大跨度高強超厚鋼板廊橋的焊接施工技術

盛林峰

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海國際金融中心共由上證所、中金所和中國結算3幢高層塔樓，地下金融劇院以及塔樓連接廊橋等結構組成。廊橋位于呈“品”字形分布的3幢塔樓中間，作為連通塔樓的空中通道。結構平面形狀呈倒“T”字形，由2個樓層和1個屋頂層組成。廊橋總長為158 m，中跨跨度75.50 m，左右邊跨32.25 m，T形跨凈跨度25.75 m（圖1）。

廊橋樓層結構主要由2道縱向主梁與橫向連系次梁組成，主梁為通長布置（圖2）。

圖1 國金中心效果圖

圖2 廊橋結構效果圖

2 焊接結構特點

因廊橋跨度大，故造成其主結構構件截面超大，鋼板超厚，鋼材強度級別覆蓋Q345～Q460。其中，大量的Q420、Q460高強鋼的使用是廊橋工程鋼結構的一個特點。因此，高強度厚板的現場高空焊接是整個廊橋焊接工作中的突出控制重點。

2.1 截面超大、鋼板厚，焊接量大

在廊橋設計上，采用了大截面箱形構件，特別是樓層主梁，截面高度基本都超過3 m，屬超大構件。

表1為廊橋屋頂層主梁截面以及對應的材質要求分布位置統計。現場對接接頭多，最大截面3 750 mm×1 050 mm，最大板厚80 mm，單個接頭焊縫長度達到9.6 m。

構件截面大、板厚，造成現場接頭焊接量大。由于現場為全焊接接頭，故焊接質量及效率將直接影響到鋼結構安裝進度。

2.2 鋼材強度高，焊接難度大

由表1可知，廊橋主梁除兩端長度各17.25 m采用了Q345外，其他均為Q420和Q460，且Q460鋼板板厚為最厚，達到60 mm和80 mm。

低合金高強鋼隨著強度級別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大，焊接工藝要求高[1-2]。

2.3 低溫、高空環境，焊接要求高

在施工現場焊接不同于工廠制作時的焊縫，易受外部條件的影響，焊接工藝的實施也受到諸多限制，如低溫、大風、高空，都會給焊接操作帶來不利影響。廊橋的施工又正好處于冬季，上海的冬季最低溫度可達0 ℃，甚至會低于0 ℃，因此，如何確保低溫環境下高強鋼的焊接質量，是一個難點。

3 應對措施

根據廊橋鋼結構焊接的特點和難點，將Q460鋼材的焊接作為主要控制對象，首先，通過對其焊接性進行分析，并結合焊接工藝評定試驗，制訂合理的焊接工藝。其次，對廊橋結構進行合理分段，優化現場焊接接頭布置，采取合適的坡口形式，盡量減少現場焊接量。最后，優選焊接工人，將最優秀的焊工布置到Q460、Q420接頭焊接區，并嚴格進行焊接過程管理控制。另外，針對現場長焊縫多的特點，將自動化焊接機器人運用到構件的拼裝上，提高焊接效率。

表1 廊橋屋頂層主梁結構截面材質

4 焊接工藝評定試驗

4.1 Q460鋼焊接性分析

目前，在國內建筑鋼結構行業，低合金高強度鋼的應用越來越多，Q390已經較為普遍，Q420、Q460使用也逐漸增多。在國家的科技發展規劃中，屈服強度為400～800 MPa，抗拉強度為600～1 400 MPa級別的高強度鋼材將是今后的發展方向。

低合金高強度鋼含有一定的合金元素及微合金化元素，其焊接性主要表現在焊接熱影響區組織與性能的變化對焊接熱輸入敏感，熱影響區淬硬傾向增大，對氫致裂紋敏感性較大。同時隨著強度級別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大。

國金中心廊橋使用了Q460GJC板，按照GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》相關公式，計算其碳當量為0.41，其焊接性一般。

4.2 Q460鋼焊接工藝評定試驗

根據現行規范，應先進行焊接工藝評定試驗。

廊橋鋼結構板厚最大為80 mm，因此選取板厚40 mm作為工藝評定試件，焊接位置則選取橫焊和仰焊2種形式，焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊（圖3）。

焊接工藝參數（橫焊）如表2所示。

工藝上采用焊前預熱（預熱60 ℃）、多道多層（道間溫度≤230 ℃）、焊后緩冷（用保溫棉包裹）等措施。按照標準做了2組拉伸、4組側彎、6組沖擊（焊縫、焊接熱影響區各3組）力學性能試驗，結果均合格。

由此結論，針對Q460GJC鋼，采用低氫焊接方法，保證預熱溫度，中等熱輸入條件下焊接能夠獲得無裂紋、塑性好的焊接接頭。

圖3 主梁對接接頭坡口形式

表2 焊接工藝參數

5 廊橋焊接實施

整個廊橋總質量約8 000 t，為全焊接節點。由于廊橋鋼材種類多、焊縫長又處于冬季施工，為確保焊接質量，我們在施工上嚴格進行過程管理，從多個環節進行質量把控。

5.1 合理分段、優化接頭布置

廊橋構件截面大，起重量受限，分段較多。在深化設計階段，就同步考慮現場焊接的可操作性。

廊橋9層局部主梁為大截面箱形構件，次梁為“H”形構件。箱形截面構件，造成與之相交的次梁構件均為“T”形接頭。

為避免現場大量的“T”形接頭，深化設計時將現場焊接接頭盡可能設置成對接形式，在工廠主梁上帶一段連接牛腿。這樣布置，一方面便于現場對接焊縫施焊，另一方面將牛腿與Q460主梁連接的大量焊縫放在操作條件好的工廠施焊，降低現場Q460鋼的焊接工作及風險（圖4、圖5）。

圖4 廊橋主次梁連接局部

圖5 主次梁連接牛腿示意

在進行主梁對接接頭坡口形式設置時，基于在箱形構件焊接上的經驗，底部對接焊縫設置成仰焊形式。通過焊接工藝評定試驗，采用合理的焊接工藝，并選擇優秀的焊工施焊，完全能滿足接頭焊接質量。這樣可避免增開大量的焊接人孔，大大減少現場焊縫數量，提高現場安裝速度[3-5]。

5.2 嚴格把控、加強過程管理

從制訂完備的焊接工藝開始，到最終完成實施并獲得合格的焊縫質量，中間過程中的每道環節控制都至關重要。

1）優選焊工，對所有進場焊接Q420、Q460接頭的焊工，均進行焊工附加考試。

2）嚴格執行焊前預熱制度。根據低合金高強鋼焊接性分析，焊接時的冷卻速度將影響接頭組織的性能，若控制不當，則會導致接頭的冷裂傾向加大。針對低合金高強鋼厚板焊接，一個重要的措施就是焊前預熱。為確保加熱的均勻性，應全部采用遠紅外電加熱方法進行焊前預熱。

根據焊接工藝評定試驗結果，并結合現場接頭的拘束情況，最終確定了預熱溫度（表3）。

表3 Q420、Q460預熱溫度

3）控制現場裝配質量，合理安排焊接施工順序。現場接頭受制作、安裝多方面累積誤差等因素影響，往往存在比如接頭間隙、錯邊超差等情況，不僅造成焊接工藝的難度提高，偏差嚴重時還會對接頭的最終性能有不利影響。廊橋主梁由于超重，故采用地面拼裝、整體提升的施工工藝，因而既要保證構件整體提升能精確到位，又要確保接頭質量處于標準范圍內。基于該原因，需采取跟蹤測量，并嚴格按照已安裝構件接頭處反饋的數據，對提升主梁地面拼裝的尺寸進行精準控制。針對超長焊縫，為減小焊接應力、降低焊接變形，施工中采取多人對稱、分段退焊的焊接工藝。

4）針對低溫環境，現場搭設全封閉操作平臺，既滿足防風防雨要求，又保證焊接區一定的溫度，同時每條焊縫一次性連續焊接完成。

5）焊接前編制焊接工藝卡，進行針對性技術交底。接頭裝配完成、坡口清理、焊前預熱、施焊、焊后處理等，每道工序都安排定點、定人檢查，遵循工藝流程施焊。

5.3 焊接機器人輔助焊接

針對廊橋構件截面大、焊縫長的特點，為提高焊接工效，同時也為確保焊接質量的穩定性，我們將焊接機器人運用到構件的現場拼裝焊接上，在現場輔助工人進行焊接（圖6）。

圖6 焊接機器人構件拼裝焊接

焊接機器人由焊接移動小車、剛性軌道、控制箱、焊接電源系統和手控盒等5個部分組成。

焊接操作工需經過培訓，考試合格后方可進行操作焊接。焊前應根據主梁高度裝配固定軌道，把自動焊匹配使用的焊接控制箱、焊接電源及送絲機，通過焊接電纜與焊接小車相連接，焊接保護氣瓶通過氣管與控制箱連接。焊接時焊接操作工利用焊接機器人示教功能對焊縫進行示教操作，保證焊接過程中熔池中心與焊縫中心一致，通過焊接參數的優化組合，實現連續焊接[6-7]。

對于類似廊橋結構大截面、長焊縫接頭，采用機器人焊接非常適合，可有效提高焊接效率、確保焊接質量的穩定性。

6 結語

上海國金中心廊橋鋼結構從2016年底開始施工，到2017年3月結構完成。通過對Q460低合金高強鋼焊接性的分析，根據現場施工特點，制訂合理的焊接工藝，并有效落實焊接管理各項措施，使得焊接質量處于良好的受控狀態，焊縫無損檢測一次合格率達到98%以上，減少了返工，為后續施工爭取了更多時間。