超高層建筑鋼結構連廊厚板焊接施工技術*

高雷雷 柳志華

1. 中冶天工上海十三冶建設有限公司 上海 201900；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海金虹橋國際中心為典型的凱旋門式結構，由南北塔樓及連體結構組成。連體結構共8 層，位于22～29層之間，高度為100.9～134.6 m。層間無豎向結構，為超高層片狀鋼結構連廊。連廊平面位于K～N軸/18～23線之間，尺寸42 m×24.7 m，為平面框架結構體（圖1）。

圖1 鋼連廊平面

連廊所用鋼材均為Q345BH型鋼，主梁截面主要有1 200 mm×600 mm×20 mm×60 mm、1 800 mm×600 mm×30 mm×80 mm、2 200 mm×800 mm×35 mm×100 mm等，最大板厚達到100 mm，其中厚60 mm及以上鋼板用量達900 t。

根據本工程特點，確定如下技術路線：地面拼裝→液壓整體提升→高空對口合攏。提升共分4 個單元，從上至下依次進行。

2 焊接施工難點

（a）所有主梁均沿長度方向分段制作，現場焊接成型。為減少拼裝整體誤差，減少高空對口合攏難度，必須對焊接變形進行控制。由于鋼板較厚，焊接變形控制較困難。

（b）提升單元提升到位后，連廊與塔樓為剛接節點，高空焊接量大。同時，所有高空對接焊縫均為一級焊縫，焊接質量要求較高。

（c）整體提升施工正值冬季，焊接作業環境溫度較低，對焊接作業前、后的預熱保溫工作要求高。

（d）提升單元提升到位后，應按一定的順序進行對口焊接，以利于焊縫收縮變形可以自由進行釋放。

3 焊接工藝確定

厚板焊接時鋼梁翼緣的焊縫為水平位置，填充量大。為避免仰焊作業，上、下翼緣均采用單邊V形坡口的平焊方式，有效的提高了焊接作業效率。根據鋼結構連廊焊接的施工要求，結合主塔樓箱型柱焊接的相關經驗，采用CO2氣體保護焊作為連廊厚板焊接施工方法。該工藝優勢在于：CO2氣體保護焊接成本較低，經驗數據表明其成本為手工電弧焊的50%左右；生產率高，實心焊絲的CO2電弧穿透能力強熔深大，熔敷速度快，效率比手工電弧焊高1～4 倍；表面焊渣少，減少了清渣工序，同時焊絲頭使用剩余量少，損耗量顯著降低。

4 焊接實施工藝

4.1 焊前準備

（a）制定焊接工藝評定[1-3]：在焊接作業前首先應確保原材料的合格，做好焊接工藝評定試驗，并針對現場的作業環境對焊工進行交底。在原材料合格的前提下，由焊工按照經過評定合格的焊接工藝施工。

（b）作業人員及材料選擇：焊接工作應由取得相應項目、并在有效期內取得焊工合格證的焊工承擔。焊接用CO2氣體純度高于99.7%，其含水量不應大于0.005%。焊材選用ER50-6型Φ1.2 mm，實心CO2氣體保護焊絲，其力學性能如表1所示。

表1 焊絲力學性能

（c）主要參數：電流為100～350 A；焊絲伸長度為15 mm；噴嘴與母材距離為12～15 mm；CO2氣體流量為35～65 L/min。

（d）焊縫坡口形式及環境：連廊主梁采用單邊V形坡口的平焊方式，拼裝時嚴格控制間隙保持在3～4 mm。為防止焊接根部產生缺陷，在每個焊口焊接前應對坡口及其周邊50 mm的范圍以及墊板、引弧板等用砂輪機和鋼絲刷認真地清除防銹漆及雜物。當現場風速＞2 m/s時，應采用封閉圍擋，避免產生焊接氣孔。焊接作業區的相對濕度≤90%時方可施焊。

（e）誤差糾正：對于已經出現的誤差，由地面拼裝通過反變形的方法進行糾正。對不能采取反變形的部位，地面拼裝測量的數據應及時反饋到焊接工序上，可臨時改變焊接順序，利用焊接的變形進行糾正。

（f）焊接前預熱：為防止焊縫產生裂紋，應針對板厚、氣候、風力等不同情況，對焊件進行預熱處理，保持施焊中的層間溫度。

4.2 焊接過程控制

4.2.1 焊接順序

要合理安排地面拼裝和高空對口安裝的焊接順序，減少焊接收縮變形對結構整體誤差及內應力過大產生的影響。本工程采用結構對稱、節點對稱的全方位對稱連續焊接。整體平面上遵循由中部對稱向外焊接的順序，以便高空合攏順利進行。單元接頭遵循對稱施焊的原則，采用相同的熱輸入沿鋼梁對稱軸焊接。

4.2.2 應力及變形控制

由于焊接過程中進行局部高溫加熱及快速冷卻，形成了一種特定的溫度場，產生了殘余應力或變形。為減少殘余應力或變形產生，采用先手工電弧焊打底4～5 層，然后再用CO2氣體保護焊，保證2 條焊縫預熱達到規定的溫度。同時，對長焊縫采用了多人對稱焊接的工藝，對中間焊層進行逐層錘擊，消除殘余應力。

4.2.3 防止層狀撕裂

焊接前，對焊縫兩側2 倍于板厚加30 mm的區域附加超聲波探傷，不得出現裂紋夾層等缺陷。在滿足受力要求的情況下選擇屈服強度低的焊絲，有助于焊縫金屬應力重分布，減少變形集中。

4.2.4 焊接操作[4]

同一焊縫應連續施焊一次完成，對于板厚100 mm、長度800 mm的大型焊縫，其焊接必須完成2/3的工作量才能停止焊接，再二次施焊完成。再次焊接前按規定要求進行預熱處理，中途不宜停止。

厚板焊接過程中嚴格控制焊熱輸入量，在保證熔合良好的情況下，采用小電流、慢速焊減少對母材的影響，避免產生夾渣、未熔合等缺陷。

4.2.5 缺陷處理

焊接過程中嚴格執行多層多道施焊成型的原則，避免焊接過程中產生咬邊、未焊滿、根部收縮等一級焊縫不允許的缺陷。對出現的焊縫缺陷采用碳刨清除后補焊，焊縫同一部位的補焊次數不多于3 次。

4.3 焊后處理

針對冬季施工的焊縫，為保證其焊接質量必須進行焊后保溫。根據相關規定，現場焊縫后熱溫度為200 °C，保溫時間為1.5 h。當溫度低于0 °C以下時，采用石棉布保溫使焊縫緩慢冷卻。為消除焊接應力，對焊完的焊縫采用錘擊法來減小應力。焊接完成后，用火焰切割去除引弧板，并修磨平整。

5 結語

上海金虹橋國際中心工程鋼結構連廊于2011年11月13日開始第1單元地面拼裝，2012年2月20日第4單元合攏完成，焊接施工歷時50 d，提升單元平均焊接時間12.5 d。所有鋼梁焊接均為厚板焊接，一次合格率達到95%以上，返修后合格率達到100%。根據高層鋼結構連廊施工的總體技術路線，分析了焊接技術難點，制定了針對實際工況的焊接工藝和控制措施，確定了合適的工藝參數并嚴格進行技術管理。本工程實踐結果表明：厚板焊接質量、進度、安全均滿足要求，社會效益及經濟效益明顯。