江東·和諧世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)工程制作與安裝關(guān)鍵焊接技術(shù)

何志濤 張發(fā)榮 李鋼

一、工程概況

江東·和諧世紀(jì)廣場(chǎng)地處云南昆明北市區(qū)銀河大道，由兩幢互為對(duì)稱的超高層雙子（B座和D座）塔樓組成，均為鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上55層，塔樓頂部標(biāo)高209.25m。因云南地區(qū)地震帶較為活躍，在19層、33層和47層設(shè)置有避難層，為轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)，核心筒、外框架和伸臂桁架共同構(gòu)成整體抗側(cè)力體系，抗震設(shè)防基本烈度為8度（見圖1）。工程主要采用Q345B、Q345GJC、Q345GJC—Z15及Q345GJC—Z25等鋼材。

二、焊接工程的關(guān)鍵技術(shù)

1.焊材及焊接方法的選擇

焊接材料的選擇主要受焊接性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等三方面的影響，本工程在焊材選擇上遵循焊縫強(qiáng)韌性配比“等強(qiáng)為主、低強(qiáng)為輔”的原則進(jìn)行。

綜合考慮在工廠制作與現(xiàn)場(chǎng)安裝的焊接效率、操作難度以及焊接質(zhì)量的控制情況，工廠鋼柱、鋼梁等規(guī)則構(gòu)件采用SAW，異型件采用GMAW-CO2的焊接方法進(jìn)行；現(xiàn)場(chǎng)鋼柱對(duì)接的橫焊（V）、平焊（F）采用GMAWCO2的焊接方法進(jìn)行，梁、柱連接定位焊采用SMAW，部分施焊空間較大的鋼柱對(duì)接則采用機(jī)器人自動(dòng)焊。

根據(jù)母材及焊縫性能，本工程鋼結(jié)構(gòu)選用的焊接材料如下：SAW采用金橋H10Mn2+SJ101；GMAW-CO2采用大西洋ER50—6級(jí)焊絲；SMAW采用鐵錨J506或J507焊條。

2.工廠焊接工藝應(yīng)用

（1）焊接新技術(shù)的應(yīng)用 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661—2011）和AWS D1.1中相關(guān)要求，在抗震結(jié)構(gòu)和工程外觀要求高，且焊接工程師有特殊要求的結(jié)構(gòu)中，不能選用保留鋼襯墊的焊接工藝。在本工程工廠制作過程中，運(yùn)用玻璃纖維編織網(wǎng)襯墊取代鋼襯墊、陶瓷襯墊和反面清根等工藝方法。不僅施焊方便，背面成形良好，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠、免清根，而且可在異型結(jié)構(gòu)中使用，達(dá)到單面焊雙面成形的效果。

圖1 工程實(shí)效

焊接前，在母材坡口背面加設(shè)編織網(wǎng)襯墊，焊接過程中，背面焊縫在成形過程中能夠與編織網(wǎng)內(nèi)部焊劑起到冶金反應(yīng)，強(qiáng)化焊縫金屬的性能。在工廠全熔透焊接過程中采用玻璃纖維編織網(wǎng)襯墊的對(duì)接和T形接頭，如圖2所示。

（2）厚板節(jié)點(diǎn)的裝配與焊接 本節(jié)點(diǎn)為避難層節(jié)點(diǎn)，最大板厚為80mm，鋼材為Q345GJC—Z25。其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，裝配和焊接難度較高。

第一，根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣的尺寸，在加工好過渡坡口的十字板上劃中心線和零部件的裝配尺寸線（見圖3）。

第二，以中間大板為中心逐步向外進(jìn)行各板件的裝配。首先裝配中間三塊腹板，中間八塊小勁板事先不進(jìn)行裝配，留后道工序進(jìn)行裝配（見圖4）。焊接時(shí)要求以貫通腹板中心為起弧點(diǎn)向兩邊焊接，其余兩塊腹板焊接時(shí)要求同一板件布置兩名焊工采取同方向同步對(duì)稱施焊（見圖5）。

第三，進(jìn)行中間八塊小勁板的裝配和部分焊縫的焊接。焊接時(shí)，先焊接小空間難施焊的部位，接著焊接外側(cè)坡口焊縫（見圖6）。

第四，進(jìn)行斜向勁板及豎直勁板的裝配。斜向勁板裝配完畢后要求先進(jìn)行小空間小角度部位的焊接，其余部位和豎直勁板要求暫不進(jìn)行焊接，留節(jié)點(diǎn)裝配焊接完畢后再進(jìn)行焊接。上述所有工序完成后再進(jìn)行十字蓋板的裝配焊接，最后進(jìn)行十字部分及后續(xù)零部件裝配的焊接。具體操作如下：裝配斜向勁板及豎直勁板，然后進(jìn)行十字蓋板的組焊。除特殊坡口外，其余坡口方向均要求朝外（見圖7）。

第五，在組裝好的十字節(jié)點(diǎn)上精確畫出零部件裝配的定位尺寸線，然后進(jìn)行十字柱板件的組裝，最后進(jìn)行異形板件的裝配焊接（見圖8、圖9）。

圖2

圖3 十字板劃線

圖4 十字組裝

圖5 板件焊接順序

圖6 小勁板組裝

圖7 斜向與豎直勁板組焊

因本節(jié)點(diǎn)均為厚板焊接，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形，在滿足小空間可施焊的前提條件下，采用同步對(duì)稱施焊（見圖10）。

第六，裝配剩余的零件板，然后進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，以十字中心為基準(zhǔn)逐步向外側(cè)板件進(jìn)行焊接。在內(nèi)側(cè)十字板件正式焊接前，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)各板件互為約束的方式，將各接頭焊縫部位進(jìn)行一層打底焊，避免內(nèi)側(cè)板件焊接時(shí)因焊接應(yīng)力而影響外側(cè)板件的各項(xiàng)重要尺寸（見圖11）。

第七，在平臺(tái)上搭設(shè)胎架。根據(jù)圖樣設(shè)計(jì)尺寸，劃地樣線，標(biāo)示各關(guān)鍵尺寸控制點(diǎn)，立簡(jiǎn)易裝配胎架。搭設(shè)胎架時(shí)注意平臺(tái)的水平度，需用水準(zhǔn)儀進(jìn)行校核（見圖12）。

第八，按照“先中間，后兩邊”的裝配合攏原則先進(jìn)行構(gòu)件中部十字柱，然后以十字柱兩端頭為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行。十字柱吊裝至平臺(tái)胎架上后，需根據(jù)事先在平臺(tái)上所畫的地樣用鉛垂線進(jìn)行核準(zhǔn)，在調(diào)整的過程中，構(gòu)件與胎架之間的間隙可用三角形鐵楔進(jìn)行微調(diào)（見圖13）。

第九，十字柱吊裝且校核完畢后再裝配十字柱端頭兩節(jié)點(diǎn)構(gòu)件。按照同樣的方法，校準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地樣線。此外，還需對(duì)三節(jié)構(gòu)件進(jìn)行一次整體的校核，保證整體的裝配尺寸精度（見圖14）。

第十，對(duì)胎架上三節(jié)構(gòu)件尺寸檢查完畢且合格后再裝配最后的兩節(jié)十字柱。合攏裝配時(shí)，注意調(diào)節(jié)地樣線與胎架上構(gòu)件基準(zhǔn)點(diǎn)的誤差（見圖15）。

圖8 十字節(jié)點(diǎn)劃線

圖9 十字柱及異形板裝配

圖10 十字柱和異形板件焊接方向

圖11 節(jié)點(diǎn)裝配

圖12 組裝平臺(tái)

圖13 十字柱吊裝

圖14 節(jié)點(diǎn)裝配、檢查

圖15 合攏完畢

（3）焊接變形控制 該結(jié)構(gòu)形式較為獨(dú)特，內(nèi)部勁板加設(shè)較為密集，焊接應(yīng)力分布較為復(fù)雜，焊后變形控制難度較大。通過對(duì)該節(jié)點(diǎn)仔細(xì)研究分析后，在保證焊接質(zhì)量、提高焊接效率的前提下，主要從焊接工藝方面來控制焊接變形。

剛性固定法：在本構(gòu)件的焊接過程中，采用剛性固定的方法進(jìn)行強(qiáng)制性約束，防止焊接過程中的變形。在焊接前，將勁板密集部位采用剛性約束，達(dá)到減小焊接變形的目的，能夠保證構(gòu)件后續(xù)裝配的幾何尺寸（見圖16）。

厚板多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)：采用多層多道錯(cuò)位焊接方法對(duì)焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，且降低了焊接拘束度，使內(nèi)應(yīng)力得到均勻分布。避免施焊時(shí)因母材的拘束力大而產(chǎn)生凝固裂紋。此外，在起弧和收弧時(shí)，要求每道焊縫接頭應(yīng)錯(cuò)開25～50mm上，起弧應(yīng)采用回焊手法，熄弧應(yīng)填滿弧坑，采用此焊接方法是嚴(yán)禁擺動(dòng)焊接（見圖17～圖19）。

3.現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接技術(shù)

（1）焊接施焊原則 以控制應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)則，根據(jù)GB50661—2011中相關(guān)要求制定焊接順序，嚴(yán)禁將合攏焊口布置在桿件應(yīng)力集中的地方。

柱、梁等焊接接頭的焊接，應(yīng)先從整個(gè)結(jié)構(gòu)的中間構(gòu)件上施焊，形成框架后向左、右擴(kuò)展焊接。

對(duì)于外框鋼柱的對(duì)接施焊，應(yīng)由兩名焊工同時(shí)從兩側(cè)不同方向?qū)ΨQ焊接。兩人先焊接A，B（C，D）焊縫高度的40%，再進(jìn)行C，D(A，B)焊縫40%的焊接，之后再進(jìn)行A，B(C，D)焊縫剩余60%的焊接，最后結(jié)束C，D（A，B）焊縫的焊接（見圖20、圖21）。

H型鋼柱先焊翼緣板，后焊腹板。當(dāng)焊縫過長(zhǎng)時(shí)，可采用分段跳焊法，但要保證兩焊工同步，減少變形。在焊接最后一層時(shí)需一次焊完，不得分段焊接（見圖22）。

鋼梁高空對(duì)接焊接時(shí)先焊下翼緣，后焊上翼緣，最后焊腹板。各道焊縫的起弧點(diǎn)要適當(dāng)錯(cuò)開，以避免夾渣、未熔合等缺陷集中在一處（見圖23）。

H型鋼梁與外框箱型鋼柱焊接時(shí)，先通過腹板高強(qiáng)螺栓初擰后再進(jìn)行焊接。焊接時(shí)先焊接下翼緣與鋼柱的焊縫，后焊上翼緣與鋼柱的焊縫（見圖24）。

圖16 支撐防變形

圖17 多層多道焊

圖18 錯(cuò)位焊接

圖19 主體焊縫

圖20 焊接面

圖21 焊接順序

圖22 H型鋼柱焊接順序

圖23 鋼梁對(duì)接焊接順序

桁架高空拼接時(shí)，其腹板采用栓焊混合連接。焊接時(shí)，首先由兩名焊工在梁外側(cè)同時(shí)用立向上焊接位置對(duì)稱焊接箱型梁的兩腹板，然后由一名焊工逐條完成下翼緣對(duì)接焊縫，再由一名焊工完成上翼緣對(duì)接焊縫，最后由兩名焊工同時(shí)焊接預(yù)留未焊的腹板與翼緣之間的縱向俯角和仰角焊縫（見圖25、圖26）。

（2）機(jī)器人焊接技術(shù) 在現(xiàn)場(chǎng)外框部分安裝焊接過程中，對(duì)于截面超過800mm的箱型構(gòu)件，且焊接環(huán)境和施焊空間允許的情況下，在對(duì)接時(shí)采用機(jī)器人進(jìn)行焊接。

圖24 焊接順序

圖25 箱型對(duì)接

三、結(jié)語

江東·和諧世紀(jì)工程為云南昆明地區(qū)第一高樓，鋼結(jié)構(gòu)施工周期長(zhǎng)達(dá)4年之久。本工程從制作到安裝整個(gè)焊接過程的管控得到了業(yè)主、監(jiān)理和相關(guān)質(zhì)監(jiān)部門的高度重視。

圖26 對(duì)接焊接順序

在實(shí)際焊接過程中，融入了一些新的焊接技術(shù)，工廠玻璃纖維襯墊的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人焊接的推廣應(yīng)用都是焊接工程中的亮點(diǎn)。同時(shí)也推動(dòng)了建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步，填補(bǔ)了建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的一項(xiàng)空白，為后續(xù)工程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。