大跨度高強(qiáng)超厚鋼板廊橋的焊接施工技術(shù)

盛林峰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海國際金融中心共由上證所、中金所和中國結(jié)算3幢高層塔樓，地下金融劇院以及塔樓連接廊橋等結(jié)構(gòu)組成。廊橋位于呈“品”字形分布的3幢塔樓中間，作為連通塔樓的空中通道。結(jié)構(gòu)平面形狀呈倒“T”字形，由2個(gè)樓層和1個(gè)屋頂層組成。廊橋總長為158 m，中跨跨度75.50 m，左右邊跨32.25 m，T形跨凈跨度25.75 m（圖1）。

廊橋樓層結(jié)構(gòu)主要由2道縱向主梁與橫向連系次梁組成，主梁為通長布置（圖2）。

圖1 國金中心效果圖

圖2 廊橋結(jié)構(gòu)效果圖

2 焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

因廊橋跨度大，故造成其主結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面超大，鋼板超厚，鋼材強(qiáng)度級(jí)別覆蓋Q345～Q460。其中，大量的Q420、Q460高強(qiáng)鋼的使用是廊橋工程鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)。因此，高強(qiáng)度厚板的現(xiàn)場高空焊接是整個(gè)廊橋焊接工作中的突出控制重點(diǎn)。

2.1 截面超大、鋼板厚，焊接量大

在廊橋設(shè)計(jì)上，采用了大截面箱形構(gòu)件，特別是樓層主梁，截面高度基本都超過3 m，屬超大構(gòu)件。

表1為廊橋屋頂層主梁截面以及對應(yīng)的材質(zhì)要求分布位置統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)場對接接頭多，最大截面3 750 mm×1 050 mm，最大板厚80 mm，單個(gè)接頭焊縫長度達(dá)到9.6 m。

構(gòu)件截面大、板厚，造成現(xiàn)場接頭焊接量大。由于現(xiàn)場為全焊接接頭，故焊接質(zhì)量及效率將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)度。

2.2 鋼材強(qiáng)度高，焊接難度大

由表1可知，廊橋主梁除兩端長度各17.25 m采用了Q345外，其他均為Q420和Q460，且Q460鋼板板厚為最厚，達(dá)到60 mm和80 mm。

低合金高強(qiáng)鋼隨著強(qiáng)度級(jí)別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大，焊接工藝要求高[1-2]。

2.3 低溫、高空環(huán)境，焊接要求高

在施工現(xiàn)場焊接不同于工廠制作時(shí)的焊縫，易受外部條件的影響，焊接工藝的實(shí)施也受到諸多限制，如低溫、大風(fēng)、高空，都會(huì)給焊接操作帶來不利影響。廊橋的施工又正好處于冬季，上海的冬季最低溫度可達(dá)0 ℃，甚至?xí)陀? ℃，因此，如何確保低溫環(huán)境下高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量，是一個(gè)難點(diǎn)。

3 應(yīng)對措施

根據(jù)廊橋鋼結(jié)構(gòu)焊接的特點(diǎn)和難點(diǎn)，將Q460鋼材的焊接作為主要控制對象，首先，通過對其焊接性進(jìn)行分析，并結(jié)合焊接工藝評定試驗(yàn)，制訂合理的焊接工藝。其次，對廊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分段，優(yōu)化現(xiàn)場焊接接頭布置，采取合適的坡口形式，盡量減少現(xiàn)場焊接量。最后，優(yōu)選焊接工人，將最優(yōu)秀的焊工布置到Q460、Q420接頭焊接區(qū)，并嚴(yán)格進(jìn)行焊接過程管理控制。另外，針對現(xiàn)場長焊縫多的特點(diǎn)，將自動(dòng)化焊接機(jī)器人運(yùn)用到構(gòu)件的拼裝上，提高焊接效率。

表1 廊橋屋頂層主梁結(jié)構(gòu)截面材質(zhì)

4 焊接工藝評定試驗(yàn)

4.1 Q460鋼焊接性分析

目前，在國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，低合金高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來越多，Q390已經(jīng)較為普遍，Q420、Q460使用也逐漸增多。在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，屈服強(qiáng)度為400～800 MPa，抗拉強(qiáng)度為600～1 400 MPa級(jí)別的高強(qiáng)度鋼材將是今后的發(fā)展方向。

低合金高強(qiáng)度鋼含有一定的合金元素及微合金化元素，其焊接性主要表現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對焊接熱輸入敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向增大，對氫致裂紋敏感性較大。同時(shí)隨著強(qiáng)度級(jí)別及板厚的增加，淬硬性和冷裂傾向都隨之增大。

國金中心廊橋使用了Q460GJC板，按照GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》相關(guān)公式，計(jì)算其碳當(dāng)量為0.41，其焊接性一般。

4.2 Q460鋼焊接工藝評定試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，應(yīng)先進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)。

廊橋鋼結(jié)構(gòu)板厚最大為80 mm，因此選取板厚40 mm作為工藝評定試件，焊接位置則選取橫焊和仰焊2種形式，焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊（圖3）。

焊接工藝參數(shù)（橫焊）如表2所示。

工藝上采用焊前預(yù)熱（預(yù)熱60 ℃）、多道多層（道間溫度≤230 ℃）、焊后緩冷（用保溫棉包裹）等措施。按照標(biāo)準(zhǔn)做了2組拉伸、4組側(cè)彎、6組沖擊（焊縫、焊接熱影響區(qū)各3組）力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均合格。

由此結(jié)論，針對Q460GJC鋼，采用低氫焊接方法，保證預(yù)熱溫度，中等熱輸入條件下焊接能夠獲得無裂紋、塑性好的焊接接頭。

圖3 主梁對接接頭坡口形式

表2 焊接工藝參數(shù)

5 廊橋焊接實(shí)施

整個(gè)廊橋總質(zhì)量約8 000 t，為全焊接節(jié)點(diǎn)。由于廊橋鋼材種類多、焊縫長又處于冬季施工，為確保焊接質(zhì)量，我們在施工上嚴(yán)格進(jìn)行過程管理，從多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量把控。

5.1 合理分段、優(yōu)化接頭布置

廊橋構(gòu)件截面大，起重量受限，分段較多。在深化設(shè)計(jì)階段，就同步考慮現(xiàn)場焊接的可操作性。

廊橋9層局部主梁為大截面箱形構(gòu)件，次梁為“H”形構(gòu)件。箱形截面構(gòu)件，造成與之相交的次梁構(gòu)件均為“T”形接頭。

為避免現(xiàn)場大量的“T”形接頭，深化設(shè)計(jì)時(shí)將現(xiàn)場焊接接頭盡可能設(shè)置成對接形式，在工廠主梁上帶一段連接牛腿。這樣布置，一方面便于現(xiàn)場對接焊縫施焊，另一方面將牛腿與Q460主梁連接的大量焊縫放在操作條件好的工廠施焊，降低現(xiàn)場Q460鋼的焊接工作及風(fēng)險(xiǎn)（圖4、圖5）。

圖4 廊橋主次梁連接局部

圖5 主次梁連接牛腿示意

在進(jìn)行主梁對接接頭坡口形式設(shè)置時(shí)，基于在箱形構(gòu)件焊接上的經(jīng)驗(yàn)，底部對接焊縫設(shè)置成仰焊形式。通過焊接工藝評定試驗(yàn)，采用合理的焊接工藝，并選擇優(yōu)秀的焊工施焊，完全能滿足接頭焊接質(zhì)量。這樣可避免增開大量的焊接人孔，大大減少現(xiàn)場焊縫數(shù)量，提高現(xiàn)場安裝速度[3-5]。

5.2 嚴(yán)格把控、加強(qiáng)過程管理

從制訂完備的焊接工藝開始，到最終完成實(shí)施并獲得合格的焊縫質(zhì)量，中間過程中的每道環(huán)節(jié)控制都至關(guān)重要。

1）優(yōu)選焊工，對所有進(jìn)場焊接Q420、Q460接頭的焊工，均進(jìn)行焊工附加考試。

2）嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱制度。根據(jù)低合金高強(qiáng)鋼焊接性分析，焊接時(shí)的冷卻速度將影響接頭組織的性能，若控制不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致接頭的冷裂傾向加大。針對低合金高強(qiáng)鋼厚板焊接，一個(gè)重要的措施就是焊前預(yù)熱。為確保加熱的均勻性，應(yīng)全部采用遠(yuǎn)紅外電加熱方法進(jìn)行焊前預(yù)熱。

根據(jù)焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場接頭的拘束情況，最終確定了預(yù)熱溫度（表3）。

表3 Q420、Q460預(yù)熱溫度

3）控制現(xiàn)場裝配質(zhì)量，合理安排焊接施工順序?，F(xiàn)場接頭受制作、安裝多方面累積誤差等因素影響，往往存在比如接頭間隙、錯(cuò)邊超差等情況，不僅造成焊接工藝的難度提高，偏差嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對接頭的最終性能有不利影響。廊橋主梁由于超重，故采用地面拼裝、整體提升的施工工藝，因而既要保證構(gòu)件整體提升能精確到位，又要確保接頭質(zhì)量處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?；谠撛?，需采取跟蹤測量，并嚴(yán)格按照已安裝構(gòu)件接頭處反饋的數(shù)據(jù)，對提升主梁地面拼裝的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)控制。針對超長焊縫，為減小焊接應(yīng)力、降低焊接變形，施工中采取多人對稱、分段退焊的焊接工藝。

4）針對低溫環(huán)境，現(xiàn)場搭設(shè)全封閉操作平臺(tái)，既滿足防風(fēng)防雨要求，又保證焊接區(qū)一定的溫度，同時(shí)每條焊縫一次性連續(xù)焊接完成。

5）焊接前編制焊接工藝卡，進(jìn)行針對性技術(shù)交底。接頭裝配完成、坡口清理、焊前預(yù)熱、施焊、焊后處理等，每道工序都安排定點(diǎn)、定人檢查，遵循工藝流程施焊。

5.3 焊接機(jī)器人輔助焊接

針對廊橋構(gòu)件截面大、焊縫長的特點(diǎn)，為提高焊接工效，同時(shí)也為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，我們將焊接機(jī)器人運(yùn)用到構(gòu)件的現(xiàn)場拼裝焊接上，在現(xiàn)場輔助工人進(jìn)行焊接（圖6）。

圖6 焊接機(jī)器人構(gòu)件拼裝焊接

焊接機(jī)器人由焊接移動(dòng)小車、剛性軌道、控制箱、焊接電源系統(tǒng)和手控盒等5個(gè)部分組成。

焊接操作工需經(jīng)過培訓(xùn)，考試合格后方可進(jìn)行操作焊接。焊前應(yīng)根據(jù)主梁高度裝配固定軌道，把自動(dòng)焊匹配使用的焊接控制箱、焊接電源及送絲機(jī)，通過焊接電纜與焊接小車相連接，焊接保護(hù)氣瓶通過氣管與控制箱連接。焊接時(shí)焊接操作工利用焊接機(jī)器人示教功能對焊縫進(jìn)行示教操作，保證焊接過程中熔池中心與焊縫中心一致，通過焊接參數(shù)的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接[6-7]。

對于類似廊橋結(jié)構(gòu)大截面、長焊縫接頭，采用機(jī)器人焊接非常適合，可有效提高焊接效率、確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

上海國金中心廊橋鋼結(jié)構(gòu)從2016年底開始施工，到2017年3月結(jié)構(gòu)完成。通過對Q460低合金高強(qiáng)鋼焊接性的分析，根據(jù)現(xiàn)場施工特點(diǎn)，制訂合理的焊接工藝，并有效落實(shí)焊接管理各項(xiàng)措施，使得焊接質(zhì)量處于良好的受控狀態(tài)，焊縫無損檢測一次合格率達(dá)到98%以上，減少了返工，為后續(xù)施工爭取了更多時(shí)間。