北京新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)制作與焊接技術(shù)

劉代龍，何喬生，曾祥文，陸安洪

(長(zhǎng)江精工鋼材(集團(tuán))股份有限公司 焊接技術(shù)研究所，浙江 紹興 312030)

北京新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)制作與焊接技術(shù)

劉代龍，何喬生，曾祥文，陸安洪

(長(zhǎng)江精工鋼材(集團(tuán))股份有限公司 焊接技術(shù)研究所，浙江 紹興 312030)

鋼結(jié)構(gòu)制作、焊接技術(shù)可用“四個(gè)第一、五項(xiàng)技術(shù)突破”概括，是當(dāng)時(shí)我國建筑鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)造型最復(fù)雜、制作難度最大、最具挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)工程，代表了當(dāng)時(shí)我國建筑鋼結(jié)構(gòu)制作、焊接技術(shù)的發(fā)展方向和最高水平：(1)首次采用ASTM A913 Gr60鋼(相當(dāng)于Q420)進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)研究，為我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)采用高強(qiáng)鋼提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。(2)大批量的特厚板切割，種類包括型鋼材料和鋼板材料，最大板厚達(dá)140 mm，為國內(nèi)目前建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域之最，突破特厚板板材切割技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件下料和坡口加工的良好質(zhì)量控制，為鋼構(gòu)件加工制作的質(zhì)量保證奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)特厚板切割質(zhì)量與切割經(jīng)濟(jì)性的完美結(jié)合。(3)剪力墻暗柱為結(jié)構(gòu)形式不對(duì)稱的Y字型結(jié)構(gòu)和對(duì)稱米字鋼結(jié)構(gòu)，給生產(chǎn)制作的質(zhì)量控制帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。通過制作此類諸多不對(duì)稱構(gòu)件，掌握了非標(biāo)構(gòu)件制作的一般方法，對(duì)焊接變形的控制及如何降低焊接的內(nèi)應(yīng)力都提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)異型不對(duì)稱結(jié)構(gòu)焊接及變形控制的技術(shù)積累。(4)突破“特色吊樓”橫向承重體系懸挑牛腿大厚板高強(qiáng)鋼焊接，厚板焊接技術(shù)有了很大的進(jìn)步，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良。為高強(qiáng)度級(jí)別鋼材(如Q460)的應(yīng)用奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。填補(bǔ)了國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼材應(yīng)用和研究的空白。

復(fù)雜；Q420；首次采用

0 前言

新保利大廈位于北京市東城區(qū)朝陽門北大街1號(hào)，總建筑面積109 341 m2，北京新保利大廈工程地下4層，地上24層，其中地上建筑面積69 692m2，建筑總高度105.2 m。工程結(jié)構(gòu)型式為鋼框架—鋼骨混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)，總噸位為11 000 t。

北京新保利大廈工程于2003年5月18日開工，2006年10月20日竣工，如圖1所示。

圖1 北京新保利大廈

北京新保利大廈工程的主體結(jié)構(gòu)在采用常規(guī)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，又具備了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的獨(dú)特性。工程在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要體現(xiàn)為三個(gè)核心筒暗埋的結(jié)構(gòu)、核心筒之間的框架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)、特式吊樓結(jié)構(gòu)、主桁架結(jié)構(gòu)、中庭頂部結(jié)構(gòu)等幾個(gè)部分；并采用框架─剪力墻結(jié)構(gòu)體系，設(shè)置內(nèi)置型鋼筋混凝土柱核心筒；此外，核心筒與外框架之間通過桁架梁相互連接，而桁架梁則與外框架柱鋼接，與核心筒壁間大部分采用鉸接的形式。

核心筒剪力墻、外框架鋼結(jié)構(gòu)及大桁架和轉(zhuǎn)換桁架鋼結(jié)構(gòu)梁共同作用，形成框筒體系，一起承受豎向與水平力的作用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面非常復(fù)雜，派生了許多區(qū)別于常規(guī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，開創(chuàng)了我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河，是我國民用建筑業(yè)對(duì)新型智能高層建筑技術(shù)的一次挑戰(zhàn)，其中，主要體現(xiàn)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)如圖2所示。結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，但同時(shí)也給生產(chǎn)、制作和安裝均帶來了難度。

北京新保利大廈工程鋼結(jié)構(gòu)總噸位為1.1萬多噸。地上部分結(jié)構(gòu)形式為鋼框架—混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)。其中鋼結(jié)構(gòu)部分主要由三個(gè)核心筒的勁性鋼結(jié)構(gòu)、核心筒之間框架鋼結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換桁架鋼結(jié)構(gòu)、特式吊樓鋼結(jié)構(gòu)、主桁架鋼結(jié)構(gòu)、中庭頂部鋼結(jié)構(gòu)組成。

圖2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)示意

1 焊接工程概述(四個(gè)第一)

北京新保利大廈工程工程中使用進(jìn)口鋼材ASTM A913 GR60，約3600t，相當(dāng)于我國的Q420鋼，是我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)第一次采用的新鋼種，其實(shí)質(zhì)是淬火加自回火鋼材(簡(jiǎn)稱QST鋼)，全部為H型鋼，最大板厚125 mm。使用的進(jìn)口鋼材構(gòu)件的連接焊縫均為坡口全熔透一級(jí)焊縫，100%超聲波探傷。由于采用鋼材和特殊的結(jié)構(gòu)形式，給鋼結(jié)構(gòu)制作工程帶來以下難題：

(1)高強(qiáng)超厚鋼板(ASTM903／913M-97 GR60級(jí))、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接試驗(yàn)和焊接工藝研究。

國內(nèi)第一次在建筑鋼結(jié)構(gòu)中使用美國標(biāo)準(zhǔn)材料ASTM903／913M-97 GR60(其屈服強(qiáng)度相當(dāng)于我國Q420級(jí)鋼材)高強(qiáng)度級(jí)別鋼材的應(yīng)用，因此必須進(jìn)行厚板焊接技術(shù)可焊性試驗(yàn)應(yīng)用研究。

高強(qiáng)超厚鋼板(ASTM903／913M-97 GR60級(jí))軋制H型鋼是從盧森堡進(jìn)口的，根據(jù)外商所提供資料，該鋼種焊接性較好。由于這種鋼有較高的強(qiáng)度和碳當(dāng)量，有一定的淬硬傾向，同時(shí)這種鋼在我國第一次應(yīng)用在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，無經(jīng)驗(yàn)可借鑒。根據(jù)JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，必須進(jìn)行焊接性試驗(yàn)。

(2)特厚板板材切割技術(shù)難關(guān)。

好的切割質(zhì)量是保證焊接質(zhì)量的第一步，類似Q420級(jí)別的鋼材，大規(guī)模的火焰切割在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中也是第一次，必須進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)特厚板切割質(zhì)量與切割經(jīng)濟(jì)性的良好結(jié)合。

(3)厚板焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

本工程存在大量復(fù)雜的焊接節(jié)點(diǎn)，板件厚度較大，板件之間的相互約束，大量焊縫集中，焊接應(yīng)力較大，所有節(jié)點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用焊接技術(shù)防止鋼材脆性斷裂有很大的難度。厚度125～140 mm (在轉(zhuǎn)換桁架處最大板厚達(dá)140 mm)鋼板的焊接在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中也是第一次，因此對(duì)焊接坡口設(shè)計(jì)、焊接順序、焊接變形與殘余應(yīng)力控制，以及焊接技術(shù)的采用都必須進(jìn)行開發(fā)和研究，以確保焊接工程的順利進(jìn)行。

(4)不對(duì)稱Y型、對(duì)稱米字型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

剪力墻暗柱其結(jié)構(gòu)形式為不對(duì)稱的Y字型結(jié)構(gòu)，給裝配焊接工藝、變形控制和質(zhì)量保證帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

“特色吊樓”橫向承重體系的懸挑牛腿結(jié)構(gòu)和豎向承重體系的米字型結(jié)構(gòu)，因其材質(zhì)、板厚、結(jié)構(gòu)的特殊性給焊接質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變控制帶來難度，產(chǎn)生問題的傾向性和概率增加。

北京新保利工程采用了大量的不對(duì)稱Y型、對(duì)稱米字型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)也是第一次，由于結(jié)構(gòu)新穎特殊，在制作和焊接的過程中，控制焊接應(yīng)力應(yīng)變有相當(dāng)?shù)碾y度。

以上四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的“四個(gè)第一”，因此，北京新保利工程在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中處于十分特殊的地位。為了確保以上復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的加工質(zhì)量，提高加工工藝水平，并完善加工方法與質(zhì)量保證體系，進(jìn)行了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加工工藝的專題研究，并組織多次專家研討會(huì)，在工序和設(shè)備的優(yōu)化配置、各種工藝參數(shù)的測(cè)試比選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的分析比較、特別是對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的焊接及應(yīng)力應(yīng)變控制進(jìn)行了焊接工藝優(yōu)選與評(píng)定。在實(shí)際生產(chǎn)過程中嚴(yán)格按照制訂的工藝要求執(zhí)行，取得了良好的效果。

2 高強(qiáng)超厚鋼板(ASTM903／913M-97 GR60級(jí))焊接性能試驗(yàn)

隨著高層鋼結(jié)構(gòu)工程對(duì)鋼材強(qiáng)度要求的不斷提高，當(dāng)前國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)中大多采用的Q345鋼已不能滿足某些高層鋼結(jié)構(gòu)的要求。北京新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)工程中，首次大規(guī)模采用從盧森堡進(jìn)口的ASTM A913Gr60鋼(強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)于國內(nèi)的Q420鋼)，引起了國內(nèi)工程界的極大關(guān)注。為保證新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接施工質(zhì)量，同時(shí)為其他高強(qiáng)鋼工程中的應(yīng)用提供借鑒，中冶集團(tuán)建筑研究總院焊接研究所與浙江精工鋼構(gòu)集團(tuán)共同進(jìn)行了該鋼材的焊接性試驗(yàn)。為該工程制作、安裝焊接工藝的制定提供了科學(xué)依據(jù)指導(dǎo)。

2.1 材料復(fù)驗(yàn)

試驗(yàn)鋼材是阿賽羅公司提供的軋制H型鋼，其翼緣板板厚125 mm，腹板厚78 mm，供貨狀態(tài)為淬火+自回火。標(biāo)準(zhǔn)要求該鋼材的最低屈服強(qiáng)度為415MPa，化學(xué)成分和各項(xiàng)力學(xué)性能如表1～表3所示。

通過對(duì)鋼材成分和力學(xué)性能的復(fù)驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 工作流程

為了全面研究ASTM A913 Gr60鋼的焊接性和制定該鋼種焊接工藝的需要，首先制定工作流程，如圖3所示。鑒于供貨商未提供鋼材的具體焊接性資料，且該鋼材強(qiáng)度高、板材厚，試驗(yàn)主要圍繞鋼材的抗冷裂性進(jìn)行。

2.3 焊接性試驗(yàn)

2.3.1 焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)

(1)焊接冷裂紋敏感性分析。

表1 化學(xué)成分%

表2 力學(xué)性能和復(fù)驗(yàn)結(jié)果

表3 Z向拉伸性能復(fù)驗(yàn)

圖3 鋼結(jié)構(gòu)施工焊接試驗(yàn)流程

鋼材的焊接冷裂紋敏感性一般與母材和焊縫金屬的化學(xué)成分有關(guān)，為了說明其關(guān)系，通常用碳當(dāng)量來表示。計(jì)算碳當(dāng)量的公式很多，對(duì)于ASTM A913 Gr60鋼，采用了日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)推薦的調(diào)質(zhì)鋼碳當(dāng)量Ceq(JIS)計(jì)算公式[(見式(1)]和國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量Ceq(IIW)計(jì)算公式[見式(2)]進(jìn)行計(jì)算。

按表2的復(fù)驗(yàn)值，依據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果分別為0.362和0.371 4，根據(jù)JGJ81-2002標(biāo)準(zhǔn)，碳當(dāng)量結(jié)果處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接性良好范圍內(nèi)，說明試驗(yàn)用ASTM A913 Gr60鋼具有良好的抗焊接冷裂紋性能。

(2)熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。

熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法主要是以測(cè)定焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向來評(píng)定鋼材的冷裂敏感性。試驗(yàn)按照GB4675.5-84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)條件如下：

焊絲型號(hào)(牌號(hào))ER55-G(JM60)，φ 1.2 mm；北京南亞氣體有限公司生產(chǎn)的CO2氣體，流量20 L／min；熔敷金屬擴(kuò)散氫含量3.44 ml／100 g，水銀法；最高線能量：電流I＝310～330A，電壓U＝34V，速度280mm／min；最低線能量：電流I＝200～230 A，電壓U＝30 V，速度350 mm／min；最高硬度試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

硬度測(cè)試采用維氏硬度計(jì)，施加荷載為10 kg，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示，圖中0點(diǎn)是測(cè)定線與熔合線的切點(diǎn)，0點(diǎn)右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)。兩測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.5 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 最高硬度試驗(yàn)參數(shù)

圖4 熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)測(cè)量位置示意

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用最低線能量時(shí)，隨著試驗(yàn)預(yù)熱溫度的增加，其熱影響區(qū)的最高硬度有所下降，且硬度值不高，即使在室溫下焊接，熱影響區(qū)維氏硬度值也不超過270；采用最高線能量時(shí)，整體硬度值較低。

(3)斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。

斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)(小鐵研)主要是評(píng)定焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向性。試驗(yàn)按照GB4975.1-84《斜Y坡口焊接裂紋實(shí)驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，試件厚度分別為125 mm、78 mm和42 mm，并以125 mm厚鋼板為主，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

表5 CO2氣體保護(hù)焊焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

a.試驗(yàn)條件。

采用CO2氣體保護(hù)焊；焊絲直徑φ 1.2 mm；北京南亞氣體有限公司和北京普萊克斯氣體有限公司的CO2氣體，流量20 L／min；環(huán)境溫度25℃；常溫不預(yù)熱；焊接材料型號(hào)(牌號(hào))及直徑：ER55-G(JM60) φ 1.2 mm，ER50-G(JM58)φ 1.2 mm，E550T1-Ni1 (GL-YJ602(Q))φ 1.2 mm。

b.試驗(yàn)內(nèi)容及步驟。

焊后24 h進(jìn)行表面裂紋檢查，每塊均經(jīng)發(fā)藍(lán)處理后進(jìn)行剖切，觀察斷面裂紋狀況。

c.試驗(yàn)結(jié)果如表6～表8所示。

表6 CO2氣保焊鐵研試驗(yàn)結(jié)果(δ＝125 mm)

從上述試驗(yàn)結(jié)果看出，板厚為125 mm時(shí)，部分試件焊縫中心出現(xiàn)了不同程度的開裂，但并未向母材延伸，其余試驗(yàn)板厚試件未出現(xiàn)裂紋，說明ASTM A913 Gr60鋼抗冷裂性能良好。除JM58焊絲以外，各試驗(yàn)焊材均出現(xiàn)焊縫中心通裂的現(xiàn)象，說明焊材本身的性能差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，但限于試驗(yàn)數(shù)量較少，未能做出較為確切的對(duì)比。

表7 CO2氣保焊鐵研試驗(yàn)結(jié)果(δ＝42 mm)

表8 CO2氣保焊鐵研試驗(yàn)結(jié)果(δ＝78 mm)

(4)插銷冷裂紋試驗(yàn)。

插銷試驗(yàn)是能定量地研究焊接冷裂紋的方法之一。試驗(yàn)按照GB9446-88《焊接用插銷冷裂紋試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。本試驗(yàn)采用了實(shí)心焊絲(JM60)CO2氣體保護(hù)焊，采用環(huán)形缺口插銷試件，確保缺口的根部位于熱影響區(qū)。試件取自于125mm鋼板厚度方向的1／4表層。

a.實(shí)驗(yàn)條件。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：插銷冷裂紋試驗(yàn)GB9446-88《焊接用插銷冷裂紋試驗(yàn)方法》；試驗(yàn)溫度：室溫28℃(無預(yù)熱和后熱)；試驗(yàn)準(zhǔn)則：斷裂準(zhǔn)則。

b.試樣制取。

插銷外形如圖5所示。

底板選用Q235-A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，底板的尺寸為300 mm×200 mm×20 mm。底板鉆孔數(shù)小于等于4，位置處于底板縱向中心線上，孔的間距為33 mm。

圖5 插銷形狀和尺寸

插銷試樣和底板的制備嚴(yán)格按照GB9446-88的要求進(jìn)行。

c.焊接工藝。

采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接規(guī)范如表9所示。焊接時(shí)，在底板上熔敷一焊道，必須使焊道中心線通過插銷端面中心。該焊道的熔深應(yīng)保證缺口位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)中。

表9 焊接規(guī)范

d.試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。在室溫28℃，沒有預(yù)熱和后熱的試驗(yàn)條件下，采用CO2氣體保護(hù)焊(焊絲為JM-60，焊接規(guī)范見表9)，該種鋼材臨界斷裂應(yīng)力485 MPa。從該材料的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，屈服應(yīng)力為473 MPa，因此該材料在此焊接工藝條件下抗冷裂性能較好。

結(jié)合HAZ最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口試驗(yàn)和插銷試驗(yàn)可知，試驗(yàn)鋼材具有良好的抗冷裂性能。

2.3.2 再熱裂紋敏感性研究

(1)再熱裂紋敏感性分析。

表10 插銷試驗(yàn)結(jié)果

再熱裂紋是指焊接接頭經(jīng)消除應(yīng)力熱處理的構(gòu)件，經(jīng)高溫?zé)嶙饔檬购附訜嵊绊憛^(qū)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶間破壞的裂紋。再熱裂紋的產(chǎn)生主要由鋼材的化學(xué)成分決定，同時(shí)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)和溫度條件也是重要的影響因素。再熱裂紋敏感性計(jì)算公式為：

式中 Δ G和PSR為再熱裂敏感性指數(shù)，以合金元素質(zhì)量百分比來表示。當(dāng)Δ G和PSR大于0時(shí)，該鋼種對(duì)再熱裂紋敏感；當(dāng)Δ G和PSR小于0時(shí)，則不敏感。按式(3)、式(4)計(jì)算結(jié)果分別為Δ G＝-1.340 9，PSR＝-1.111，所以試驗(yàn)鋼材對(duì)再熱裂紋不敏感。

(2)再熱裂紋敏感性試驗(yàn)。

采用斜Y坡口試驗(yàn)評(píng)定再熱裂紋傾向，試樣的尺寸和制備方法按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，焊接工藝與冷裂紋試驗(yàn)相同，預(yù)熱溫度為150℃(以保證焊縫和熱影響區(qū)在消除應(yīng)力熱處理前不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋)，在焊后48 h進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，觀察其產(chǎn)生裂紋的情況。具體熱處理方法為：a.任意速度升至300℃；b.以55℃／h的速度升溫至550℃；c.保溫3 h；d.以55℃／h降至300℃后自然冷卻。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 評(píng)定再熱裂紋傾向鐵研試驗(yàn)結(jié)果(δ＝125 mm，CO2氣保焊)

試驗(yàn)結(jié)果說明，在所選取的熱處理溫度條件下(550℃×3 h)，該鋼材對(duì)再熱裂紋不敏感。

2.4 剛性模擬焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)已知，試驗(yàn)鋼材具有良好的抗冷裂、再熱裂紋和層狀撕裂性能。為進(jìn)一步制定該鋼材的焊接工藝，結(jié)合工程實(shí)際情況，模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，選取厚125 mm、68 mm兩種板材進(jìn)行橫向拘束鋼性對(duì)接接頭試驗(yàn)，并且分別對(duì)δ＝68 mm的焊接接頭進(jìn)行焊態(tài)和熱處理狀態(tài)下的性能對(duì)比。

2.4.1 試驗(yàn)條件

焊接方法及位置：CO2氣保焊、橫焊；焊絲型號(hào)及規(guī)格：JM60，φ 1.2 mm；CO2氣體生產(chǎn)廠家：北京南亞氣體有限公司；熔敷金屬擴(kuò)散氫含量：3.44 ml／100 g，水銀法；CO2氣體流量：20 L／min(δ＝68 mm)、50 L／min(δ＝125 mm)；試板初始溫度：常溫；層間溫度150℃～180℃；熱處理工藝：(1)以任意升溫速度升至300℃，(2)以55℃／h的升溫速度升至550℃；(3)保溫2 h；(4)以55℃／h的降溫速度降至300℃，空冷。

試板坡口、間隙如圖6所示。焊接工藝參數(shù)如表12、表13所示。

圖6 試板坡口、間隙

表12 焊接工藝參數(shù)(δ＝68 mm)

表13 焊接工藝參數(shù)(δ＝125 mm)

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表14所示，接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表15所示，接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果如表16所示。

2.5 小結(jié)

(1)通過斜Y試驗(yàn)可以看出，ASTM A913 Gr60鋼具有良好的抗冷裂性能，但厚板不預(yù)熱焊接要選擇抗裂性好的焊接材料。

表14 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果(試件均取自于坡口根部)

表15 接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表16 接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果(δ＝125 mm)

(2)通過斜Y試驗(yàn)說明，ASTM A913 Gr60鋼在本報(bào)告熱處理制度(550℃×3 h)下具有良好的抗再熱裂紋性能。

(3)通過Z向拉伸復(fù)驗(yàn)和Z向窗口試驗(yàn)表明，ASTM A913 Gr60鋼具有良好的Z向性能。

(4)通過在不預(yù)熱條件下采用CO2氣體保護(hù)焊(焊絲TM-60，焊接線能量4.29 kJ／cm)的插銷試驗(yàn)，可以看到該鋼材在極小熱輸入的焊接工藝條件下，斷裂應(yīng)力能達(dá)到485 MPa，說明該鋼材抗冷裂性能較好。

(5)通過常溫環(huán)境下不預(yù)熱剛性模擬試板，用TM60焊絲CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊，作橫向拘束條件下，根部焊道熱輸入15～20 kJ／cm，各焊道尤其是根部不允許用擺動(dòng)一次填滿坡口間隙，層間溫度150℃～180℃，其焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)量均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫和HAZ均未發(fā)現(xiàn)脆性金相組織，證明試驗(yàn)所采取的焊接工藝可以應(yīng)用到本報(bào)告試驗(yàn)條件相類似的實(shí)際施工中，如H型鋼之間的對(duì)接焊。如工程實(shí)際節(jié)點(diǎn)的拘束條件更為苛刻或需在低溫環(huán)境下施焊，則應(yīng)考慮適當(dāng)預(yù)熱，以防冷裂。

3 特厚板板材切割技術(shù)

北京新保利大廈工程存在大量的厚板切割，在轉(zhuǎn)換桁架處最大板厚達(dá)140 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)建筑中采用的常規(guī)板厚，鋼板切割質(zhì)量的好壞將直接影響到構(gòu)件整體拼裝的精度控制、產(chǎn)品外觀和焊縫的綜合質(zhì)量指標(biāo)，因此，在切割方式、切割氣體及工藝實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了專門的研究。

3.1 切割方式的選擇

對(duì)ASTM A913 Gr60板厚為100 mm、125 mm、140 mm的鋼板切割，目前首選的切割方法是火焰切割，切割參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵，逐項(xiàng)比較得出厚板切割參數(shù)，如表17所示。

3.2 切割氣體的選擇

常用的切割氣有：乙炔、丙烷和丙烯。在薄板和中板的切割中，丙烷和丙烯應(yīng)用較多。在切割和矯正厚板時(shí)，通常采用乙炔，究其原因是乙炔具有火焰溫度高、加熱速度快的特點(diǎn)?？紤]到鋼板的切割原理，并組織了氣體供應(yīng)商進(jìn)行專題研究、類推計(jì)算和切割試驗(yàn)。在獲得高質(zhì)量切割面的同時(shí)，節(jié)約了切割成本。主要的參數(shù)和數(shù)據(jù)如表18所示。

表17 厚板切割參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到了理想的切割效果，切割現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，切割后檢查結(jié)果如表19所示。

表18 各種燃?xì)鈱?duì)照表

圖7 切割現(xiàn)場(chǎng)

表19 切割后檢查結(jié)果

車間在具體實(shí)踐過程中也總結(jié)出了一套成熟的操作經(jīng)驗(yàn)：

(1)厚板切割的預(yù)熱火焰要大，切割氣流(快風(fēng))長(zhǎng)度超出工件厚度的1／3。

(2)預(yù)熱時(shí)割嘴與工件表面約成10°～20°傾角(沿切割方向)，使零件邊緣均勻受熱(同時(shí)有利于防止割渣的反彈堵塞割嘴)。

(3)氣割時(shí)割嘴與工件表面保持垂直，待整個(gè)斷面割穿后移動(dòng)割嘴，轉(zhuǎn)入正常氣割。

(4)氣割將要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)應(yīng)略放慢速度，使切口下部完全割斷。

由于丙烯的火焰溫度較低、比較溫和，使切割面光潔度更高，切割質(zhì)量更好。在獲得優(yōu)良品質(zhì)的同時(shí)，使用丙烯具有很好的經(jīng)濟(jì)性。具體計(jì)算如下：

a.乙炔(燃燒式)：2C2H2+5O2→4CO2+2H2O(液)+ 2 600 kJ，得出每產(chǎn)生1 000 kJ的熱量需花費(fèi)人民幣0.34元。

b.丙烷(燃燒式)：C3H8+5O2→3CO2+4H2O(液)+ 946 kJ，得出每產(chǎn)生1 000 kJ的熱量需花費(fèi)人民幣：0.40元。

c.丙烯(燃燒式)：2C3H6+9O2→6CO2+6H2O(液)+ 4 130 kJ，得出每產(chǎn)生1 000 kJ的熱量需花費(fèi)人民幣0.19元。

根據(jù)上述計(jì)算，選用丙烯的成本為選用乙炔的成本的0.19÷0.34×100%＝56%。

經(jīng)過以上綜合分析，使用丙烯切割厚板既保證了切割質(zhì)量，又節(jié)約了成本。

4 異型不對(duì)稱Y型結(jié)構(gòu)焊接和變形控制技術(shù)

不對(duì)稱Y型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于剪力墻暗柱，結(jié)構(gòu)形式為不對(duì)稱的Y字型結(jié)構(gòu)，焊縫要求均為全熔透一級(jí)焊縫，評(píng)定等級(jí)為Ⅱ，檢驗(yàn)等級(jí)為B級(jí)，探傷比例為100%。由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，焊接的應(yīng)力和應(yīng)變比較復(fù)雜，制作和安裝的難度比較大。因此，對(duì)于該不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如何降低焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，保證構(gòu)件各部形位尺寸，滿足設(shè)計(jì)的要求是質(zhì)量控制關(guān)鍵。

4.1 不對(duì)稱Y型柱拼裝工藝流程

不對(duì)稱Y字型結(jié)構(gòu)工藝流程如圖8所示，不對(duì)稱的Y字型結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 不對(duì)稱Y字型結(jié)構(gòu)工藝流程

圖9 不對(duì)稱的Y字型結(jié)構(gòu)

4.2 不對(duì)稱Y型柱下料的尺寸控制

(1)鋼柱長(zhǎng)度較短，工廠套料時(shí)應(yīng)采取整板下料，減少原材料對(duì)接焊縫的數(shù)量，并對(duì)原材料的平整度進(jìn)行精整，為保證鋼柱組裝質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

(2)鋼柱均為全熔透焊縫，鋼柱翼板和腹板的長(zhǎng)度、寬度均預(yù)放了焊接收縮余量，焊接收縮余量通過制作一根等尺寸試件收集相關(guān)數(shù)據(jù)后確定，合理的控制鋼柱的截面尺寸。

(3)鋼柱的翼板和腹板采用直條切割機(jī)兩面同時(shí)垂直下料，對(duì)同一條料采取對(duì)稱切割，很好地控制了切割條料的彎曲變形；對(duì)腹板的坡口加工采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)兩側(cè)對(duì)稱切割。

4.3 不對(duì)稱Y型柱拼裝精度控制

圖10 不對(duì)稱的Y型柱拼裝過程

4.3.1 T型鋼和V型腹板H型鋼的組立、焊接

不對(duì)稱Y型柱拼裝過程如圖10所示。

(1)T型鋼的制作采取先組立H型鋼，制作前先按兩塊T型鋼腹板的尺寸進(jìn)行套料，然后再利用直條切割機(jī)進(jìn)行中間割縫的斷續(xù)切割，割縫長(zhǎng)度為1.5m，預(yù)留長(zhǎng)度為50mm。焊接并矯正完畢后利用手工火焰切割進(jìn)行拆分，火焰切割的割縫3 mm，單側(cè)T型鋼腹板寬度考慮焊縫收縮余量為1 mm。

(2)V型腹板H型鋼的制作采取先對(duì)V型腹板進(jìn)行折彎，折彎采用數(shù)控折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行折彎加工，組立時(shí)折彎腹板短邊一側(cè)增加2 mm焊接收縮余量，寬邊一側(cè)(接T型鋼)增加3 mm焊接收縮余量。

(3)T型鋼的焊接采用埋弧焊流水線焊接；V型腹板H型鋼的焊接采用氣保焊打底，反面碳弧氣刨清根，小車埋弧焊蓋面。

(4)焊接順序。先對(duì)H型鋼坡口一側(cè)進(jìn)行兩道打底焊，打底焊采用分段退焊，分段尺寸500 mm，坡口一側(cè)打底完畢后進(jìn)行背面清根，清根時(shí)應(yīng)露出正面焊道熔敷金屬，并確保無夾渣、未熔合等焊接缺陷，清理打磨氣刨坡口符合施焊要求，先進(jìn)行氣保焊打底，并焊滿坡口，然后焊滿正面焊道。

(5)T型鋼和V型腹板H型鋼的矯正采用H型鋼翼緣矯正機(jī)矯正，同時(shí)利用火焰矯正法進(jìn)行輔助調(diào)形。

4.3.2 不對(duì)稱Y型柱的拼裝

(1)Y型柱的組立示意如圖11所示。組立前，首先在V型H型鋼的腹板上畫出T型鋼腹板的定位基準(zhǔn)線，控制V型H型鋼翼板中心和T型鋼翼板中心到定位基準(zhǔn)線間的距離、各翼板中心間的對(duì)角線距離；同時(shí)，按即定的水平面基準(zhǔn)和垂直面基準(zhǔn)，在Y型柱兩端以翼板中心垂直水平基準(zhǔn)面吊線墜，嚴(yán)格控制鋼柱的扭曲指標(biāo)在偏差范圍內(nèi)(1／2 500)。

(2)不對(duì)稱Y型柱縱焊縫的焊接。

圖11 Y型柱組立胎架示意

Y型柱縱焊縫焊接變形控制的好壞直接影響到鋼柱整體幾何尺寸的正確與否，因此，在焊接變形的控制上，主要通過設(shè)置臨時(shí)支撐、小線能量的焊接和合理的焊接順序來保證；主要采用分段退焊的方法，正反兩面的焊縫交替進(jìn)行焊接，從而很好地控制了由焊接產(chǎn)生的角變形。

(3)不對(duì)稱Y型柱主體的矯正。

不對(duì)稱Y型柱組焊完畢后，存在的變形主要體現(xiàn)在T型鋼的角變形和鋼柱的扭曲變形。T型鋼角變形的矯正主要采用三角形的點(diǎn)狀火焰加熱方法，鋼柱的扭曲變形矯正主要采用斜直線形的火焰加熱方法。Y型柱主體焊接完畢并經(jīng)矯正合格后，銑平Y(jié)型柱的端面，按劃定的銑削基準(zhǔn)線對(duì)柱上端面進(jìn)行銑削加工，銑削粗糙度要求12.5，垂直度要求0.5 mm以內(nèi)。

(4)Y型柱加強(qiáng)圓管、隔板的裝配焊接。

不對(duì)稱Y型柱中心的圓管主要起加強(qiáng)作用，焊接難度不大，但焊接過程中產(chǎn)生的熱量卻會(huì)對(duì)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的幾何尺寸產(chǎn)生不利影響，因此，在選擇圓管與隔板的焊接順序時(shí)，規(guī)定為：Y型柱中的隔板先進(jìn)行定位焊接，對(duì)柱體的幾何尺寸進(jìn)行固定，作為形狀保持材，然后在進(jìn)行中間圓管焊縫的焊接，焊接時(shí)采取自圓管中間向兩邊分段退焊的操作方法，并保證兩側(cè)的對(duì)稱受熱，減少應(yīng)力變形，焊接完畢后，再完成中間各隔板焊縫的焊接，不對(duì)稱Y型柱附件焊接順序如圖12所示。

圖12 不對(duì)稱Y型柱附件焊接順序

4.3.3 不對(duì)稱Y型柱整體總裝尺寸控制

不對(duì)稱Y型柱的總裝是按鋼柱的幾何尺寸和各部件的位置關(guān)系，根據(jù)即定的裝配基準(zhǔn)，在已測(cè)平的水平平面內(nèi)對(duì)各零件進(jìn)行拼裝。

由于不對(duì)稱Y型柱外部牛腿的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且牛腿尺寸和焊接量都相對(duì)較大，為避免焊接中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，在焊接的順序上要求自內(nèi)而外，先焊剛度大的焊縫，再焊剛度小的焊縫。焊接完畢后，測(cè)定鋼柱的扭曲、旁彎等數(shù)值是否符合規(guī)范要求；同時(shí)，檢查各牛腿與鋼柱間的相對(duì)位置關(guān)系是否滿足規(guī)范要求，控制各牛腿中心到鋼柱中心的距離，并利用激光經(jīng)緯儀測(cè)定各牛腿是否在同一平面內(nèi)。

4.3.4 不對(duì)稱Y型柱制作驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

由于該構(gòu)件為異型構(gòu)件，因此，如何有效的控制成品的最終檢查標(biāo)準(zhǔn)是保證現(xiàn)場(chǎng)安裝順利施工的關(guān)鍵，Y型柱外形尺寸控制示意如圖13所示，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表20所示。

5 橫向承重體系懸挑牛腿大厚板高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)

“特色吊樓”是一個(gè)大跨度的組合桁架(見圖14)，由東南角的剪力墻筒體和頂部的斜拉主鋼索懸掛，因此，懸挑牛腿鋼柱將承受高強(qiáng)度的荷載，鋼柱主材為盧森堡進(jìn)口的ASTMA913GR60(強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)于國內(nèi)Q420)高強(qiáng)鋼，為國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)首次選用，其板厚達(dá)到125 mm，因此，如何有效實(shí)現(xiàn)焊接工藝是保證節(jié)點(diǎn)可靠性質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖13 Y型柱尺寸控制示意

表20 檢查精度表

5.1 原材料的選擇

鋼柱主體材料選擇由盧森堡進(jìn)口的高強(qiáng)鋼，該鋼種為淬火加自回火鋼材(簡(jiǎn)稱QST鋼)，符合美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM913／913M-97 GR.60《經(jīng)淬火和自回火處理的高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)級(jí)鋼型材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》及相應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)要求。

鋼材化學(xué)成分和力學(xué)性能如表21所示。

5.2 焊接材料的選擇

針對(duì)該鋼材厚板焊接的材料選擇，為滿足合適的強(qiáng)度匹配，防止裂紋等缺陷的產(chǎn)生，在焊接材料的選擇上也經(jīng)過嚴(yán)格的論證，并通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)最終確定采用TM-60焊絲(ER55級(jí))，很好的滿足了設(shè)計(jì)的要求。

焊絲TM-60焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能如表22所示。

圖14 大跨度的組合桁架

表21 化學(xué)成分和力學(xué)性能

5.3 層狀撕裂問題分析

層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)性分析如表23所示，該鋼材具有比較好的抗層狀撕裂性能。

表22 焊絲TM-60化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能

表23 層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)性分析

5.4 層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)性試驗(yàn)

在ASTM913／913M-97 GR.60焊接性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用Cranfield進(jìn)行層狀撕裂試驗(yàn)，如圖15所示。

圖15 Cranfield試驗(yàn)示意

結(jié)果的準(zhǔn)確性與裝配點(diǎn)固、焊道數(shù)目、預(yù)熱溫度、試件長(zhǎng)度、線能量五個(gè)因素有關(guān)，因此模擬節(jié)點(diǎn)實(shí)際焊接的情況，以中立板為實(shí)驗(yàn)板，斜板底部加工成30°，上部加工成45°，根部平臺(tái)部分為7 mm，試件裝配點(diǎn)固后，再正式焊接兩條實(shí)驗(yàn)焊道后除去定位焊縫，可使后續(xù)焊道的收縮力作用于試驗(yàn)板上。試驗(yàn)焊縫焊9層15道，焊角尺寸30 mm，焊接參數(shù)為：I＝240～260 A，U＝30～34 V，焊接速度300 mm／min，焊絲TM-60，規(guī)格φ 1.2mm。焊后24h機(jī)加工出五塊試樣，裂紋率

式中 L為裂紋長(zhǎng)度；B為實(shí)驗(yàn)焊縫在試驗(yàn)板上寬度。

按浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司采取的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，檢測(cè)結(jié)果合格。

5.5 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

根據(jù)焊接性能試驗(yàn)的結(jié)論，按表24所示參數(shù)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

表24 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

針對(duì)該節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用δ＝125mm的板厚進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定?；痉桨笧椋汉附zTM-60，φ 1.2 mm；焊接形式為對(duì)接及斜T型接頭；預(yù)熱溫度150℃，中間去應(yīng)力回火，整體焊接完成后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

利用125 mm+125 mm平板對(duì)接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表25所示。

利用125 mm+125 mm模擬實(shí)際構(gòu)件的接頭形式進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，如圖16所示。

表25 焊接工藝評(píng)定

圖16 焊接工藝評(píng)定

采用冷酸浸蝕法對(duì)試樣03981-1、03981-2、03981-3焊縫區(qū)域進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)，焊縫金屬和熱影響區(qū)無微小裂紋，焊縫根部焊透、無夾渣、氣孔缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)JGJ81-2002。宏觀試件的檢測(cè)結(jié)果如圖17所示。

圖17 宏觀金相

合理地選用了焊接材料及焊接工藝，焊縫金相顯微照片如圖18所示。

由圖18可知，蓋面層焊縫為先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，沿先共析鐵素體邊緣有少量珠光體組織。打底焊縫區(qū)為先共析鐵素體沿原奧氏體柱狀晶晶界析出，沿先共析鐵素體邊緣有極少量的珠光體組織。通過金相組織檢驗(yàn)，焊縫和HAZ均未發(fā)現(xiàn)脆性金相組織，表明在試驗(yàn)條件下焊接接頭的組織合理，機(jī)械性能優(yōu)良，鋼材及焊接工藝參數(shù)選擇可以滿足施工需要。

圖18 金相組織圖

6 帶懸挑牛腿鋼柱(GZ318)制作施工技術(shù)

6.1 帶懸挑牛腿鋼柱拼裝工藝流程

帶懸挑牛腿鋼柱拼裝工藝流程如圖19所示。

6.2 帶懸挑牛腿鋼柱拼裝尺寸控制

(1)鋼柱拼裝是按鋼柱與各牛腿、節(jié)點(diǎn)板間的相對(duì)位置關(guān)系，確定牛腿中心與鋼柱中心間的尺寸，并完成拼裝。

(2)在拼裝時(shí)，先確立裝配的水平胎架，鋼柱應(yīng)置于該水平平臺(tái)上，組裝過程在該平臺(tái)上完成。

(3)對(duì)于牛腿的安裝，在安裝前首先檢查由準(zhǔn)備車間組焊下料的牛腿，合格后方能裝配。各個(gè)牛腿以鋼柱頂部的端銑面為裝配基準(zhǔn)，確定各牛腿的裝配位置線，裝配位置線應(yīng)由牛腿中心線來確定，而不應(yīng)是牛腿翼緣上表面。

(4)對(duì)斜牛腿的裝配。在裝配前應(yīng)進(jìn)行放樣，制作角度樣板，按牛腿的投影尺寸進(jìn)行角度放樣，根據(jù)牛腿中心與柱身軸線的夾角，確定傾斜角度。

(5)牛腿長(zhǎng)度定位時(shí)，應(yīng)注意控制牛腿腹板中心螺栓孔到鋼柱中心軸線的距離，在牛腿裝配前必須檢查牛腿裝配位置線所在的鋼柱的截面尺寸，然后根據(jù)該尺寸確定牛腿腹板中心螺栓孔中心到鋼柱柱表面的距離尺寸。

6.3 帶懸挑牛腿鋼柱焊接工藝控制

(1)在焊接順序的選定上，采用對(duì)稱施焊，使應(yīng)變分布均衡，減少應(yīng)變集中。

(2)在焊接位置的選定上，盡可能采用平焊，并使焊縫處于船形位置，以保證焊縫兩邊完全熔合。

(3)采用適當(dāng)小的線能量，控制每層焊縫尺寸，采用小焊道，每層焊道寬度不超過12 mm，減少熱作用，從而減少收縮應(yīng)變。

(4)采取預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度120℃±20℃；采用履帶式電加熱器，遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫計(jì)控制溫度。

(5)層間溫度控制在100℃～150℃，遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫計(jì)控制。

(6)焊后采用整體熱處理。

圖19 拼裝工藝流程

6.4 焊接坡口形式的制定

(1)常規(guī)坡口形式的制定。

根據(jù)本工程中結(jié)構(gòu)接頭的形式，對(duì)于較普通接頭的坡口形式按圖20選擇。

(2)特殊坡口形式的制定。

在懸挑結(jié)構(gòu)中，懸挑牛腿與鋼柱之間的接頭為斜交接頭，由于懸挑牛腿翼板板厚達(dá)125 mm，如何保證焊接的可操作性和焊接施工的經(jīng)濟(jì)性是坡口設(shè)計(jì)的重要原則。經(jīng)計(jì)算，單塊翼板與鋼柱間形成的坡口面積為12558mm2，坡口填充量為5249244mm3，焊縫長(zhǎng)度為418 mm，焊絲填充量約為41kg，即1cm長(zhǎng)度內(nèi)焊絲填充量為1 kg；若坡口角度過小，則焊縫根部不具備焊接的良好可操作性，若坡口角度過大，雖然解決了焊接的可操作性問題，但增大了焊接量，將導(dǎo)致焊接變形增大，出現(xiàn)層狀撕裂等焊接缺陷的概率加大。因此，如何合理地確定坡口角度是焊接接頭工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，坡口形式如圖21所示。

圖20 常規(guī)坡口形式

通過合理的優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)，既保證了焊接的良 好可操作性，又將輔材消耗控制在合理的范圍內(nèi)，為保證焊接質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

圖21 特殊坡口形式

6.5 焊接工藝的過程控制

(1)焊接工藝參數(shù)控制。為避免晶粒粗大，控制焊接熱循環(huán)，采用較小的線能量，并配以適當(dāng)預(yù)熱，焊接參數(shù)如表26所示。

表26 焊接工藝參數(shù)

(2)焊接變形控制。為了控制焊接過程中的變形，先焊斜T形件翼板，后焊腹板。兩側(cè)對(duì)稱施焊的焊接順序：厚度方向焊到1／3，再交換位置焊接，懸挑牛腿整體焊接順序如圖22所示。

(3)層狀撕裂工藝控制。

由于層狀撕裂問題對(duì)整體結(jié)構(gòu)存在極大的隱患，因此必須對(duì)層狀撕裂的形成機(jī)理和預(yù)防措施有充分的認(rèn)識(shí)。為有效控制層狀撕裂，主要從以下幾個(gè)方面采取措施：

a.采用低氫焊接方法氣體保護(hù)焊。

b.焊前采用砂輪機(jī)打磨待焊坡口面，直至出現(xiàn)光亮的金屬光澤，去除因熱切割產(chǎn)生的淬硬層。

圖22 懸挑牛腿整體焊接順序

c.采取對(duì)稱施焊，使應(yīng)變分布均衡，減少應(yīng)變集中；采用小線能量，以減少熱作用，從而減小收縮應(yīng)變，但前提是防止產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)采取預(yù)熱措施，并進(jìn)行中間消除應(yīng)力退火，最后采用后熱。

d.后熱結(jié)束后用砂輪將焊縫的加強(qiáng)高磨去一層，其目的是釋放部分應(yīng)力，消除應(yīng)力集中點(diǎn)，消除焊縫表面的硬淬組織，徹底消除產(chǎn)生層狀撕裂的一切環(huán)境條件。

e.焊接過程中的注意事項(xiàng)：在焊接通過腹板的過手孔時(shí)，應(yīng)將接頭中斷于腹板外，各層間應(yīng)錯(cuò)開；在打底焊(三層)時(shí)，不許橫向擺動(dòng)；層間清理采用鋼絲刷；表層缺陷的返修采用氣刨后砂輪打磨。當(dāng)超過315℃，加熱速度應(yīng)低于55℃／h，加熱速度可取45℃／h。注意加熱時(shí)各部位的溫差，在任意2 m間隔內(nèi)小于80℃。加熱到550℃，保溫3 h，保溫期間焊件溫差不大于50℃。冷卻速度按加熱速度進(jìn)行，當(dāng)冷卻至315℃時(shí)可在靜止空氣中冷卻。中間熱處理后檢驗(yàn)外型尺寸，檢驗(yàn)翼板表面裂紋(PT)，UT探傷腹板，合格后清理焊接區(qū)域露出金屬光澤，預(yù)熱至規(guī)定溫度進(jìn)行焊接。

Manufacturing and welding technology for steel structure in Beijing New Poly Plaza

LIU Dai-long，HE Qiao-sheng，ZENG Xiang-wen，LU An-hong
(Welding Institute，Changjiang Jinggong Steel Structure Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China)

Steel structure production and welding technology can be summed up“four first,five technological breakthrough”，at that time China's steel structure is the most complex，structure manufacturing is the most difficult，represented China's steel structure production，the welding technology's development direction and the highest level:(1)For the first time，using a ASTM A913 Gr60 steel (quite Q420)，to do the welding experiment，provides the mature experiences，and promotes the building of steel construction industry technology's progress and development.(2)Large quantities of the special thick plate cutting，types include section steel material and steel material，maximum thickness of 140 mm in the domestic，breakthrough the special thick plate cutting technology，realize the good control of the quality in cutting structural members groove and component and machining groove，laid the foundation for manufacturing the structurial member and component.At the same time，realize the better conmection between the quality of cutting thickness and cutting economics.(3)The design of shear wall hidden column asymmetric Y type and symmetric the*type steel structure，to control the quality of the production adopts.Through such asymmetric component production，master manufacturing nonstandard components，the welding deformation control and how to reduce the internal stress of welding，provide experience with relating data.To achieve different structure asymmetric welding and deformation control.(4)Breakthrough“characteristics DiaoLou” horizontal bearing system overhung self-will of identity of welding plate，plate welding technology has made a lot of progress，engineering quality.For high strength steel level(such as the application of Q460)established the theory and practice of the foundation.To fill the gaps in the domestic construction steel structure high strength steel application and research the blank.

complex；Q420；first adopted

TG457

B

1001-2303(2011)08-0012-17

2011-07-10

劉代龍(1973—)，男，黑龍江哈爾濱市人，高級(jí)工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)方面的焊接技術(shù)與管理工作。