江東·和諧世紀鋼結構工程制作與安裝關鍵焊接技術

何志濤 張發(fā)榮 李鋼

一、工程概況

江東·和諧世紀廣場地處云南昆明北市區(qū)銀河大道，由兩幢互為對稱的超高層雙子（B座和D座）塔樓組成，均為鋼框架-核心筒結構，地下3層，地上55層，塔樓頂部標高209.25m。因云南地區(qū)地震帶較為活躍，在19層、33層和47層設置有避難層，為轉換桁架結構，核心筒、外框架和伸臂桁架共同構成整體抗側力體系，抗震設防基本烈度為8度（見圖1）。工程主要采用Q345B、Q345GJC、Q345GJC—Z15及Q345GJC—Z25等鋼材。

二、焊接工程的關鍵技術

1.焊材及焊接方法的選擇

焊接材料的選擇主要受焊接性、工藝性和經(jīng)濟性等三方面的影響，本工程在焊材選擇上遵循焊縫強韌性配比“等強為主、低強為輔”的原則進行。

綜合考慮在工廠制作與現(xiàn)場安裝的焊接效率、操作難度以及焊接質量的控制情況，工廠鋼柱、鋼梁等規(guī)則構件采用SAW，異型件采用GMAW-CO2的焊接方法進行；現(xiàn)場鋼柱對接的橫焊（V）、平焊（F）采用GMAWCO2的焊接方法進行，梁、柱連接定位焊采用SMAW，部分施焊空間較大的鋼柱對接則采用機器人自動焊。

根據(jù)母材及焊縫性能，本工程鋼結構選用的焊接材料如下：SAW采用金橋H10Mn2+SJ101；GMAW-CO2采用大西洋ER50—6級焊絲；SMAW采用鐵錨J506或J507焊條。

2.工廠焊接工藝應用

（1）焊接新技術的應用 根據(jù)《鋼結構焊接規(guī)范》（GB50661—2011）和AWS D1.1中相關要求，在抗震結構和工程外觀要求高，且焊接工程師有特殊要求的結構中，不能選用保留鋼襯墊的焊接工藝。在本工程工廠制作過程中，運用玻璃纖維編織網(wǎng)襯墊取代鋼襯墊、陶瓷襯墊和反面清根等工藝方法。不僅施焊方便，背面成形良好，焊接質量穩(wěn)定、可靠、免清根，而且可在異型結構中使用，達到單面焊雙面成形的效果。

圖1 工程實效

焊接前，在母材坡口背面加設編織網(wǎng)襯墊，焊接過程中，背面焊縫在成形過程中能夠與編織網(wǎng)內部焊劑起到冶金反應，強化焊縫金屬的性能。在工廠全熔透焊接過程中采用玻璃纖維編織網(wǎng)襯墊的對接和T形接頭，如圖2所示。

（2）厚板節(jié)點的裝配與焊接 本節(jié)點為避難層節(jié)點，最大板厚為80mm，鋼材為Q345GJC—Z25。其結構較為復雜，裝配和焊接難度較高。

第一，根據(jù)設計圖樣的尺寸，在加工好過渡坡口的十字板上劃中心線和零部件的裝配尺寸線（見圖3）。

第二，以中間大板為中心逐步向外進行各板件的裝配。首先裝配中間三塊腹板，中間八塊小勁板事先不進行裝配，留后道工序進行裝配（見圖4）。焊接時要求以貫通腹板中心為起弧點向兩邊焊接，其余兩塊腹板焊接時要求同一板件布置兩名焊工采取同方向同步對稱施焊（見圖5）。

第三，進行中間八塊小勁板的裝配和部分焊縫的焊接。焊接時，先焊接小空間難施焊的部位，接著焊接外側坡口焊縫（見圖6）。

第四，進行斜向勁板及豎直勁板的裝配。斜向勁板裝配完畢后要求先進行小空間小角度部位的焊接，其余部位和豎直勁板要求暫不進行焊接，留節(jié)點裝配焊接完畢后再進行焊接。上述所有工序完成后再進行十字蓋板的裝配焊接，最后進行十字部分及后續(xù)零部件裝配的焊接。具體操作如下：裝配斜向勁板及豎直勁板，然后進行十字蓋板的組焊。除特殊坡口外，其余坡口方向均要求朝外（見圖7）。

第五，在組裝好的十字節(jié)點上精確畫出零部件裝配的定位尺寸線，然后進行十字柱板件的組裝，最后進行異形板件的裝配焊接（見圖8、圖9）。

圖2

圖3 十字板劃線

圖4 十字組裝

圖5 板件焊接順序

圖6 小勁板組裝

圖7 斜向與豎直勁板組焊

因本節(jié)點均為厚板焊接，焊接過程中會產生較大的變形，在滿足小空間可施焊的前提條件下，采用同步對稱施焊（見圖10）。

第六，裝配剩余的零件板，然后進行焊接。焊接時，以十字中心為基準逐步向外側板件進行焊接。在內側十字板件正式焊接前，運用節(jié)點各板件互為約束的方式，將各接頭焊縫部位進行一層打底焊，避免內側板件焊接時因焊接應力而影響外側板件的各項重要尺寸（見圖11）。

第七，在平臺上搭設胎架。根據(jù)圖樣設計尺寸，劃地樣線，標示各關鍵尺寸控制點，立簡易裝配胎架。搭設胎架時注意平臺的水平度，需用水準儀進行校核（見圖12）。

第八，按照“先中間，后兩邊”的裝配合攏原則先進行構件中部十字柱，然后以十字柱兩端頭為基準點進行。十字柱吊裝至平臺胎架上后，需根據(jù)事先在平臺上所畫的地樣用鉛垂線進行核準，在調整的過程中，構件與胎架之間的間隙可用三角形鐵楔進行微調（見圖13）。

第九，十字柱吊裝且校核完畢后再裝配十字柱端頭兩節(jié)點構件。按照同樣的方法，校準節(jié)點對應的地樣線。此外，還需對三節(jié)構件進行一次整體的校核，保證整體的裝配尺寸精度（見圖14）。

第十，對胎架上三節(jié)構件尺寸檢查完畢且合格后再裝配最后的兩節(jié)十字柱。合攏裝配時，注意調節(jié)地樣線與胎架上構件基準點的誤差（見圖15）。

圖8 十字節(jié)點劃線

圖9 十字柱及異形板裝配

圖10 十字柱和異形板件焊接方向

圖11 節(jié)點裝配

圖12 組裝平臺

圖13 十字柱吊裝

圖14 節(jié)點裝配、檢查

圖15 合攏完畢

（3）焊接變形控制 該結構形式較為獨特，內部勁板加設較為密集，焊接應力分布較為復雜，焊后變形控制難度較大。通過對該節(jié)點仔細研究分析后，在保證焊接質量、提高焊接效率的前提下，主要從焊接工藝方面來控制焊接變形。

剛性固定法：在本構件的焊接過程中，采用剛性固定的方法進行強制性約束，防止焊接過程中的變形。在焊接前，將勁板密集部位采用剛性約束，達到減小焊接變形的目的，能夠保證構件后續(xù)裝配的幾何尺寸（見圖16）。

厚板多層多道錯位焊接技術：采用多層多道錯位焊接方法對焊縫和熱影響區(qū)組織都具有一定的改善作用，且降低了焊接拘束度，使內應力得到均勻分布。避免施焊時因母材的拘束力大而產生凝固裂紋。此外，在起弧和收弧時，要求每道焊縫接頭應錯開25～50mm上，起弧應采用回焊手法，熄弧應填滿弧坑，采用此焊接方法是嚴禁擺動焊接（見圖17～圖19）。

3.現(xiàn)場安裝焊接技術

（1）焊接施焊原則 以控制應力、應變?yōu)闇蕜t，根據(jù)GB50661—2011中相關要求制定焊接順序，嚴禁將合攏焊口布置在桿件應力集中的地方。

柱、梁等焊接接頭的焊接，應先從整個結構的中間構件上施焊，形成框架后向左、右擴展焊接。

對于外框鋼柱的對接施焊，應由兩名焊工同時從兩側不同方向對稱焊接。兩人先焊接A，B（C，D）焊縫高度的40%，再進行C，D(A，B)焊縫40%的焊接，之后再進行A，B(C，D)焊縫剩余60%的焊接，最后結束C，D（A，B）焊縫的焊接（見圖20、圖21）。

H型鋼柱先焊翼緣板，后焊腹板。當焊縫過長時，可采用分段跳焊法，但要保證兩焊工同步，減少變形。在焊接最后一層時需一次焊完，不得分段焊接（見圖22）。

鋼梁高空對接焊接時先焊下翼緣，后焊上翼緣，最后焊腹板。各道焊縫的起弧點要適當錯開，以避免夾渣、未熔合等缺陷集中在一處（見圖23）。

H型鋼梁與外框箱型鋼柱焊接時，先通過腹板高強螺栓初擰后再進行焊接。焊接時先焊接下翼緣與鋼柱的焊縫，后焊上翼緣與鋼柱的焊縫（見圖24）。

圖16 支撐防變形

圖17 多層多道焊

圖18 錯位焊接

圖19 主體焊縫

圖20 焊接面

圖21 焊接順序

圖22 H型鋼柱焊接順序

圖23 鋼梁對接焊接順序

桁架高空拼接時，其腹板采用栓焊混合連接。焊接時，首先由兩名焊工在梁外側同時用立向上焊接位置對稱焊接箱型梁的兩腹板，然后由一名焊工逐條完成下翼緣對接焊縫，再由一名焊工完成上翼緣對接焊縫，最后由兩名焊工同時焊接預留未焊的腹板與翼緣之間的縱向俯角和仰角焊縫（見圖25、圖26）。

（2）機器人焊接技術 在現(xiàn)場外框部分安裝焊接過程中，對于截面超過800mm的箱型構件，且焊接環(huán)境和施焊空間允許的情況下，在對接時采用機器人進行焊接。

圖24 焊接順序

圖25 箱型對接

三、結語

江東·和諧世紀工程為云南昆明地區(qū)第一高樓，鋼結構施工周期長達4年之久。本工程從制作到安裝整個焊接過程的管控得到了業(yè)主、監(jiān)理和相關質監(jiān)部門的高度重視。

圖26 對接焊接順序

在實際焊接過程中，融入了一些新的焊接技術，工廠玻璃纖維襯墊的應用，現(xiàn)場機器人焊接的推廣應用都是焊接工程中的亮點。同時也推動了建筑鋼結構技術進步，填補了建筑鋼結構行業(yè)的一項空白，為后續(xù)工程提供了強有力的技術支持。