超高層建筑鋼結構施工焊接關鍵技術

劉曉斌

一、概述

1.超高層建筑的結構

超高層建筑多采用巨柱框架+核心筒+伸臂桁架及巨型斜撐結構形式，圖1為深圳平安中心整體結構示意。焊接部位大多集中于柱-柱連接、柱-梁連接、桁架結構及巨型斜撐等位置。在超高層鋼結構安裝過程中，鋼結構的焊接質量管控是整個建筑工程質量管控的重點。

2.超高層鋼結構焊接施工特點

（1）厚板多，高強度鋼多，焊接施工難度大 控制焊接變形、消除殘余應力、防止層狀撕裂是焊接作業的重點。例如深圳京基100大廈外筒巨型鋼柱、核心筒鋼板剪力墻、桁架層區域及巨型斜撐存在大量超過50mm的厚板，最大板厚達120mm（材質為Q420GJC）。

（2）異型鑄鋼件、鍛鋼件多 例如平安金融中心鑄鋼節點設在V型支撐交點處。鑄鋼件結構復雜，重量最大達150t，焊接厚度局部達到300mm，焊接時，焊接熱量集中，焊接變形和應力難以控制。

（3）節點剖分復雜、焊縫縱橫交錯 例如深圳京基100大廈巨型斜撐與鋼柱相交的節點位置，由于節點板較厚且貫穿柱內，單個節點重達200多t，超過塔吊的起重性能，需對節點進行分解處理?？紤]到矩形鋼管柱截面尺寸大，加上巨型斜撐牛腿后構件超寬，運輸困難，因此采取將矩形鋼管柱本體橫向切分，巨型斜撐牛腿沿柱身豎向切分的方式分段。

（4）鋼結構焊接變形控制難度大 鋼結構在焊接過程中容易出現翹起、彎曲變形、波浪變形或角變形等問題，尤其是鋼板剪力墻的焊接。鋼板剪力墻尺寸較大，橫豎焊縫較長，焊接變形難以控制。

（5）高空作業多 超高層焊接作業多位于高空，且下部樓層大多未完成樓板的施工，焊接施工難度較大。作業時需搭設焊接操作平臺，焊接時防風、防雨等措施必須及時到位。

圖1 深圳平安中心整體結構示意

（6）焊接勞動強度大 長焊縫厚板需24h連續施焊，且在封閉式防風棚中，焊工作業環境差、勞動強度大。

二、超高層鋼結構復雜構件焊接防變形措施

1.臨時加固措施

超高層鋼結構構件，尤其是鋼板剪力墻，存在大量超長橫焊縫，為控制橫焊縫的焊接變形，一般采用在每道鋼骨梁上設置角鋼臨時加固剪力墻（見圖2）。

鋼結構施工中構件豎向焊縫有的長達4～5m，如果按照常規從下往上一次成形逐步退焊的方法施焊，受焊縫成形、受熱、冷卻順序有先后的影響，焊后變形將難以預控。

超長焊縫的變形控制不宜采用從下往上一次成形逐步退焊的方法施焊。施工中應設置防變形約束措施。如圖3所示構件，對稱布置共六塊水平向連接板、兩塊豎直向連接板、兩組拉梁，作為臨時固定措施。測量校正完畢后，在斜撐內側與鋼柱間設置一根16a槽鋼斜拉固定，防止第一段斜撐上口出現側向變形。在斜撐內部的兩側各設置三塊30mm厚的三角板，控制側向變形及橫向收縮量。

2.合理的焊接順序

超高層建筑鋼結構構件尺寸較大、分段復雜，為防止焊接變形，需要制定合理的焊接順序。以京基100大廈巨柱焊接為例，先焊接矩形鋼管柱的兩條長邊焊縫，焊至1/3板厚后割去臨時連接耳板，然后由4～6名焊工四面同時對稱等速施焊，分段逐步退焊，層間溫度控制在80～150℃之間。采取焊工輪換，焊機不停，連續作業方式，直至整條焊縫焊接完成（見圖4）。

三、焊接設備及焊接材料應用情況

1.焊接設備

焊接設備的應用呈現出以下三個特點：

（1）高效節能CO2焊機的應用率大幅度提高?，F場施工以CO2氣體保護焊為主，焊條電弧焊為輔。

（2）逆變焊機已經形成普遍推廣的勢頭，特別是逆變CO2焊機獲得了普遍應用。

（3）自動焊接設備發展迅猛，在鋼結構工廠加工中已獲得廣泛應用，并占據主體地位。在鋼結構現場施工中也被廣泛地采用。

2.焊接材料

焊條電弧焊由于需要頻繁更換焊條，焊后清渣工作量大等原因，限制了其在鋼結構施工中的應用，但是因其設備輕便，搬運靈活等優點仍被應用于臨時連接、定位焊等方面。

由于CO2氣體保護焊的普遍應用，以H08Mn2Si為代表的低合金鋼實芯焊絲被廣泛地應用于碳鋼和一般低合金結構鋼的焊接施工中。焊絲中的Mn、Si元素補充了由于熔池處于氧化性氣氛中母材損耗的Mn、Si，保障了焊縫的力學性能。實芯焊絲填充快、效率高，適用于厚板焊接，已被廣泛地應用于鋼結構施工中。

藥芯焊絲適用于薄板焊接或蓋面焊，工藝性能好，焊縫成形美觀。但是由于其技術水平尚未完善，存在熔敷效率低、煙塵大、送絲困難等缺點，因此制約了施工中的應用。

現今焊材品種與鋼材品種不能一一匹配，焊材品種明顯少于鋼材品種，拓展焊接材料的強度等級和品種對提高結構的安全性有很大益處，所以，未來我們應該更加重視對焊材等級的開發，以適應鋼材品種的不斷發展。

圖2 鋼板剪力墻臨時加固措施

圖3 焊接防變形約束措施示意

圖4 巨型鋼柱柱壁焊接順序

此外新型焊接輔材也被更廣泛地應用于鋼結構的施工中，如陶瓷襯墊等。陶瓷擋板的功能基本與鋼制引弧板、引出板相當，但其具有更獨特的優點：首先是節省焊材和鋼材；其次是省去了為減少應力集中和保持節點外形美觀所需的打磨工作。改善了焊接節點的應力集中狀況，提高了節點的疲勞強度、抗地震沖擊載荷和脆性破壞的能力。

四、超高層建筑鋼結構焊接新技術

1.電加熱技術

在以往的施工中，焊前預熱、焊后保溫大多采用火焰加熱，但是隨著超高層建筑的發展，鋼結構交叉節點結構越來越復雜、構件截面和鋼板厚度越來越大，火焰焊接加熱不均勻的缺點對焊接的影響也越來越大，而電加熱憑借其加熱均勻、溫度易控等優點已被廣泛地應用于施工焊接中。

根據焊接熱處理構件的形狀、尺寸、厚度定制帶工裝強力碳鋼的優質陶瓷電加熱器，如陶瓷磁鐵式，固定在焊縫坡口對應兩側，有的焊件截面比較復雜可以用鐵絲綁扎，然后用接長導線連接到電腦溫控儀通電加熱，如圖5所示。

采用電加熱預熱升溫速度應緩慢，一般情況控制在50℃/h以內，即保證溫度的均勻性。預熱寬度從對口中心開始，在焊縫及其兩側100mm處進行加熱。加熱范圍每側不小于焊件厚度的1.5倍且≥100mm。根據不同材質、不同厚度設定加熱溫度，采用紅外線測溫儀檢測加熱溫度。預熱和后熱的溫度都由電腦溫控儀設定并自動控溫。

整條焊道焊完后，應立即后熱，后熱溫度為250～300℃，恒溫1～2h，然后保溫緩冷。后熱溫度不小于規定值，在零下溫度下焊接時，適當提高后熱溫度100～200℃左右，保溫時間按工件板厚及相關要求執行，達到保溫時間后緩冷至常溫，如圖6所示。設置專門的防風防雨措施，確保焊接加熱溫度。

2.現場焊接機器人技術

工廠焊接中自動化程度高，施工現場焊接中自動化程度低。隨著建筑焊接結構朝大型化、重型化、高參數精密化方向發展，焊接機器人開始被應用于焊接施工中。自動焊技術對于操作人員的焊接技術水平要求較低，大大降低了工人的勞動強度，并且具有焊縫成形美觀、焊接過程穩定等優勢。

圖5 電加熱器安裝示意

圖6 電腦控制焊接預熱、后熱溫度曲線

GDC—1軌道式焊接機器人已成功應用于國家體育場“鳥巢”工程鋼結構焊接中。采用實芯焊絲CO2氣體保護焊，焊接機器人在“鳥巢”工程九號柱實施了橫焊，并在十六號柱實施了立焊及仰焊。該型焊接機器人在大連期貨大樓工程建設焊接施工中也得到應用。

現今對焊接機器人的開發及應用主要集中在以下兩方面：

（1）開發新型機器設備，滿足全位置的焊接 現場焊縫位置復雜，焊接機器人適用性較差，在現場施工中施焊位置受到限制，速度慢，效率較低。機器人設備的完善直接決定了焊接機器人能否在施工中得到廣泛應用。

（2）改進焊材，適應現場全自動化焊接 設計研發自保護性和防風性更好，適用性更強的新型焊材以滿足自動焊在不同施工環境下的的要求，增大自動焊應用范圍是需要重點關注的方面。

3.焊接應力實時監測技術

深圳京基100工程施工中采用了超高層施工響應的自動化軟硬件監測系統，對鋼管柱、巨型斜撐、腰桁架、伸臂桁架等結構特殊受力部位，在焊接過程中的應力應變進行了實時連續監測，數據無線傳輸。通過軟件分析，掌握了焊接過程中的結構響應規律，采取相應施工措施，大大減小了焊接殘余應力引起的變形，有效提高了鋼結構安裝精度。本文以第55層伸臂桁架應力檢測為例，介紹一下該項技術的應用。

（1）檢測設備的安裝 焊接之前根據構件形式及焊縫分布，設定監控點。再在監控點處安裝應變片并將其與電腦數據中心相連接，實現對應力的實時監控（見圖7）。

（2）監測結果分析 以55層伸臂桁架應力監測結果為例，應力監測結果如圖8所示。

由圖8可以看出，伸臂桁架在焊接后應力有個較大的突變，拉應力突然增加。說明焊接時刻的應力變化很明顯，施工中應引起重視；其他時刻伸臂桁架應力比較穩定，變化波動范圍小。

伸臂桁架焊接應力與無焊接的理論值比較分析如圖9所示。自伸臂桁架焊接后，伸臂桁架的應力變化仿真及實測結果均很低，因此伸臂桁架應力變化主要是由焊接殘余應力引起，但實際應力變化值與設計值比較，其絕對值很小，對伸臂桁架整體受力無大礙。也說明了施工中采取的相應措施得當，焊接工藝合理。

圖7 應變測點布置

圖8 55層伸臂桁架應力監測數據曲線

圖9 伸臂桁架應力數據比較

五、結語

本文通過對超高層鋼結構焊接施工特點的分析，闡述了超高層鋼結構施工焊接的關鍵技術。并結合工程實例，對超高層鋼結構施工中的鋼構件分段分節、焊接防變形措施、厚板超長焊縫焊接順序、焊接應力監測等關鍵技術進行了分析，并對焊接機器人、新型焊接材料等新技術做了簡要介紹。希望能為將來國內超高層結構的施工提供一些借鑒。