既有異形建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接加固施工技術(shù)

孫璠 謝志滔 常昆 田鵬龍 周清芝

摘 要：對于部分造型復(fù)雜、采用特殊材料和工藝、具有特殊政治以及文化意義的既有公共建筑，其往往需在保證外觀不變的情況下，對其進行外立面的修復(fù)和使用功能方面的加固改造。此時，需保護和不破壞既有建筑結(jié)構(gòu)，又需對其進行加固修整，而加固修整的主要措施為螺栓連接和焊接，故有必要對既有建筑原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的科學(xué)有效結(jié)合進行可行性研究。

關(guān)鍵詞：異形建筑;結(jié)構(gòu)加固;焊接;自動氣保焊

中圖分類號：TU758.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0090-03

Existing Special-Shaped Building Steel Structure Welding

Reinforcement Construction Technology

SUN Fan XIE Zhitao CHANG Kun TIAN Penglong ZHOU Qingzhi

（China Construction Eighth Engineering Co.， Ltd.，Shanghai 20040）

Abstract： For some existing public buildings with complex shapes， special materials and techniques， and special political and cultural significance， it is often necessary to restore the facade and reinforce and transform the use function while ensuring the appearance remains unchanged. At this time， the existing building structure needs to be protected and not destroyed， and it also needs to be reinforced and repaired. The main measures of reinforcement and repair are bolt connection and welding， so it is necessary to conduct a feasibility study on the scientific and effective combination of the original structure and the new structure of the existing building.

Keywords： irregular building;structure reinforcement;welding; automatic gas protection welding

近年來，鋼結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑，但是由于設(shè)計、施工、使用方法、管理不當、材料質(zhì)量不符合要求以及使用時間超出設(shè)計使用年限等因素的影響，致使鋼結(jié)構(gòu)建筑不可避免存在各種各樣的缺陷和損傷，嚴重影響質(zhì)量安全。既有建筑的拆除、加固以及改造技術(shù)成為施工領(lǐng)域的熱點問題[1-2]。對于部分造型復(fù)雜、采用特殊材料和工藝、具有特殊政治及文化意義的既有公共建筑，其往往需在保證外觀不變的情況下對其進行外立面的修復(fù)和使用功能方面的加固改造[3-4]。此時，需保護和不破壞既有建筑結(jié)構(gòu)，同時對其進行加固修整，而加固修整的主要措施為螺栓連接和焊接，故有必要對既有建筑原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的科學(xué)有效結(jié)合進行可行性研究[5]。

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法有鋼板焊接、螺栓連接以及粘貼鋼板等，這3種方法存在著各自的優(yōu)劣特點。本文著重介紹鋼板或型鋼焊接加固方法。

1 工程概況

本工程意大利館由一棟鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)組成（見圖1），建筑面積為11 097.58 m2，塔樓高度為23.95 m，共計4層。平面形式為不規(guī)則多邊形，立面為不規(guī)則斜型。豎向鋼柱為箱型鋼和H型鋼，水平鋼梁為箱型鋼和H型鋼。

本場館原屋面拆除至結(jié)構(gòu)面，拆除中庭建筑物、原內(nèi)隔墻、外玻璃幕墻、原機電管線、設(shè)備拆除骨、幕墻連接件以及預(yù)埋件。新建部位有鋼樓梯、種植屋面、內(nèi)隔墻以及門窗等。修繕部位有破損混凝土板修繕，原有鋼結(jié)構(gòu)涂料修復(fù)，結(jié)構(gòu)加固工程。

目前，對于意大利館加固主要采用加大截面積法進行，加固過程中不改變原有構(gòu)件的中心位置，通過增大截面積和兩側(cè)補板以達到結(jié)構(gòu)加固的目的。加固工作在整體標段施工中屬于中間工序和關(guān)鍵工序，施工前需滿足結(jié)構(gòu)卸荷和負荷支撐要求，需要其他配合單位完成隔墻吊頂、內(nèi)裝飾和各種管線拆除、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和加固承重構(gòu)件的連接以及原結(jié)構(gòu)除銹打磨作業(yè)。整體加固順序自下而上，先柱后梁。構(gòu)件吊裝時，長型鋼構(gòu)件通過室外汽車吊吊裝，零星構(gòu)件和周轉(zhuǎn)材料通過室內(nèi)升降機運輸。梁柱加固焊接前搭設(shè)臨時支撐及臨時施工平臺，構(gòu)件安裝通過叉車或葫蘆吊升到位。

加固工作量大，形式復(fù)雜，需要加固的部位分為箱型鋼柱、H型鋼柱、圓管柱、箱型鋼梁、H型鋼梁以及梁柱節(jié)點等。新增的加固用鋼材主要為15～40 mm的Q345B鋼板，采用焊接的方式連接。加固工作在承受靜荷載條件下進行，大部分節(jié)點為非對稱加固，通過增大截面積達到加固的目的。為了控制好整個加固的變形和焊接件的安裝精度，必須確定好合理的加固焊接順序，以保證加固工作保質(zhì)保量地完成。

2 焊接加固工程特點與難點

本工程為改建項目，為加固及增補結(jié)構(gòu)，深化節(jié)點種類多、結(jié)構(gòu)形式雜以及圖紙與現(xiàn)場情況有多處不符現(xiàn)象，需根據(jù)現(xiàn)場情況并結(jié)合設(shè)計圖紙對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)和節(jié)點進行實際的放樣深化，在原鋼梁變形的基礎(chǔ)上進行增大截面焊接，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，消除結(jié)構(gòu)安全隱患。在實地調(diào)研查看后，意大利館改造加固結(jié)構(gòu)焊接特點與難點主要有如下幾點。

2.1 原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、裂紋、部件缺失等問題

原建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為5年，實際使用年限已超出設(shè)計規(guī)定年限，現(xiàn)經(jīng)結(jié)構(gòu)加固后設(shè)計使用年限為50年。結(jié)構(gòu)局部存在變形、裂紋以及部件缺失等問題，現(xiàn)場需對原結(jié)構(gòu)質(zhì)量全面檢測仔細排查，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際下繞、扭曲及變形數(shù)據(jù)為工廠加工非標型材提供基準，并結(jié)合設(shè)計圖紙下料加工。

2.2 結(jié)構(gòu)加固焊接負荷施工

加固工作在承受樓板和自重等靜荷載狀態(tài)下施工，焊接過程必須考慮因瞬時高溫造成局部范圍內(nèi)鋼材性能的降低，繼而可能產(chǎn)生開裂、斷層以及坍塌等問題。

2.3 結(jié)構(gòu)加固焊接工程量大

整個意大利館加固焊接涉及鋼柱、鋼梁、支撐等共398個，焊縫長度約為2 070 m。其中主框架梁加固鋼板較厚，為40 mm厚鋼板。量多面廣帶來的質(zhì)量及安全監(jiān)控難度增大，務(wù)必做到焊接工作先下后上、先主后次、先點后面以及先里后外，焊接過程管控有據(jù)可依，工序安排科學(xué)合理，目標達成有的放矢。

2.4 焊接空間復(fù)雜和部位受限

施工部位分布在各個樓層、樓段、功能室以及樓梯間等，焊接部位有的位于高空懸空處及低矮狹窄處，有的處于高低落差位置及三角邊緣角落，空間受限進一步影響施工水平、進度及質(zhì)量。加固部位有梁柱節(jié)點區(qū)域、孔洞區(qū)域、螺栓連接區(qū)域以及懸挑區(qū)域等，部位不同，構(gòu)件形式也不同，針對不同的特點和難點，編制技術(shù)方案和圖紙，部署施工措施。

2.5 焊接工藝的風(fēng)險

根據(jù)現(xiàn)場實際的結(jié)構(gòu)負載和焊接情況，若采用傳統(tǒng)手工電弧焊連續(xù)施焊，則加固鋼板焊接受熱面積大、持續(xù)受熱時間長，使整個受力結(jié)構(gòu)區(qū)域持續(xù)處于高溫狀態(tài)，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)承載能力下降，梁柱加固焊接部位應(yīng)力與變形加大，對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的風(fēng)險。

2.6 焊接應(yīng)力及變形控制困難，技術(shù)措施復(fù)雜

加固焊接鋼板作用于整個構(gòu)件截面，鋼柱最長達40 m，鋼梁長為24 m，原構(gòu)件形式均為細長桿件，在焊接過程中極易產(chǎn)生大的焊接變形和應(yīng)力，甚至焊接裂紋。對焊接操作過程控制和焊縫質(zhì)量管理，造成較大的風(fēng)險。

3 加固焊接風(fēng)險預(yù)防、問題解決

加固工作開始前，應(yīng)落實下列資料和程序：①原有結(jié)構(gòu)的竣工圖（變更圖）;②原有鋼材材質(zhì)報告復(fù)印件或現(xiàn)場材質(zhì)檢驗報告;③原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、安裝驗收記錄;④原有結(jié)構(gòu)設(shè)計計算書;⑤結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破損情況檢查報告;⑥現(xiàn)有實際荷載和加固后新增加荷載的測量數(shù)據(jù);⑦編制詳細切實的專項施工方案并經(jīng)審核批準;⑧施工前完成安全技術(shù)交底，并貫徹落實到實際操作人員層面。

3.1 焊接施工順序

3.1.1 結(jié)構(gòu)加固焊接施工順序。①搭設(shè)腳手架，作為加固焊接工作的操作平臺;②焊前檢查并清理坡口角度、間隙;③焊接引弧板、母板;④兩名焊接速度相近的焊工，對稱焊接，多層多道及蓋面焊每層焊接結(jié)束后，使用鋼絲刷進行清理;⑤焊接過程施工中使用錘擊法逐步釋放應(yīng)力;⑥外觀檢查焊后24 h，檢查焊縫外觀質(zhì)量滿足要求;⑦無損檢驗進行UT檢測。

3.1.2 焊接過程中的注意事項。①焊接熔敷金屬的機械性能應(yīng)不低于次要焊件的機械性能，如被焊焊件機械性能不同時，應(yīng)不低于母材較低機械性能要求。②除非另外說明，焊接工作所采用的焊接方法、工藝參數(shù)及質(zhì)量檢查應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661—2011）和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》（GB 50205—2020）的規(guī)定。③無損探傷在焊接完成24 h后進行，并根據(jù)焊縫等級相應(yīng)檢測評定。

3.2 原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、裂紋、部件缺失等問題解決措施

組織檢測單位和技術(shù)人員全數(shù)檢查檢測原結(jié)構(gòu)變形及質(zhì)量問題，并出具檢測報告和整改方案，確定結(jié)構(gòu)受力正常，局部加強增補構(gòu)件。

3.3 結(jié)構(gòu)加固焊接負荷施工解決措施

為防止加固梁焊接時受荷載影響產(chǎn)生彎曲變形，在梁底部設(shè)置整體支撐桿件[見圖2（a）]，并配上千斤頂。組織人員針對加固焊接部位搭設(shè)定點臨時支撐腳手架[見圖2（b）]，并加強節(jié)點頂部承載力。對支撐進行受力計算以符合要求，焊接工作嚴格遵循先下后上、先主后次以及先支撐后焊接的順序。

3.4 焊接空間復(fù)雜和部位受限解決措施

組織人員針對加固焊接部位搭設(shè)臨時操作平臺，滿足施工空間要求。部分空間處于懸挑區(qū)域，焊接部位角度嚴重受限情況下，使用登高車將施工人員定點定位送達。設(shè)置臨時操作平臺，按空間角度設(shè)置縱深，以達到操作空間符合要求，焊接角度不受限。

3.5 焊接工藝的風(fēng)險解決措施

通過大量的討論和研究，力求更為穩(wěn)妥的斜向鋼柱和鋼梁加固的焊接方法——自動氣保焊，以減少焊接過程持續(xù)高溫受熱，并加快焊接進度。對自動焊機（見圖3）的導(dǎo)軌設(shè)置符合鋼柱鋼梁的傾斜角度，使其行走路徑與焊縫角度相互吻合，通過主機控制程序設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)，使焊縫外觀成形美觀的同時達到相應(yīng)的焊接質(zhì)量要求，另外對整條焊縫設(shè)置分段焊接區(qū)域，合理避免結(jié)構(gòu)持續(xù)受熱。通過分段焊接間隔受熱區(qū)域，避免焊區(qū)集中的迅速加熱和冷卻過程，其他在自動焊焊接不到的地方采用手工電弧焊進行人工補焊。

3.6 焊接應(yīng)力及變形控制解決措施

該工程中鋼結(jié)構(gòu)加固焊接主要是厚板、中厚板角焊縫焊接與對接焊縫焊接，剛性大，焊接量大，焊接時易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接裂紋。

采用合理的焊接順序，在同一層鋼結(jié)構(gòu)加固焊接中先焊接加固板之間的橫焊縫，再同時對稱焊接加固板與原鋼柱之間的立角焊縫。

對接焊縫焊接，加引孤板和母板，避免起弧和收弧時的焊接問題，從而預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生。

釆用合理的堆層順序，中厚板焊接，采用多層多道焊，堆層時要避免過厚或過薄，兩側(cè)不宜出現(xiàn)小尾巴，以免產(chǎn)生夾渣、氣孔以及未熔合等缺陷。此外，焊接過程中用錘擊法消除中間焊層應(yīng)力。

4 結(jié)語

既有建筑的焊接加固及改造技術(shù)是城市更新中的核心技術(shù)之一，然而現(xiàn)有針對公共建筑的焊接加固及改造技術(shù)的研究成果較少。上海意大利館結(jié)構(gòu)焊接施工工程質(zhì)量優(yōu)秀安全可靠，故該施工過程可為相似工程的施工提供參考。

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