建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)超厚板的焊接

張軍烈

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

本文就建筑工程中所采用的超強(qiáng)超厚鋼板的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊接工藝進(jìn)行研究，通過(guò)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)及工程實(shí)例[1-2]，在前期進(jìn)行針對(duì)性的工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得成功后，選擇了15°＋20°的雙面坡口形式進(jìn)行完整的工藝評(píng)定。根據(jù)試驗(yàn)評(píng)定的基本焊接環(huán)境溫度、預(yù)熱溫度、層間溫度及后保溫時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，制定現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝指導(dǎo)書(shū)，避免了焊接缺陷在各焊接階段的產(chǎn)生，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

1 工程概況

臨港科技創(chuàng)新城A0202地塊位于上海市浦東新區(qū)，工程建筑體量上分為1個(gè)裙房和3個(gè)塔樓，其中裙房3層，塔樓層數(shù)不一（地面以上15～18層）。塔樓建筑外形呈“水晶體”造型，極具現(xiàn)代氣息。高強(qiáng)厚板主要分布在裙房桁架區(qū)域。主要構(gòu)件為箱形截面，規(guī)格有□2 100 mm× 600 mm×80 mm×120 mm、□800 mm×600 mm×25 mm× 80 mm、□1400 mm×600 mm×25 mm×100 mm、□800 mm× 600 mm×25 mm×80 mm、□900 mm×600 mm×25 mm× 100 mm、材質(zhì)主要為Q420JG、Q390GJ（圖1、圖2）。其中60 mm以上厚度的鋼板用量達(dá)9 000 t。

圖1 桁架厚板分布形式

圖2 典型構(gòu)件箱形截面分布

2 高強(qiáng)厚板焊接特點(diǎn)、難點(diǎn)

整個(gè)裙房區(qū)域高強(qiáng)、厚板焊接工程量大，跨越冬季、夏季施工季節(jié)。焊縫形成過(guò)程中溫差大，易引起整體結(jié)構(gòu)的較大變形，焊縫冷卻過(guò)程中易產(chǎn)生冷裂紋、撕裂形態(tài)。節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊接量大，焊接時(shí)整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域受熱過(guò)于集中，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成熱裂紋。施工前，須針對(duì)高強(qiáng)厚板制定合理的焊接工藝，對(duì)工藝實(shí)施評(píng)定合格后，獲取工藝措施和工藝參數(shù)；實(shí)施過(guò)程中須按工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3 高強(qiáng)厚板焊接流程

3.1 焊前準(zhǔn)備

1）制定合理完善的焊接工藝和坡口形式。

2）高強(qiáng)厚板母材匹配焊接材料檢測(cè)。

3）進(jìn)行焊前培訓(xùn)，熟悉高強(qiáng)厚板焊接工藝，制定焊前預(yù)熱、焊后保溫措施。

4）正式施焊前，對(duì)焊工進(jìn)行焊接考試，以確保高強(qiáng)厚板焊接質(zhì)量。

5）設(shè)定焊接最低環(huán)境溫度為＋5 ℃，低于此環(huán)境溫度不得施焊。

3.2 控制原則

1）構(gòu)件安裝時(shí)不得強(qiáng)行裝配，致使產(chǎn)生初始裝配應(yīng)力。2）采用合理的焊接順序，采取對(duì)稱(chēng)焊以及分段焊。

3）預(yù)先合理設(shè)置收縮余量，縮小結(jié)構(gòu)的變形量。

4）保證預(yù)熱，對(duì)層間溫度進(jìn)行有效控制，降低接頭拘束度，減少焊接熱影響區(qū)范圍。

5）采取焊后保溫緩冷措施，使接頭在冷卻時(shí)能有足夠的塑性和寬度，均勻消除焊接收縮，降低殘余應(yīng)力峰值和平均值。

3.3 焊接過(guò)程控制方法

1）高強(qiáng)超厚板現(xiàn)場(chǎng)焊接坡口設(shè)計(jì)。坡口設(shè)計(jì)應(yīng)適用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，利于控制焊接變形量，減少焊縫金屬填充量，避免應(yīng)力集中，并確保焊接完全熔透。基于以上需求，主要采用窄間隙坡口形式（圖3）。

圖3 典型坡口焊縫示意

2）焊接方法與材料選用。采取高效的CO2焊接方法，減少焊接道數(shù)。針對(duì)Q345B、Q345JGC、Q390GJC材質(zhì)鋼板，采用型號(hào)E501T-1藥芯焊絲。針對(duì)Q420GJC材質(zhì)鋼板，采用型號(hào)E551T-1藥芯焊絲。箱形構(gòu)件包含Q390GJC與Q420GJC兩種材質(zhì)鋼板時(shí)，采用就低原則，選擇型號(hào)E501T-1藥芯焊絲。

3）焊接順序。以控制應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)則，詳細(xì)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。對(duì)于柱-柱的對(duì)接施焊，應(yīng)由2名焊工同時(shí)從兩側(cè)不同方向焊接，先焊接A、B（或C、D）焊縫高度的40%，再焊接C、D（或A、B）焊縫高度的40%，之后再進(jìn)行A、B（或C、D）剩余60%焊縫高度的焊接，最后結(jié)束C、D（或A、B）焊縫的焊接。當(dāng)焊縫過(guò)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)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（圖4）。

圖4 焊接順序示意

4）焊縫收縮（主要為橫向收縮）對(duì)構(gòu)件的變形影響較大，而收縮量主要與焊接線能量關(guān)系密切。為此，在焊接工藝評(píng)定時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬接頭試驗(yàn)，通過(guò)分析相關(guān)焊縫收縮量的數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際接頭的焊接收縮進(jìn)行預(yù)控。

5）焊接溫度控制。高強(qiáng)超厚板火焰預(yù)熱范圍應(yīng)控制在焊縫坡口兩側(cè)寬度不小于板厚的1.5倍且不小于100 mm（溫度控制在80～120 ℃），焊接過(guò)程中進(jìn)行層間溫度監(jiān)測(cè)，將溫度控制在150～220 ℃。如溫度過(guò)高，應(yīng)停歇，待溫度達(dá)到要求后，方可進(jìn)行施焊。焊接完成后，將厚100 mm保溫棉覆蓋在焊縫上下各500 mm范圍內(nèi)進(jìn)行保溫緩冷（規(guī)范為不小于3倍板厚且不小于200 mm），保溫冷卻至常溫。每個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)紅外線測(cè)溫儀控制溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程實(shí)施的高強(qiáng)超厚板焊接整套施工工藝、滿足規(guī)范要求。通過(guò)一系列控制措施，有效地保證高強(qiáng)厚板焊接質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求，使本工程高強(qiáng)厚板焊接合格率達(dá)100%。通過(guò)焊前火焰加熱、焊后保溫緩冷，對(duì)比常規(guī)焊前電加熱、焊后電保溫，施工更方便、操作更簡(jiǎn)單，且保溫材料可重復(fù)使用，減少用電量，節(jié)約能耗。15°＋20°雙邊坡口在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接節(jié)點(diǎn)上的使用上具有先進(jìn)性，可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作量。最低＋5 ℃環(huán)境溫度的焊接條件設(shè)定以及厚板焊接保溫緩冷方式的實(shí)施，在南方地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)施工工藝措施選擇中，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價(jià)值，本文提出的工藝評(píng)定參數(shù)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝研究具有一定的指導(dǎo)意義。