既有異形建筑鋼結構焊接加固施工技術

孫璠 謝志滔 常昆 田鵬龍 周清芝

摘 要：對于部分造型復雜、采用特殊材料和工藝、具有特殊政治以及文化意義的既有公共建筑，其往往需在保證外觀不變的情況下，對其進行外立面的修復和使用功能方面的加固改造。此時，需保護和不破壞既有建筑結構，又需對其進行加固修整，而加固修整的主要措施為螺栓連接和焊接，故有必要對既有建筑原結構和新結構的科學有效結合進行可行性研究。

關鍵詞：異形建筑;結構加固;焊接;自動氣保焊

中圖分類號：TU758.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0090-03

Existing Special-Shaped Building Steel Structure Welding

Reinforcement Construction Technology

SUN Fan XIE Zhitao CHANG Kun TIAN Penglong ZHOU Qingzhi

（China Construction Eighth Engineering Co.， Ltd.，Shanghai 20040）

Abstract： For some existing public buildings with complex shapes， special materials and techniques， and special political and cultural significance， it is often necessary to restore the facade and reinforce and transform the use function while ensuring the appearance remains unchanged. At this time， the existing building structure needs to be protected and not destroyed， and it also needs to be reinforced and repaired. The main measures of reinforcement and repair are bolt connection and welding， so it is necessary to conduct a feasibility study on the scientific and effective combination of the original structure and the new structure of the existing building.

Keywords： irregular building;structure reinforcement;welding; automatic gas protection welding

近年來，鋼結構已廣泛應用于工業和民用建筑，但是由于設計、施工、使用方法、管理不當、材料質量不符合要求以及使用時間超出設計使用年限等因素的影響，致使鋼結構建筑不可避免存在各種各樣的缺陷和損傷，嚴重影響質量安全。既有建筑的拆除、加固以及改造技術成為施工領域的熱點問題[1-2]。對于部分造型復雜、采用特殊材料和工藝、具有特殊政治及文化意義的既有公共建筑，其往往需在保證外觀不變的情況下對其進行外立面的修復和使用功能方面的加固改造[3-4]。此時，需保護和不破壞既有建筑結構，同時對其進行加固修整，而加固修整的主要措施為螺栓連接和焊接，故有必要對既有建筑原結構和新結構的科學有效結合進行可行性研究[5]。

傳統的鋼結構加固方法有鋼板焊接、螺栓連接以及粘貼鋼板等，這3種方法存在著各自的優劣特點。本文著重介紹鋼板或型鋼焊接加固方法。

1 工程概況

本工程意大利館由一棟鋼結構框架結構組成（見圖1），建筑面積為11 097.58 m2，塔樓高度為23.95 m，共計4層。平面形式為不規則多邊形，立面為不規則斜型。豎向鋼柱為箱型鋼和H型鋼，水平鋼梁為箱型鋼和H型鋼。

本場館原屋面拆除至結構面，拆除中庭建筑物、原內隔墻、外玻璃幕墻、原機電管線、設備拆除骨、幕墻連接件以及預埋件。新建部位有鋼樓梯、種植屋面、內隔墻以及門窗等。修繕部位有破損混凝土板修繕，原有鋼結構涂料修復，結構加固工程。

目前，對于意大利館加固主要采用加大截面積法進行，加固過程中不改變原有構件的中心位置，通過增大截面積和兩側補板以達到結構加固的目的。加固工作在整體標段施工中屬于中間工序和關鍵工序，施工前需滿足結構卸荷和負荷支撐要求，需要其他配合單位完成隔墻吊頂、內裝飾和各種管線拆除、非結構構件和加固承重構件的連接以及原結構除銹打磨作業。整體加固順序自下而上，先柱后梁。構件吊裝時，長型鋼構件通過室外汽車吊吊裝，零星構件和周轉材料通過室內升降機運輸。梁柱加固焊接前搭設臨時支撐及臨時施工平臺，構件安裝通過叉車或葫蘆吊升到位。

加固工作量大，形式復雜，需要加固的部位分為箱型鋼柱、H型鋼柱、圓管柱、箱型鋼梁、H型鋼梁以及梁柱節點等。新增的加固用鋼材主要為15～40 mm的Q345B鋼板，采用焊接的方式連接。加固工作在承受靜荷載條件下進行，大部分節點為非對稱加固，通過增大截面積達到加固的目的。為了控制好整個加固的變形和焊接件的安裝精度，必須確定好合理的加固焊接順序，以保證加固工作保質保量地完成。

2 焊接加固工程特點與難點

本工程為改建項目，為加固及增補結構，深化節點種類多、結構形式雜以及圖紙與現場情況有多處不符現象，需根據現場情況并結合設計圖紙對現場結構和節點進行實際的放樣深化，在原鋼梁變形的基礎上進行增大截面焊接，提高結構穩定性，消除結構安全隱患。在實地調研查看后，意大利館改造加固結構焊接特點與難點主要有如下幾點。

2.1 原結構產生變形、裂紋、部件缺失等問題

原建筑結構設計使用年限為5年，實際使用年限已超出設計規定年限，現經結構加固后設計使用年限為50年。結構局部存在變形、裂紋以及部件缺失等問題，現場需對原結構質量全面檢測仔細排查，根據結構實際下繞、扭曲及變形數據為工廠加工非標型材提供基準，并結合設計圖紙下料加工。

2.2 結構加固焊接負荷施工

加固工作在承受樓板和自重等靜荷載狀態下施工，焊接過程必須考慮因瞬時高溫造成局部范圍內鋼材性能的降低，繼而可能產生開裂、斷層以及坍塌等問題。

2.3 結構加固焊接工程量大

整個意大利館加固焊接涉及鋼柱、鋼梁、支撐等共398個，焊縫長度約為2 070 m。其中主框架梁加固鋼板較厚，為40 mm厚鋼板。量多面廣帶來的質量及安全監控難度增大，務必做到焊接工作先下后上、先主后次、先點后面以及先里后外，焊接過程管控有據可依，工序安排科學合理，目標達成有的放矢。

2.4 焊接空間復雜和部位受限

施工部位分布在各個樓層、樓段、功能室以及樓梯間等，焊接部位有的位于高空懸空處及低矮狹窄處，有的處于高低落差位置及三角邊緣角落，空間受限進一步影響施工水平、進度及質量。加固部位有梁柱節點區域、孔洞區域、螺栓連接區域以及懸挑區域等，部位不同，構件形式也不同，針對不同的特點和難點，編制技術方案和圖紙，部署施工措施。

2.5 焊接工藝的風險

根據現場實際的結構負載和焊接情況，若采用傳統手工電弧焊連續施焊，則加固鋼板焊接受熱面積大、持續受熱時間長，使整個受力結構區域持續處于高溫狀態，從而導致整體結構承載能力下降，梁柱加固焊接部位應力與變形加大，對結構整體穩定性產生巨大的風險。

2.6 焊接應力及變形控制困難，技術措施復雜

加固焊接鋼板作用于整個構件截面，鋼柱最長達40 m，鋼梁長為24 m，原構件形式均為細長桿件，在焊接過程中極易產生大的焊接變形和應力，甚至焊接裂紋。對焊接操作過程控制和焊縫質量管理，造成較大的風險。

3 加固焊接風險預防、問題解決

加固工作開始前，應落實下列資料和程序：①原有結構的竣工圖（變更圖）;②原有鋼材材質報告復印件或現場材質檢驗報告;③原有結構構件制作、安裝驗收記錄;④原有結構設計計算書;⑤結構或構件破損情況檢查報告;⑥現有實際荷載和加固后新增加荷載的測量數據;⑦編制詳細切實的專項施工方案并經審核批準;⑧施工前完成安全技術交底，并貫徹落實到實際操作人員層面。

3.1 焊接施工順序

3.1.1 結構加固焊接施工順序。①搭設腳手架，作為加固焊接工作的操作平臺;②焊前檢查并清理坡口角度、間隙;③焊接引弧板、母板;④兩名焊接速度相近的焊工，對稱焊接，多層多道及蓋面焊每層焊接結束后，使用鋼絲刷進行清理;⑤焊接過程施工中使用錘擊法逐步釋放應力;⑥外觀檢查焊后24 h，檢查焊縫外觀質量滿足要求;⑦無損檢驗進行UT檢測。

3.1.2 焊接過程中的注意事項。①焊接熔敷金屬的機械性能應不低于次要焊件的機械性能，如被焊焊件機械性能不同時，應不低于母材較低機械性能要求。②除非另外說明，焊接工作所采用的焊接方法、工藝參數及質量檢查應符合《鋼結構焊接規范》（GB 50661—2011）和《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020）的規定。③無損探傷在焊接完成24 h后進行，并根據焊縫等級相應檢測評定。

3.2 原結構產生變形、裂紋、部件缺失等問題解決措施

組織檢測單位和技術人員全數檢查檢測原結構變形及質量問題，并出具檢測報告和整改方案，確定結構受力正常，局部加強增補構件。

3.3 結構加固焊接負荷施工解決措施

為防止加固梁焊接時受荷載影響產生彎曲變形，在梁底部設置整體支撐桿件[見圖2（a）]，并配上千斤頂。組織人員針對加固焊接部位搭設定點臨時支撐腳手架[見圖2（b）]，并加強節點頂部承載力。對支撐進行受力計算以符合要求，焊接工作嚴格遵循先下后上、先主后次以及先支撐后焊接的順序。

3.4 焊接空間復雜和部位受限解決措施

組織人員針對加固焊接部位搭設臨時操作平臺，滿足施工空間要求。部分空間處于懸挑區域，焊接部位角度嚴重受限情況下，使用登高車將施工人員定點定位送達。設置臨時操作平臺，按空間角度設置縱深，以達到操作空間符合要求，焊接角度不受限。

3.5 焊接工藝的風險解決措施

通過大量的討論和研究，力求更為穩妥的斜向鋼柱和鋼梁加固的焊接方法——自動氣保焊，以減少焊接過程持續高溫受熱，并加快焊接進度。對自動焊機（見圖3）的導軌設置符合鋼柱鋼梁的傾斜角度，使其行走路徑與焊縫角度相互吻合，通過主機控制程序設置合理的焊接工藝參數，使焊縫外觀成形美觀的同時達到相應的焊接質量要求，另外對整條焊縫設置分段焊接區域，合理避免結構持續受熱。通過分段焊接間隔受熱區域，避免焊區集中的迅速加熱和冷卻過程，其他在自動焊焊接不到的地方采用手工電弧焊進行人工補焊。

3.6 焊接應力及變形控制解決措施

該工程中鋼結構加固焊接主要是厚板、中厚板角焊縫焊接與對接焊縫焊接，剛性大，焊接量大，焊接時易產生較大的應力，從而導致焊接裂紋。

采用合理的焊接順序，在同一層鋼結構加固焊接中先焊接加固板之間的橫焊縫，再同時對稱焊接加固板與原鋼柱之間的立角焊縫。

對接焊縫焊接，加引孤板和母板，避免起弧和收弧時的焊接問題，從而預防焊接裂紋的產生。

釆用合理的堆層順序，中厚板焊接，采用多層多道焊，堆層時要避免過厚或過薄，兩側不宜出現小尾巴，以免產生夾渣、氣孔以及未熔合等缺陷。此外，焊接過程中用錘擊法消除中間焊層應力。

4 結語

既有建筑的焊接加固及改造技術是城市更新中的核心技術之一，然而現有針對公共建筑的焊接加固及改造技術的研究成果較少。上海意大利館結構焊接施工工程質量優秀安全可靠，故該施工過程可為相似工程的施工提供參考。

參考文獻：

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