超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工焊接關(guān)鍵技術(shù)

劉曉斌

一、概述

1.超高層建筑的結(jié)構(gòu)

超高層建筑多采用巨柱框架+核心筒+伸臂桁架及巨型斜撐結(jié)構(gòu)形式，圖1為深圳平安中心整體結(jié)構(gòu)示意。焊接部位大多集中于柱-柱連接、柱-梁連接、桁架結(jié)構(gòu)及巨型斜撐等位置。在超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量管控是整個(gè)建筑工程質(zhì)量管控的重點(diǎn)。

2.超高層鋼結(jié)構(gòu)焊接施工特點(diǎn)

（1）厚板多，高強(qiáng)度鋼多，焊接施工難度大 控制焊接變形、消除殘余應(yīng)力、防止層狀撕裂是焊接作業(yè)的重點(diǎn)。例如深圳京基100大廈外筒巨型鋼柱、核心筒鋼板剪力墻、桁架層區(qū)域及巨型斜撐存在大量超過(guò)50mm的厚板，最大板厚達(dá)120mm（材質(zhì)為Q420GJC）。

（2）異型鑄鋼件、鍛鋼件多 例如平安金融中心鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)在V型支撐交點(diǎn)處。鑄鋼件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量最大達(dá)150t，焊接厚度局部達(dá)到300mm，焊接時(shí)，焊接熱量集中，焊接變形和應(yīng)力難以控制。

（3）節(jié)點(diǎn)剖分復(fù)雜、焊縫縱橫交錯(cuò) 例如深圳京基100大廈巨型斜撐與鋼柱相交的節(jié)點(diǎn)位置，由于節(jié)點(diǎn)板較厚且貫穿柱內(nèi)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)重達(dá)200多t，超過(guò)塔吊的起重性能，需對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分解處理。考慮到矩形鋼管柱截面尺寸大，加上巨型斜撐牛腿后構(gòu)件超寬，運(yùn)輸困難，因此采取將矩形鋼管柱本體橫向切分，巨型斜撐牛腿沿柱身豎向切分的方式分段。

（4）鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制難度大 鋼結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)翹起、彎曲變形、波浪變形或角變形等問(wèn)題，尤其是鋼板剪力墻的焊接。鋼板剪力墻尺寸較大，橫豎焊縫較長(zhǎng)，焊接變形難以控制。

（5）高空作業(yè)多 超高層焊接作業(yè)多位于高空，且下部樓層大多未完成樓板的施工，焊接施工難度較大。作業(yè)時(shí)需搭設(shè)焊接操作平臺(tái)，焊接時(shí)防風(fēng)、防雨等措施必須及時(shí)到位。

圖1 深圳平安中心整體結(jié)構(gòu)示意

（6）焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大 長(zhǎng)焊縫厚板需24h連續(xù)施焊，且在封閉式防風(fēng)棚中，焊工作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

二、超高層鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件焊接防變形措施

1.臨時(shí)加固措施

超高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，尤其是鋼板剪力墻，存在大量超長(zhǎng)橫焊縫，為控制橫焊縫的焊接變形，一般采用在每道鋼骨梁上設(shè)置角鋼臨時(shí)加固剪力墻（見(jiàn)圖2）。

鋼結(jié)構(gòu)施工中構(gòu)件豎向焊縫有的長(zhǎng)達(dá)4～5m，如果按照常規(guī)從下往上一次成形逐步退焊的方法施焊，受焊縫成形、受熱、冷卻順序有先后的影響，焊后變形將難以預(yù)控。

超長(zhǎng)焊縫的變形控制不宜采用從下往上一次成形逐步退焊的方法施焊。施工中應(yīng)設(shè)置防變形約束措施。如圖3所示構(gòu)件，對(duì)稱布置共六塊水平向連接板、兩塊豎直向連接板、兩組拉梁，作為臨時(shí)固定措施。測(cè)量校正完畢后，在斜撐內(nèi)側(cè)與鋼柱間設(shè)置一根16a槽鋼斜拉固定，防止第一段斜撐上口出現(xiàn)側(cè)向變形。在斜撐內(nèi)部的兩側(cè)各設(shè)置三塊30mm厚的三角板，控制側(cè)向變形及橫向收縮量。

2.合理的焊接順序

超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大、分段復(fù)雜，為防止焊接變形，需要制定合理的焊接順序。以京基100大廈巨柱焊接為例，先焊接矩形鋼管柱的兩條長(zhǎng)邊焊縫，焊至1/3板厚后割去臨時(shí)連接耳板，然后由4～6名焊工四面同時(shí)對(duì)稱等速施焊，分段逐步退焊，層間溫度控制在80～150℃之間。采取焊工輪換，焊機(jī)不停，連續(xù)作業(yè)方式，直至整條焊縫焊接完成（見(jiàn)圖4）。

三、焊接設(shè)備及焊接材料應(yīng)用情況

1.焊接設(shè)備

焊接設(shè)備的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）高效節(jié)能CO2焊機(jī)的應(yīng)用率大幅度提高?，F(xiàn)場(chǎng)施工以CO2氣體保護(hù)焊為主，焊條電弧焊為輔。

（2）逆變焊機(jī)已經(jīng)形成普遍推廣的勢(shì)頭，特別是逆變CO2焊機(jī)獲得了普遍應(yīng)用。

（3）自動(dòng)焊接設(shè)備發(fā)展迅猛，在鋼結(jié)構(gòu)工廠加工中已獲得廣泛應(yīng)用，并占據(jù)主體地位。在鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工中也被廣泛地采用。

2.焊接材料

焊條電弧焊由于需要頻繁更換焊條，焊后清渣工作量大等原因，限制了其在鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，但是因其設(shè)備輕便，搬運(yùn)靈活等優(yōu)點(diǎn)仍被應(yīng)用于臨時(shí)連接、定位焊等方面。

由于CO2氣體保護(hù)焊的普遍應(yīng)用，以H08Mn2Si為代表的低合金鋼實(shí)芯焊絲被廣泛地應(yīng)用于碳鋼和一般低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接施工中。焊絲中的Mn、Si元素補(bǔ)充了由于熔池處于氧化性氣氛中母材損耗的Mn、Si，保障了焊縫的力學(xué)性能。實(shí)芯焊絲填充快、效率高，適用于厚板焊接，已被廣泛地應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)施工中。

藥芯焊絲適用于薄板焊接或蓋面焊，工藝性能好，焊縫成形美觀。但是由于其技術(shù)水平尚未完善，存在熔敷效率低、煙塵大、送絲困難等缺點(diǎn)，因此制約了施工中的應(yīng)用。

現(xiàn)今焊材品種與鋼材品種不能一一匹配，焊材品種明顯少于鋼材品種，拓展焊接材料的強(qiáng)度等級(jí)和品種對(duì)提高結(jié)構(gòu)的安全性有很大益處，所以，未來(lái)我們應(yīng)該更加重視對(duì)焊材等級(jí)的開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)鋼材品種的不斷發(fā)展。

圖2 鋼板剪力墻臨時(shí)加固措施

圖3 焊接防變形約束措施示意

圖4 巨型鋼柱柱壁焊接順序

此外新型焊接輔材也被更廣泛地應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的施工中，如陶瓷襯墊等。陶瓷擋板的功能基本與鋼制引弧板、引出板相當(dāng)，但其具有更獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先是節(jié)省焊材和鋼材；其次是省去了為減少應(yīng)力集中和保持節(jié)點(diǎn)外形美觀所需的打磨工作。改善了焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中狀況，提高了節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度、抗地震沖擊載荷和脆性破壞的能力。

四、超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接新技術(shù)

1.電加熱技術(shù)

在以往的施工中，焊前預(yù)熱、焊后保溫大多采用火焰加熱，但是隨著超高層建筑的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)交叉節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、構(gòu)件截面和鋼板厚度越來(lái)越大，火焰焊接加熱不均勻的缺點(diǎn)對(duì)焊接的影響也越來(lái)越大，而電加熱憑借其加熱均勻、溫度易控等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛地應(yīng)用于施工焊接中。

根據(jù)焊接熱處理構(gòu)件的形狀、尺寸、厚度定制帶工裝強(qiáng)力碳鋼的優(yōu)質(zhì)陶瓷電加熱器，如陶瓷磁鐵式，固定在焊縫坡口對(duì)應(yīng)兩側(cè)，有的焊件截面比較復(fù)雜可以用鐵絲綁扎，然后用接長(zhǎng)導(dǎo)線連接到電腦溫控儀通電加熱，如圖5所示。

采用電加熱預(yù)熱升溫速度應(yīng)緩慢，一般情況控制在50℃/h以內(nèi)，即保證溫度的均勻性。預(yù)熱寬度從對(duì)口中心開(kāi)始，在焊縫及其兩側(cè)100mm處進(jìn)行加熱。加熱范圍每側(cè)不小于焊件厚度的1.5倍且≥100mm。根據(jù)不同材質(zhì)、不同厚度設(shè)定加熱溫度，采用紅外線測(cè)溫儀檢測(cè)加熱溫度。預(yù)熱和后熱的溫度都由電腦溫控儀設(shè)定并自動(dòng)控溫。

整條焊道焊完后，應(yīng)立即后熱，后熱溫度為250～300℃，恒溫1～2h，然后保溫緩冷。后熱溫度不小于規(guī)定值，在零下溫度下焊接時(shí)，適當(dāng)提高后熱溫度100～200℃左右，保溫時(shí)間按工件板厚及相關(guān)要求執(zhí)行，達(dá)到保溫時(shí)間后緩冷至常溫，如圖6所示。設(shè)置專門(mén)的防風(fēng)防雨措施，確保焊接加熱溫度。

2.現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人技術(shù)

工廠焊接中自動(dòng)化程度高，施工現(xiàn)場(chǎng)焊接中自動(dòng)化程度低。隨著建筑焊接結(jié)構(gòu)朝大型化、重型化、高參數(shù)精密化方向發(fā)展，焊接機(jī)器人開(kāi)始被應(yīng)用于焊接施工中。自動(dòng)焊技術(shù)對(duì)于操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且具有焊縫成形美觀、焊接過(guò)程穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

圖5 電加熱器安裝示意

圖6 電腦控制焊接預(yù)熱、后熱溫度曲線

GDC—1軌道式焊接機(jī)器人已成功應(yīng)用于國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”工程鋼結(jié)構(gòu)焊接中。采用實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，焊接機(jī)器人在“鳥(niǎo)巢”工程九號(hào)柱實(shí)施了橫焊，并在十六號(hào)柱實(shí)施了立焊及仰焊。該型焊接機(jī)器人在大連期貨大樓工程建設(shè)焊接施工中也得到應(yīng)用。

現(xiàn)今對(duì)焊接機(jī)器人的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用主要集中在以下兩方面：

（1）開(kāi)發(fā)新型機(jī)器設(shè)備，滿足全位置的焊接 現(xiàn)場(chǎng)焊縫位置復(fù)雜，焊接機(jī)器人適用性較差，在現(xiàn)場(chǎng)施工中施焊位置受到限制，速度慢，效率較低。機(jī)器人設(shè)備的完善直接決定了焊接機(jī)器人能否在施工中得到廣泛應(yīng)用。

（2）改進(jìn)焊材，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)化焊接 設(shè)計(jì)研發(fā)自保護(hù)性和防風(fēng)性更好，適用性更強(qiáng)的新型焊材以滿足自動(dòng)焊在不同施工環(huán)境下的的要求，增大自動(dòng)焊應(yīng)用范圍是需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。

3.焊接應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

深圳京基100工程施工中采用了超高層施工響應(yīng)的自動(dòng)化軟硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鋼管柱、巨型斜撐、腰桁架、伸臂桁架等結(jié)構(gòu)特殊受力部位，在焊接過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。通過(guò)軟件分析，掌握了焊接過(guò)程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，采取相應(yīng)施工措施，大大減小了焊接殘余應(yīng)力引起的變形，有效提高了鋼結(jié)構(gòu)安裝精度。本文以第55層伸臂桁架應(yīng)力檢測(cè)為例，介紹一下該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

（1）檢測(cè)設(shè)備的安裝 焊接之前根據(jù)構(gòu)件形式及焊縫分布，設(shè)定監(jiān)控點(diǎn)。再在監(jiān)控點(diǎn)處安裝應(yīng)變片并將其與電腦數(shù)據(jù)中心相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)控（見(jiàn)圖7）。

（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 以55層伸臂桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，伸臂桁架在焊接后應(yīng)力有個(gè)較大的突變，拉應(yīng)力突然增加。說(shuō)明焊接時(shí)刻的應(yīng)力變化很明顯，施工中應(yīng)引起重視；其他時(shí)刻伸臂桁架應(yīng)力比較穩(wěn)定，變化波動(dòng)范圍小。

伸臂桁架焊接應(yīng)力與無(wú)焊接的理論值比較分析如圖9所示。自伸臂桁架焊接后，伸臂桁架的應(yīng)力變化仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果均很低，因此伸臂桁架應(yīng)力變化主要是由焊接殘余應(yīng)力引起，但實(shí)際應(yīng)力變化值與設(shè)計(jì)值比較，其絕對(duì)值很小，對(duì)伸臂桁架整體受力無(wú)大礙。也說(shuō)明了施工中采取的相應(yīng)措施得當(dāng)，焊接工藝合理。

圖7 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖8 55層伸臂桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

圖9 伸臂桁架應(yīng)力數(shù)據(jù)比較

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)焊接施工特點(diǎn)的分析，闡述了超高層鋼結(jié)構(gòu)施工焊接的關(guān)鍵技術(shù)。并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中的鋼構(gòu)件分段分節(jié)、焊接防變形措施、厚板超長(zhǎng)焊縫焊接順序、焊接應(yīng)力監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)焊接機(jī)器人、新型焊接材料等新技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹。希望能為將來(lái)國(guó)內(nèi)超高層結(jié)構(gòu)的施工提供一些借鑒。