北京某超高层综合楼焊接施工技术.doc

北京某超高层综合楼焊接施工技术
**A阶段主楼焊接施工中，解决了巨型截面柱焊接变形控制、钢板墙超长焊缝焊接、各个斜向位置焊接、厚板负温度焊接以及伸臂桁架焊接等难题，获得了较高的焊接质量。
1工程概况
**A阶段主楼工程位于北京东三环与**大街交汇处西北角，主楼高330m。目前是北京最高的单体钢结构建筑。
**主楼结构为钢结构，用钢量5万t．地下3层，地上74层，屋顶设有停机坪。平面外轮廓尺寸在地面层约55．3m×55．3m，至74层时收到约44m×44m。主楼结构分为核心筒和外框筒，核心筒为型钢混凝土钢板墙支撑结构，型钢巨型柱与实腹式工字形钢梁及支撑形成支撑框架，核心筒柱柱之间采用钢板墙和斜撑连接，单钢板墙采用高强度螺栓连接，双钢板墙采用焊接连接。核心简四个角的位置在地下三层连接有双钢板墙，其最高可达15m，双钢板墙与钢柱焊接连接如图所示。核心简钢柱截面由多个工字形、箱形、T形及其他形状组成的复杂异形截面柱，所用钢材均为Q345C和Q345GJC。外框简形状为平面削角正方形，在6—7层、28—29层、54—56层、69—74层设四道腰桁架，在28—29层以及54—56层腰桁架顶和底分别与核心简有8道和16道伸臂桁架相连。伸臂桁架为箱形截面。腰桁架的斜杆及所有的框架梁均为H型钢及箱形截面。钢材材质为Q345C和Q345GJC；伸臂桁架和腰桁架所用材质为Q345GJD。40mm以上钢板有Z向性能要求。
2焊接工程重点、难点及技术措施
2．1焊接重点、难点
(1)钢柱焊接工程量大，截面复杂巨大，焊接变形不易控制。仅以C1一T1为例，钢柱截面达到2．6m×3．2m，80mm钢板对接焊缝总长达到11．6m，仅一根钢柱由14名焊工同时作业，需12h才能完成焊接。同时厚板组成多种异形截面，焊接位置困难。核心筒钢柱截面多为非对称组合截面，截面形式复杂巨大，板厚达到80mm，截面形式在国内高层结构施工中较少见到，其焊接变形控制没有现成的经验可以借鉴，因此非对称异形复杂截面焊接变形控制是本工程的重点难点。

(2)腰桁架焊接节点多而复杂，且钢柱斜撑多为斜向连接，倾斜钢柱板最厚为75mm，倾斜角度最大达22°，钢柱焊接作业点多而复杂，焊接位置困难，焊接过程长，其焊接变形控制也是本工程的重点、难点。
(3)双钢板墙超长(15m)立缝及横缝焊接变形控制。
(4)焊接施工跨越整个冬季，冬季特厚板焊接裂纹等缺陷控制也是本工程的重点。
(5)合理地确定伸臂桁架焊接时间，以减小压缩沉降差异对伸臂桁架焊缝内应力的影响。
2．2解决措施
2．2．1大焊接量解决措施
针对现场焊接工程量大的特点，根据本工程需要配备足够数量的优秀焊工，在开工之前对现场典型厚板接头焊接进行专项培训，进入现场的焊工对典型节点的焊接必须熟练，且焊接水平稳定，焊接质量高。
现场采用CO2：气体保护焊接，焊接效率高、变形小。焊前预热和焊后后热保温采用电加热，加热效率高，温度控制准确。电加热采用计算机远程控制，可对复杂截面多点多面同时进行加热．且在焊接过程中自动控制层间温度。
2．2．2焊接应力及变形控制措施
(1)同时对称轮换焊接
核心筒最大的钢柱由14名焊工同时对称焊接，该焊接方法能够保证厚板钢柱各个面同时收缩，在减小了各个截面焊接变形收缩差异的同时，也为各个焊接面焊接应力的有效释放提供了条件，减小了焊接应力，从而有效地控制了钢柱焊接变形。
(2)改进节点设计
节点设计采用窄间隙小坡口形式，尽可能地减小焊接热输入量；对于复杂异形截面钢柱除了周边翼缘板以外，其余截面均开双面坡口；改进节点设计，在提高焊接效率的同时，对焊接变形也能起到有效的控制作用。图中阴影部分所示为开双面坡口的位置，其余位置为单面坡口，箭头所指的单面坡口为其朝向，箭头所指的双面坡口为t／3板厚的一侧；单双面坡口形式如图所示。
(3)先焊顶层钢梁后焊钢柱对于外框筒结构，钢柱截面为600mm×600mm，钢梁
截面为550mm×610mm，因柱梁截面较接近，在现场焊接时首先焊接顶层钢梁，在保证其形成稳定的框架体系之后再进行钢柱对接焊接。
2．2．3钢板墙焊接技术措施
对于超长的钢板墙立缝及横缝焊接，现场采用分段倒退的焊接方法以减小焊缝内应力。
2．2．4斜撑及倾斜钢柱的焊接技术措施
针对斜撑及倾斜钢柱多为斜立和斜仰位置焊接的特点。在本工程开工之前，我们就斜立、斜仰焊接专门组织焊工进行焊工培训，在焊工培训中总结出了较成熟的焊接工艺，通过培训及附加考试挑选了一批掌握了斜立、斜仰焊接技术的焊工。在掌握斜立、斜仰焊的焊工中确定一批焊接质量稳定的焊工从事特殊位置的工作。并将焊工培训及附加考试成熟的工艺制定成工法卡，最终有效地保证斜立、斜仰焊缝的焊接质量。
2．2．5特厚板冬季(负温度)焊接质量控制措施
冬季焊接需重点加强焊前预热和焊后后热保温措施。首先是搭设双层保温棚并带棚顶，以保证其棚内的焊接环境温度高5℃。冬季焊接提高预热温度5O℃。同时将焊后后热的温度提高5O℃，并严格控制焊后保温时间。焊前预热和焊后后热保温采用远程红外计算机控制，保证温度控制准确，届热后的焊缝缓冷至环境温度。
2．2．6有针对性的焊工附加考试
根据本工程的结构形式及节点形式，在对于钢结构现场焊工操作水平情况和现场实际情况分析之后，在钢结构正式施工之前，对工程中的十字接头狭小空间焊接、厚钢板双面坡口清根以及斜立斜仰焊接进行了一个多月的专项培训，并进行了附加考试，有效地保证了本工程斜向位置及特殊节点的焊接质量。
3异形截面柱焊接变形控制**钢结构核心简钢柱在T1节时共有22根。至，I'27节钢柱减少为14根。每根钢柱由多个H形、箱形、[形组成的复杂异形截面，T1钢柱最厚的板厚为80mm最大的钢柱截面为3710mm×2550mm。钢柱的材质为Q345GJC。在核心简异形截面柱中，尤其以C1、C3、C6、C7截面最为复杂。以C1柱为例说明其焊接变形控制措施。
3．1多人同时对称焊接技术

针对异形截面柱焊接量大、焊接变形不易控制的特点，核心简异型截面柱焊接采用了多名焊工同时对称的焊接方法。多人同时对称焊接即将钢柱的所有翼缘板和腹板同时进行焊接，对于钢柱对称位置分别安排两名焊工同时作业或由一名焊工轮换作业。C1钢柱共分为C1A、C1B两根单柱，由14名焊工同时对称进行焊接作业，为了更好组织多名焊工同时作业的问题。我们给每一名焊工严格规定焊接步骤和焊接方向，保证多名焊工同步协调作业。
开始焊接时首先焊接各部分最外侧翼缘板，当翼缘板焊接1／3板厚以后，每名焊工根据焊接顺序号的规定转至另一个面进行焊接，同样。当每名焊工第2步焊接至1／3板厚以后转至第3步焊接，如此反复每名焊工完成自己的焊接任务。当双面坡口的一侧焊接至t／3之后再进行反面清根打磨，之后再开始进行双面坡口另一面焊接。反面清根后需要进行仔细检查，确认没有可见缺陷后才能正式焊接。为保证钢柱各个面焊接的同步，焊接量少的焊工应该适当降低焊接速度保持与焊接量多的焊工同步，以确保各个焊接面焊接速度基本相同。
3．2对称轮换焊接工艺
为防止在焊接过程中的焊接弧光影响焊工正常作业以及多名焊工在钢柱一侧焊接引起柱身发生偏斜。要求焊工不能同时在钢柱的一侧焊接，焊工需在钢柱的两侧对称轮换焊接，而在钢柱一侧的焊工应相互错开焊接时间。该焊接方法能有效地控制焊接层间温度，又能控制焊接变形。
3．3焊接过程测量
3．3．1钢柱垂直度监测
为更有效地监控钢柱焊接变形，在焊接首根钢柱过程中用经纬仪对钢柱进行双向垂直度的实时跟踪测量，如果发现钢柱出现过度偏斜，应随时调整焊接顺序或在变形部位的另一侧增加焊接量以纠正变形。在实际的焊接过程中。焊后钢柱的垂直度控制在5mm之内，满足设计及规范要求。
3.3．2钢柱焊接收缩量的测量
超高层建筑因钢柱板厚、分节多的特点，其钢柱焊接收缩量对结构标高控制有一定影响，因此在结构焊接的过程中需要调整钢柱标高以满足结构总体标高要求。根据本工程的实际情况，结合《高层民用建筑钢结构技术规程》中关于钢柱焊接收缩的参考数值，现场对C1、C3异形截面柱内典型截面进行了焊接收缩测
量，受到现场钢柱拘束度及其他各种因素的影响，其测量结果与规范的参考数值基本吻合。测量记录方法为：通过焊接前、焊后两个阶段将图示中的标记线之间的尺寸与最远端两根标记线之间500mm的距离变化来测出钢柱焊接收缩量。从焊接收缩量的测量数据分析。80mm钢柱焊接收缩量主要集中在1．5mm，该数据也是本工程调整结构标高的依据之一。
3．4柱柱之间连接板焊接
3．4．1反变形减小钢柱焊接变形
受到运输条件及塔吊起重量等因素的限制，在核心筒钢柱中，C1、C3、C6、C7四根钢柱各分为两个单柱，即A柱和B柱。两根单柱之间采用钢板进行连接，每节钢柱A和钢柱B之间用22块460mm×50mm×775mm的连接板连接。其中连接板一侧在加工厂焊接完成，另一侧在现场焊接。为防止该连接板单侧焊接收缩变形造成C1B和C1A向内侧倾斜。根据钢柱的截面形式及板厚分析。通过对钢柱竖向连接板位置以及两根柱间距进行分析计算，C1A与C1B之间钢柱在校正时将钢柱询外侧(焊接收缩相反方向)偏移8mm。通过焊接过程的监控和焊后测量。钢柱焊后的垂直度满足规范及设计要求。
3．4．2补偿加热减小焊缝内应力
竖向连接板一侧在工厂焊接完成，另一侧在现场焊接，对于22块50mm连接板单侧焊接，其焊缝总长度达l6．5m，厚板超长焊缝焊接易造成另一侧工厂焊缝内应力集中甚至出现撕裂的现象。在现场焊接的过程中采用补偿加热的方法进行施工，补偿加热即除了焊接过程中对连接板本身加热以外，还需要对连接板两侧的柱身连接板对应的位置进行加热，且补偿加热的区域不小于300mm。
由于复杂的异形截面柱焊接没有现成的经验可以借鉴，我们深入分析研究，通过上述方法，最终对钢柱以及柱柱间连接板焊接变形控制起到有效的控制作用。焊接后钢柱的垂直度控制在5mm之内。
4钢板墙焊接
本工程在F16层以下为增加结构稳定性。在核心筒内柱柱之间设置了大量钢板墙连接钢板墙分为单钢板墙和双钢板墙，单钢板墙连接采用高强度螺栓连接；双钢板墙连接采用焊接连接；在运输条件允许的情况下，双钢板墙的高度随钢柱分为三层一段，钢板墙最高为15m，钢板墙板厚为40mm。对超长钢板墙采取分批
分段焊接，易造成钢板墙扭转且焊缝内应力较大，通过分析研究。现场采用多人同时对称分段倒退的焊接方法，提高了焊接速度，有效地控制了焊接变形。分段倒退法焊接即对超长焊缝分为1．0～1．5m的若干段，对所有焊缝采用多名焊工同时对称的方法进行焊接，在每名焊工焊接的区域内采用分段倒退的焊接方法。且双钢板墙两侧的焊缝同时进行焊接。本工程最长的双钢板墙为15m，共由2O名焊工同时焊接一块钢板墙。每2个焊工之间采用硬防护和防火布密封。防止垂直方向焊接火花伤害焊工，具体焊接方法如图所示。图中，钢板墙立焊缝长度达到15m，将其分为10段。每段1．5m，每段焊缝由1名焊工进行焊接作业。钢板墙两侧共2O名焊工同时进行钢板墙焊接作业；在每一名焊工焊接的范围内采取分段倒退的焊接顺序，即将每个焊工将自己的焊接区域划分为3段，采取先焊焊缝的上半段、后焊下半段的焊接顺序，如图中节点所示。图中的箭头表示焊接方向。
本工程所有的双钢板墙超长立缝焊接以及钢板强横缝焊接均采用了分段倒退的焊接工艺，有效控制了双钢板墙焊接变形。
5斜撑及倾斜钢柱焊接技术
本工程核心筒钢柱在l6层以上柱柱之间均采用了斜撑连接，最小斜撑截面仅为450mm，如果斜撑的下翼缘坡口朝向斜撑以里，焊工操作空间不足，设计时将该位置坡口朝向斜撑外侧，该位置的焊接则为斜仰焊。每道腰桁架柱柱对接的位置为斜横焊。针对这些特殊位置的焊接，现场在总结了焊工考试及工艺评定的基础上，根据焊工大多自左向右焊接的操作习惯，通过研究分析，如果将焊枪与焊接面沿焊道方向及垂直于焊道方向均控制在85°～90°，能增加焊接熔池在焊道内的附着能力，减少焊道内未熔合及夹渣等缺陷，获得较高的焊接质量。且现场对于斜向位置的焊接采用了焊缝成型更好的TWE一711药芯焊丝。在焊接过程中制定更为严格的焊接工艺，保持中速焊接。通过焊后无损检测，焊缝一次自检合格率达到了95％以上，获得了较高的焊接质量。外框柱斜横焊及斜立焊完成的焊缝如图所示。
6伸臂桁架焊接技术
6．1伸臂桁架焊接
伸臂桁架分别位于结构的28—29层、54—56层。在28—29层，伸臂桁架共
由8根箱形梁组成，在53—54层，由l6根箱形梁组成。伸臂桁架共分为两部分：即水平方向和斜向伸臂桁架，伸臂桁架分别位于核心筒四个角。为减小核心筒与外框筒压缩沉降不同对结构内力的影响，通过分析，对斜向伸臂桁架安装好后仅和结构临时铰接连接，而水平伸臂桁架随结构安装顺序进行焊接。斜向伸臂桁架焊接待结构整体安装至74层顶以后再进行焊接，焊接方法与水平向伸臂桁架焊接顺序相同。
6．2伸臂桁架节点焊接顺序
伸臂桁架箱形接头焊缝数量多，钢板厚，在节点设计中将箱形梁的下翼缘设置为平焊，在箱形梁的上翼缘增加了盖板。因桁架腹板厚度较厚，为防止腹板焊接时造成翼缘与腹板T形焊缝撕裂，在箱形梁腹板与翼缘板接头位置预留500mm焊缝在现场焊接。
其中箱形梁上盖板由一名焊工进行轮换焊接可有效防止出现翘曲变形。图中的6号零件为临时销轴连接结构，在结构封顶之后开始焊接斜向伸臂桁架，在焊接之前需要先去掉6号零件之后再进行焊接。
伸臂桁架作为结构焊接重要的一部分，采用推迟焊接方法很好地消减了外框筒和核心筒压缩沉降不同对焊缝内应力过于集中的现象；对称同时的焊接方法有效地保证了箱形节点的焊接质量。
7结束语本工程的焊缝总长度达23762m，共计59405条焊缝，药芯焊丝、实芯焊丝共用了410多t，焊缝一次自检合格率达97％以上，获得了施工各方的好评。