V形坡口。組合柱腹板長縫3 360 mm、通長半熔透立縫采用K形坡口，坡口角度為40°±2°，如圖2所示。

圖2 主要坡口形式

4 過程控制[6-8]

4.1 焊接順序

新金陵飯店鋼結構工程施工進度與土建相輔相成，因此，深化鋼柱3～4層1 節。

以3層節點為例，焊接順序見圖3。組合柱現場對接立縫則按土建樓面進度提前一層焊接。

圖3 焊接順序

層面鋼梁焊接時，焊工均勻分布，先焊接外圈梁。單根鋼梁兩端分先后焊接，以降低焊接收縮產生的應力應變帶來的影響，保障整體變形的控制。

組合柱、十字柱對接焊縫焊接時，先對稱焊接腹板焊縫，以釋放部分縱向應力，保證十字縫處的焊縫質量。組合柱腹板焊縫3 360 mm，坡口形式為K形，因此焊接時由2 名焊工對稱從中間反向焊接，遇十字縫處分段，焊縫必須先長后短依次焊接，而后焊接對稱翼緣板（圖4）。

圖4 組合柱焊縫焊接順序

圖4所示①縫（腹板右側T形縫）位置為組合柱現場拼接立縫，該縫為K形坡口半熔透立焊縫，其主要特點是該側板面寬，且焊縫向上通長，焊接方式為熱輸入相對較大的立焊，容易導致寬腹板變形，且應力得不到釋放。因此，本工程采用2 名焊工分兩側對稱分段施焊，完整焊道分打底層、填充層、蓋面層依次交錯完成。

4.2 焊接參數控制

按照焊接工藝評定報告給出的焊接工藝指導書或焊接工藝卡，針對不同位置給出特定的參數范圍，見表1。

表1 半自動CO2氣體保護焊參數

以上參數為正常施工，特殊工況下做調整，或以小參數焊接，增加層道。

4.3 操作環境控制

高層鋼結構焊接工作大部分在高空進行，新金陵飯店地處高樓集中地段，因此容易造成環形的氣流，風從各個方向吹向焊道，且樓層越高受風的影響越大，焊縫的冷卻速度也就越快，而這正是CO2氣體保護焊的弱點。所以采取相應的防護措施是很關鍵的，本工程在普通風速的影響下采取藥芯焊絲替換實芯焊絲、增大氣體流量及焊道短防護等措施 ，但在秋冬季節則必須加裝防風平臺，以實現環境、操作人員與周邊人員安全的三防護。

5 結語

（a）高層施工包含土建、鋼結構、機電、防火、裝飾等各個專業，其中尤以土建和鋼結構施工配合緊密、相輔相成，因此焊接人員與設備的配備、焊接時機的把握必須聯系土建實際進度；

（b）焊前準備工作必須到位，既能有效保證質量、間接加快焊接進度，而且有效保障施工工作有條不紊、循序漸進的進行；

（c）嚴格控制焊接順序，保障接頭焊縫質量，減小后續節點構件安裝誤差；

（d）高空焊接施工焊渣飛濺大、長時間高強度作業導致施工人員疲勞及高空自然環境惡劣等安全隱患突出，因此，在多工序交叉作業工況下必須做好防護。