大截面厚板箱型柱的關鍵施工技術

任青峰 唐志超 朱文峰 魏星瑤

摘 要 山西汾酒文化商務中心5A寫字樓工程主體結構采用型鋼混凝土框架-核心筒組合結構，結構總高度172.6m，結構構件截面種類多、連接節點類型多，構造復雜，地下-3層（-16.5m）至地上2層（12.15m）為箱型鋼管混凝土柱（以下統稱“箱型柱”）。箱型柱截面大、單件重量高，施工涉及的專業分包單位多，場地狹小，限制條件多。本文重點從吊裝、對接精度控制、焊接質量控制三方面闡述大截面箱型柱施工關鍵技術問題及處理措施。

關鍵詞 箱型柱;跨外吊裝;對接精度;焊接技術

1工程概況及特點

山西汾酒文化商務中心5A寫字樓工程地下3層，地上41層，建筑高度184m，房屋平面尺寸長度46.02m，寬度46.02m，主體結構采用型鋼混凝土框架-核心筒組合結構。地下-3層至地上2層平面布置8根箱型鋼管混凝土柱，抗震等級特一級。鋼結構箱型柱截面尺寸3400×2300×60mm，單件高度達9400mm，單件總重達103t，材質Q390GJC-Z25;構件體積大、重量大，在吊裝過程中安全性尤為重要;構件截面大、厚度大，材質性能要求高，主要節點為對接橫焊縫，焊接應力大，在焊接過程中極易產生根部、表面裂紋或層狀撕裂等質量問題，進而導致焊接效率低、工期延長、成本增加等問題[1]。

2結構現狀分析

箱型柱具有承載力高、強度大、抗震性能好等優點，可在柱內填充混凝土與箱型柱同作用形成箱型鋼管混凝土柱，能很大程度的提高柱結構承載力，降低柱截面尺寸，增大建筑結構使用凈空間。采用工廠智能化制造，現場裝配式施工，工期短、安全環保、成本低。

本工程涉及的箱型柱截面大、厚度大，焊接填充量大、材質性能要求高，屬高空作業，安全環保性要求高。依據焊工的平均焊接效率，作業空間條件，加之地方監管部門明令嚴禁夜間施工，致使同一柱截面的外箱對口焊接無法在一個工作班內完成，不能保證焊接的連續性，極易出現焊接質量問題。對此，就箱型柱同一截面的焊接，采用一種分段分工作班次的焊接工藝，同一層柱的焊接組織流水施工，并采用一種防風遮光的安全操作平臺，有效提升了焊接質量，節約工期、安全環保。

箱型柱體積大、重量大，在起吊立直的最后時刻會產生極大的瞬間反方向傾覆力，極易發生安全事故。對此，采用一種新型防傾倒裝置保障了起吊過程的安全性。

箱型柱對接安裝時上下柱根部預留8mm間隙，利于全熔透焊接;深化設計時就同一箱型柱側壁底端預留 4個600mm人孔，兼做通風口;與柱通透的內腔形成“煙囪效應”，加速了空氣流通，能及時高效的排出焊接煙塵，防止焊接煙塵滯留對作業人員的身體傷害。

3施工技術分析

3.1 箱型柱典型節點形式與連接

（1）柱腳節點形式與連接

柱腳節點及平面形式見圖1，采用M60×2100地腳錨栓與基礎筏板相連，筏形基礎與柱底板之間采用C60微膨脹細石混凝土二次澆筑。

（2）對接節點形式與連接

上下柱對接節點及坡口形式見圖2，依據現行標準圖集16G519，b取8mm，坡口設計需考慮焊接過程中焊槍焊絲的可達性，以少焊縫金屬量，小變形量為原則，β宜取45?（-5?，+10?），采用全熔透焊接連接。

（3）吊裝耳板形式與連接

吊裝耳板設計遵循前后左右對稱的原則，并應符合設計載荷、強度要求，以實現吊裝時的構件受力平衡穩定，單根柱設4個耳板，材質Q345B，厚度40mm，耳板形式與布置見圖3，采用雙面組合焊縫連接。

（4）人孔形式與連接

單根柱設4個600mm人孔，兼做通風口，與柱通透的內腔形成“煙囪效應”，加速了空氣流通，能及時高效的排出焊接煙塵，防止焊接煙塵滯留對作業人員的身體傷害。對接主焊縫工序驗收合格后，方可封堵人孔，采用全熔透焊接，見圖4[2]。

3.2 吊裝設備選型與安全性驗證

依據設計圖紙、工程結構特點、施工場地條件等，通過深化設計把箱型柱分四段進行制作安裝，最小分段高度1.2m，最大分段高度9.4m，構件最小重量24.2t，最大重量103t，建筑周邊道路與箱型柱平面布置情況見圖5，箱型柱分段概況見表1。鋼結構深化設計應符合原設計文件及相關標準、圖集、規范要求。

依據施工總體規劃，鋼結構安裝必須與土建專業協同交替進行，工期較長，且場地狹小，限制條件多，建筑內部為滿堂腳手架，經現場勘察，準確測量，道路中心點與柱基礎水平最大距離30m，與柱最頂端豎直高度27m，以安全適用、經濟合理為前提，綜合分析優選可帶載行駛的履帶式起重機進行跨外吊裝。

查閱履帶式起重機設備性能表，見表2，作業半徑30m，工況42m主臂+30m副臂時，最大起重載荷140.4t。因此，選擇450t履帶起重機變幅副臂帶超起工況，最大作業半徑32m，滿足安全施工要求。為確保安全施工，吊機站位行駛道路必須平整堅實，坡度不大于2%，承載力滿足安全性要求。吊行駛路徑均需鋪滿路基箱，路基箱規格為2m×6m，根據本工程地勘報告，地基原狀土均屬高壓縮及中高壓縮性土，地基承載力120kPa，即12.2449t/㎡，履帶與地面接觸長度為11m，按兩條履帶下部承壓12塊路基箱計算，路基箱與土接觸面積12×2×6=144㎡，吊機自重約450t，帶載并考慮動力系數約630t，被動土壓力約4.4t/㎡，遠小于原狀土地基承載力12.2449t/㎡，符合吊裝施工安全性要求[3]。

3.3 鋼絲繩選擇及安全性驗證

常用的鋼絲繩有7股7絲、6股19絲、6股37絲、6股61絲，本工程采用6*37+1（1表示1根芯繩）鋼絲繩，較柔軟，常用來穿滑車組和作吊索用，鋼絲繩夾角θ取30?。

分析驗證：已知箱型柱單件凈重103t，150T吊鉤重3.8t，總重量G取106.8t，鋼絲繩允許拉力P=cos（θ/2）*G/n，采用4點吊裝，n取4，則允許拉力27.53t;破斷拉力=允許拉力*安全系數，查鋼絲繩安全系數表，安全系數取6.5，見表3，則破斷拉力178.95t。而破斷拉力≈50×直徑×直徑，計算直徑59.82mm，最終選擇直徑60mm的6股37絲鋼絲繩，滿足安全性要求。

3.4 吊裝過程中主要難題與措施

箱型柱體積大、重量大，依據慣性定律，在起吊立直的最后時刻會產生極大的瞬間傾覆力，致使被吊構件反方向傾倒，如不采取有效措施極易發生安全事故。對此，集思廣益，制作并采用一種新型防傾倒裝置，即鋼木組合立方體短柱，見圖6，起到了有效緩沖作用，保證了起吊過程的安全性。

短柱采用鋼、木結合，取材便利，充分結合了鋼材的強度與木材的彈性，使用過程中不易損壞，重量輕，便于搬運，使用效果極好，使用過程中不易損壞，可重復利用。

起吊時將短柱平置地面，于箱型柱直立時下邊緣附近，待箱型柱立直平穩并吊離地面后，撤走，見圖7。

3.5 箱型柱吊裝順序與對接精度控制

（1）吊裝順序

施工場地狹小、專業分包單位多，交叉作業、限制條件多，組織協調工作量大，困難多。開工前務必明確合理的吊裝順序，加強與制造廠的溝通，確保發貨順序、時間符合安裝要求，否則可能導致構件入場壓車、構件的多次倒運、窩工等現場，依據施工總體規劃施工平面布置情況，見圖5，吊裝應沿U形道路從一端向另一端順序交替進行。

（2）上下柱對接精度控制

箱型柱對接精度極為重要，一節柱的偏差超出允許范圍，就會造成結構上部其他節點的連接無法進行，導致返工或工程變更，延誤工期，增加工程成本。因此，一定要精心組織施工，加強監控量測工作，確保精準對接，偏差調整基本流程：吊裝→調整垂直度、錯口及間隙（測量記錄）→檢查偏差→校正（測量記錄）→緊固件固定→焊前測量（記錄數據）→焊后測量（數據分析）。

安裝前，應對建筑物定位軸線、平面封閉角、底層柱位置線進行復查，合格后方能開始安裝工作;按照《工程測量規范》（GB50026-2007）規定的四等平面控制網的精度要求，在±0.00面上，用全站儀放樣，確定4～6個平面控制點。對各點組成的閉合導線進行測角（六回測）、側邊（兩回測），并與原始平面控制點聯測，計算出控制點坐標。在控制點埋設鋼板，做十字線標記，打沖眼。在施工過程中，做好控制點的保護，定期檢測。見圖8所示。

圖8 控制點設置示意圖

建筑物的定位軸線、基礎上柱定位軸線和標高、地腳錨栓規格、位置、緊固應符合設計要求，設計無要求時，其允許偏差：建筑物定位軸線不大于3mm;基礎上柱定位軸線1mm，底標高±2mm;地腳錨栓位移2mm。

柱標高按相對標高控制。安裝時，建筑物的累積偏差不得大于各節柱制作允許偏差總和。采用相對標高控制安裝的實質就是在預留了焊接收縮量和壓縮量的前提下，將同一節柱頂面理論上調到同一標高。為了使柱與柱接頭之間有充分的調節余量，上下柱臨時調節板所用的高強螺栓直徑與螺栓之間間隙宜為3.0～5.0mm。標高調整后，上下柱特別留置5～8mm的間隙（深化設計時已充分考慮，利于全熔透焊接）在焊接時處理。考慮柱加工的允許偏差-1～5mm，采用相對標高校正后，就能把每節柱頂的相對標高控制在允許范圍內。柱安裝的允許偏差：底層柱底對定位軸線偏移3.0mm;柱定位軸線1.0mm。高層、超高層鋼結構主體結構安裝允許偏差應符合表4規定，其中，△h為每節柱制造允許偏差，△x為每節柱長度受載后的壓縮值，△w為每節柱接頭焊縫收縮量。

3.6箱型柱焊接工藝

（1）焊接方法與材料

箱型柱采用GMAW焊接技術，箱體母材為Q390GJC-Z25鋼，焊材為WH50-6、ER50-6焊絲。

GMAW焊接技術具有成本低、生產效率高、操作簡便、焊縫抗裂性能高、焊后變形小、焊接飛濺小等優越性。但其抗風能力差，對作業環境要求較高，焊接時需時刻關注周圍空氣流動，風速不得大于2m/s;而且焊接過程中發塵量較大，主要包含有害氣體和煙塵，同時產生紫外線、紅外線等光污染危害。對此，我們制作一種適用于施工現場箱型柱吊裝與焊接的具備遮光擋風效果的安全操作平臺，是一種懸挑組合式鋼平臺，其結構概況見圖9。

操作平臺底板骨架根據箱型柱的具體尺寸、外形特點可靈活選用不同的平面形狀，適用范圍廣，豎向遮擋骨架設有鐵皮，四周全封閉，操作空間寬裕，使用GMAW焊時可起到有效的防風、遮光作用，無須另外增設擋風遮光設施，對焊接質量控制有利，減少光污染對周圍其他作業人員的傷害及夜間作業時對周圍居民的不利影響;頂部骨架采用弧形結構，頂部骨架上設有鐵皮，即頂部骨架采用半封閉的結構形式，又可以達到自然通風的條件，能及時排除焊接產生的有害氣體及煙塵，減少其對焊接作業人員造成的身體危害。露天作業時，該組合式鋼平臺既適用于各種焊接場合，同時也可兼做箱型柱吊裝作業的安全操作平臺。

（2）焊接應遵循的總體原則

經焊接工藝試驗母材碳當量（%）CEV（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.43%>0.4%。相關研究表明，碳當量CEV大于0.4%時，鋼材焊接時基本上有淬硬傾向，當冷卻速度過快時，有可能產生馬氏體淬硬組織。尤其當板件較厚、焊接填充量大、拘束應力和擴散氫含量較高時，就必須采取有效措施來防止冷裂紋產生，以改善焊接性能和保證焊接質量。

對此，上下柱四條外箱對接橫縫及腔內十字形對接橫縫的焊接總體應遵循先內部后外部、前后左右對稱，同時同向同規范施焊的原則。

（3）焊接順序及區段劃分

箱型柱截面大、厚度大，焊接填充量大、材質性能要求高，依據焊工的平均焊接效率，作業空間條件，加之地方監管部門明令嚴禁夜間施工，致使同一柱截面的外箱對口焊接無法在一個工作班內完成，不能保證焊接的連續性，極易出現焊接質量問題。對此，就柱同一截面的焊接，采用一種分段分工作班次的焊接工藝，同一層柱的焊接組織流水施工，確保鋼結構安裝進度與土建施工進度協調一致，以保障施工總進度目標。

如果箱型柱箱體板件厚度方向連續施焊厚度很少而間隔時間過長，由于焊縫的冷卻收縮可能導致坡口根部局部受力過大而產生撕裂現象。因此，每名焊工必須保證每個工作班下班前各自負責的焊接區段施焊至保留最后一層蓋面未施焊，待同一箱型柱同一截面劃分的焊接區段全部施焊完成至最后一層蓋面未施焊時，再進行蓋面施焊，蓋面施焊須在一個工作班內連續進行完成，不得間斷。

焊接區段劃分與焊接順序見圖10，焊接順序為①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，其中①-⑥區段由2名焊工同時施焊，⑦區段由4或6名焊工同時施焊，⑧區段由4名焊工同時對稱施焊，在⑦區段完成后拆除臨時固定措施卸載，間隔時間不少于24h，相對于已完焊縫達到了自然加載的目的，利于焊接應力的適時釋放。

圖10 焊接順序及區段劃分示意圖

依據焊工的平均焊接效率，就同一箱型柱合理劃分施工段，進行分段對稱同時同向采用多層多道焊接。外箱由4～6名焊工同時作業，每名焊工日平均焊接長度最大為1.0～1.2m;腔內空間限制，安排2名焊工同時作業，每名焊工日平均焊接長度最大為0.8～1.0m。

（4）焊接工作具體實施步驟

①焊前準備：對焊接設備進行檢查，確保焊機工作性能正常，電流表、電壓表指示正常，CO2流量計正常，加熱正常;確保焊材的規格、牌號符合工藝評定要求;焊接工程師需對焊接工藝進行交底，讓每名焊工對焊接工藝了解清楚;焊接環境溫度、濕度、風速等應焊接要求，必要時采取防護措施;焊接接頭清理工作完成，焊前砂輪打磨，確保焊道周圍及焊道層間清潔，無熔渣、無銹跡飛濺毛刺等。

②焊前預熱溫度：計算出預熱溫度T1=80℃，考慮北方氣候及露天作業條件，最終將預熱溫度定位110℃～130℃之間。

③加熱方式：為了提高加熱效率和保證受熱均勻，采用火焰加熱和電熱板加熱兩種方式配合使用。考慮板件較厚，加熱時間較長，加熱面積較大，把加熱分兩個階段。開始階段采用火焰均勻加熱，預熱范圍不小于坡口兩側各兩倍板厚范圍內，且不小于150㎜，火焰在板件表面停留時間不宜過長。當板件表面溫度達到70℃以上時，改用電加熱至板件表面溫度達110℃～130℃之間。

④測溫方式：采用紅外線測溫儀，測溫時間選擇在停止加熱2min后，測溫點宜在板件的正反面的焊道兩側各60mm處，測距宜在200～250mm之間。

⑤施焊：GMAW焊接作業區的最大風速不超過2m/s，否則必須采取有效的防風措施;分段區間內采用多層多道焊，嚴格執行焊接工藝評定規定的參數，特別注意的是打底焊時，焊接速度應適當降低，控制在15～20cm/min，填充和蓋面焊接速度可適當提高，控制在25～35cm/min;分段焊接接頭需留置成層狀斜坡形式，斜坡坡度宜為1∶1.5，可適當減小，以增加接頭結合面積，以實現接口焊時的平緩過渡，提升焊接質量。

⑥層間溫度控制：雖然多層多道焊的后一層會對上一層進行熱處理，但層間溫度也不能過高，果如不控制層間溫度會造成熱影響區加大，近縫區晶粒長大，韌性降低。一般層間溫度不宜低于預熱溫度，可以略高但不宜太高，宜控制在130℃～200℃之間。

⑦焊后熱處理：采取焊后立即進行熱處理的方式，可以大大降低氫在焊縫中的含量（消氫），可有效減小焊接應力，預防延遲裂紋的產生。依據經驗公式（150+t）h/100計算得最短保溫時間不應小于2.1h，后熱最低溫度T2=455.5CEV-114=82℃，宜為90℃～110℃之間。采用電熱板加熱保溫法，當達到計算保溫時間后，再自然冷卻[5]。

焊接過程注意事項：同一焊接區段內焊縫盡量一次完成，否則應采取焊后保溫緩冷，在重新施焊前應按要求進行重新預熱處理;焊接時，嚴格控制擺弧寬度，擺弧寬度控制在10mm～18mm之間，每層焊厚不超過4mm;每焊完一層用手動打磨機或風鏟清除焊道內氧化物和藥皮，并仔細檢查焊道內是否存在缺陷，如果有應進行清除后方可焊接;嚴禁在工件表面進行打火、起弧，工件表面嚴禁電弧擦傷;在去除引、熄弧板時，應離開板件2mm～3mm位置用火焰切除，然后用電動打磨機磨除根部，嚴禁傷及母材;焊接完成后，焊件冷卻至常溫≧24h后進行無損檢測。采用UT檢測方式，檢驗標準應符合《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級方法》JGB-11245-89規定的檢驗等級并出具探傷報告，加強焊接過程管理，專人監督焊接工藝執行情況。

采用上述焊接工藝方法的有益效果：對同一箱型柱、同一大截面厚板進行分段分工作班次焊接，合理劃分施工段組織流水施工，由于焊接工序的循環交替進行，特別是焊接順序之間存在晝夜間隔時間，在整個截面焊縫閉合之前，焊接產生的內應力已逐步釋放;焊接分段區域內一次連續施焊至表層，保證了焊件厚度方向板件受力的整體穩定性;結合焊后熱處理措施，使焊接殘余應力大量消除，該焊接工藝方法能適時有效的釋放焊接應力，防止焊接產生裂紋等缺陷，對焊接質量提升、節約工期、成本控制有利[6]。

4結束語

鋼結構施工前，對首次采用的鋼材、焊接材料、焊接方法、焊接接頭形式、焊前熱處理、焊后熱處理等必須按規范規定進行焊接工藝試驗、評定，并編制焊接工藝指導書，取得相關方認可后方能用于工程。箱型柱安裝主要包括吊裝與焊接兩大工序，施工前應認真編寫施工組織設計、施工方案，取得相關部門批準。依據箱型柱結構特點、單件總重、空間布置、施工場地條件等正確選擇施工機械設備類型、型號、數量，明確吊裝方法、吊裝順序，焊接方法，科學規劃施工場地;加強與制造、深化設計等部門之間的溝通，合理設置柱的對接節點、坡口形式、吊耳，人孔、通風口等;精心組織施工，以保障安裝精度、焊接質量、降本增效為原則，施工符合綠色環保、安全施工相關要求。

參考文獻

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[2] GB50205-2001.鋼結構工程施工質量驗收規范[S].北京：中國標準出版社，2001.

[3] GB50661-2011.鋼結構焊接規范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[4] GB50755-2012.鋼結構工程施工規范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[5] 王志云.鋼結構工程常用圖標手冊[M].北京：機械工業出版社，

2015：79.

[6] 戴立先.鋼結構工程細部節點做法與施工工藝圖解[M].北京：中國建筑工業出版社，2018：7.