嘉德藝術(shù)中心超厚鋼板墻焊接工藝

周 楊1 魯 廣1 黃美淑1 石長強(qiáng)1 梅 超1 張佳慧2

(1.中建鋼構(gòu)有限公司,， 北京 100084； 2.東北林業(yè)大學(xué),， 哈爾濱 150040)

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工中,，Q420GJC材質(zhì)鋼材由于碳當(dāng)量高、冷裂紋敏感性強(qiáng),，同時傳統(tǒng)的厚板焊接層狀撕裂傾向大,，導(dǎo)致焊接難度極大。為保證Q420GJC超厚鋼板剪力墻焊接質(zhì)量,，在項目施工過程中采取一系列方法和手段進(jìn)行焊接管控,。通過分析將工程在超厚鋼板剪力墻焊接方面的做法進(jìn)行闡述，其中包含如何選擇超厚鋼板的焊接順序,、如何控制超厚鋼板焊接時的溫度,、如何設(shè)置焊接操作平臺等。對其他工程施工焊接具有一定的借鑒意義,。

關(guān)鍵詞：Q420GJC,； 超厚鋼板剪力墻； 焊接方法

1 工程結(jié)構(gòu)概況

嘉德藝術(shù)中心結(jié)構(gòu)形式為復(fù)雜超限高層建筑,，采用4個核心筒鋼板剪力墻與四周向外懸挑桁架,、內(nèi)部轉(zhuǎn)換鋼桁架等組成的混合結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)部分主要集中在核心筒鋼板剪力墻,、勁性鋼柱和外框鋼柱,、樓層鋼梁、鋼桁架結(jié)構(gòu)及屋頂鋼結(jié)構(gòu),。其中核心筒鋼板墻材質(zhì)為Q420GJC,，鋼板厚度主要有80，100,，120 mm等7種型號,。本工程鋼板墻布置如圖1所示。

1-控制點1(板厚100 mm),；2-控制點2(板厚100 mm),；3-控制點3(板厚60 mm),；4-控制點4(板厚80 mm)；5-控制點5(板厚50 mm),；6-控制點6(板厚100 mm),；7-控制點7(板厚60 mm);8-控制點8(板厚120 mm)；9-控制點9(板厚100 mm),；10-控制點10(板厚50 mm)
圖1 鋼板墻板厚及變形控制點布置

Q420GJC材質(zhì)鋼板由于對冷裂紋敏感性強(qiáng),，且碳當(dāng)量高，導(dǎo)致焊接難度非常大,；其次,，超厚鋼板焊接完成后收縮量大，應(yīng)力及變形難以控制,；另外,，由于鋼板厚度大，在工廠軋制過程中受到設(shè)備的限制導(dǎo)致其Z向性能比薄鋼板差,，層狀撕裂傾向非常大。如何保證Q420GJC超厚鋼板剪力墻的現(xiàn)場焊接質(zhì)量是本工程施工質(zhì)量的重點和難點,。本工程鋼板墻焊接如圖2所示,。

2 焊接難點及對策分析

焊接難點一：焊縫長度長，焊接量大,，同時鋼板較厚,，導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中，產(chǎn)生了較大的焊接變形,，每1 000 t鋼板墻焊縫長度如表1所示,。對策分析：采取合理的施工工藝以減小鋼板墻的焊接變形。

1-典型全熔透焊接,；2-全熔透二級焊縫,，非節(jié)點區(qū)域；3-對接節(jié)點上下100 mm全焊透,，本體全熔透焊,；4-節(jié)點范圍往上500 mm全焊透；5-節(jié)點區(qū)域上下500 mm全焊透,；6-節(jié)點范圍往下500 mm全焊透,；7-節(jié)點范圍，本體全熔透焊
圖2 鋼板剪力墻焊接示意

表1 每1 000 t鋼板墻焊縫長度

板厚/mm橫焊縫/m立焊縫/m3069274013158505832604208089010091012080合計488116

焊接難點二：如何控制鋼板墻的變形及焊接應(yīng)力,。對策分析：為了準(zhǔn)確掌握鋼板墻變形的情況,，在地面上布設(shè)鋼板墻測控點，用全站儀對實際測量點坐標(biāo)進(jìn)行測量并與理論值做對比,。分析對比結(jié)果表明,，標(biāo)高方向和S方向上變形量非常小,，N方向變形較為明顯，即鋼板墻平面外方向,。平面外方向的變形將會影響鋼板剪力墻模板安裝,，必須采用反變形措施對N方向變形進(jìn)行處理，如圖3所示,。

注：S,、N表示焊接變形方向。
圖3 反變形措施示意

a-單榀支撐架,；b-安裝完成
圖4 支撐架結(jié)構(gòu)示意

焊接難點三：鋼板墻安裝過程中的操作和安全防護(hù)較困難,。對策分析：設(shè)計橫焊縫三角支撐架(圖4)及立焊縫自動升降焊接操作平臺(圖5)。

圖5 立焊縫操作平臺

3 鋼板墻焊接要點

3.1 鋼板墻焊接順序

1)整體焊接順序,。鋼板墻的焊接順序?qū)︿摪宓暮负笞冃纹鹬鴽Q定性作用,。經(jīng)過試驗，本工程鋼板剪力墻整體焊接的順序為：首先,，焊接鋼板墻端柱連接焊縫,；然后，焊接鋼板墻型鋼梁的連接焊縫,；最后,，焊接鋼板墻墻身焊縫。鋼板墻墻身焊縫的焊接順序為：首先,，焊接鋼板墻橫焊縫,；然后，焊接鋼板墻豎焊縫,。焊接原則為：同類焊縫對稱,、同向、同時焊接,。剪力墻整體焊接順序如圖6所示,。

注：1～11為焊接順序。
圖6 鋼板剪力墻整體焊接順序

2)橫焊縫焊接順序,。經(jīng)現(xiàn)場試驗確定,，橫焊縫焊接順序采用分段跳焊焊接工藝，間隔900～1 000 mm焊接,，每小段焊縫填滿且端頭焊縫焊接完成后焊接下一段焊縫,，循環(huán)焊接。每段焊縫安排一位焊工進(jìn)行焊接,。剪力墻橫焊縫焊接順序如圖7所示,。

注：1～6為焊接順序。
圖7 橫焊縫焊接順序示意

3)立焊縫焊接順序,。立焊縫焊接順序為從上到下分段跳焊,，每段間隔為900～1 000 mm,，待每段焊縫焊滿之后且底部端頭焊接完成，再返回上部進(jìn)行焊接,，如此循環(huán)焊接,，每段焊縫安排一位焊工，同向,、同步進(jìn)行焊接,。鋼板墻立焊縫焊接順序如圖8所示。

圖8 立焊縫焊接順序示意

4)分段焊接接頭的處理,。分段焊接時,，為避免焊接接頭全部處于一個斷面內(nèi)，每段焊縫間隙至少應(yīng)錯開50 mm,，分段焊接接頭如圖9所示,。

圖9 分段焊接接頭示意

3.2 鋼板墻焊接工藝參數(shù)設(shè)置

通過施工現(xiàn)場多次焊接試驗和工藝評定，得出如表2所示的焊接工藝參數(shù),，焊接時焊縫合格率最高,。

表2 Q420GJC超厚板焊接工藝參數(shù)

層次焊接方法焊條或焊絲牌號直徑/mm焊劑或保護(hù)氣體保護(hù)氣體流量/(L·min-1)電流/A電壓/V焊接速度/(cm·min-1)打底GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25260～28031～3315～18中間GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25280～30032～4018～21蓋面GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25260～28030～3515～18

4 焊接過程控制

4.1 焊前檢查與清理

焊接前，將鋼板剪力墻焊縫坡口兩側(cè)用角向磨光機(jī)進(jìn)行打磨處理,，直至露出鋼材原始金屬光澤,，打磨深度應(yīng)大于0.5 mm。母材坡口及坡口兩側(cè)30～50 mm內(nèi),，在焊前必須徹底清除影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì),，如氣割氧化皮,、銹,、涂料、熔渣,、油,、水分和灰塵等。CO2氣體保護(hù)焊,、手工電弧焊的焊縫引出長度必須大于50 mm,。鋼板墻焊縫端頭處的引弧板、引出板的寬度和長度必須大于50 mm且長度需大于板厚的1.5倍,。鋼板墻焊縫焊接完成之后,，必須用火焰割槍切除焊縫端部的引弧板和引出板，不得用錘擊落,，割除完成后需修磨平整,。

4.2 焊前預(yù)熱

鋼板墻焊縫焊接之前，需用電加熱設(shè)備對焊縫兩側(cè)加熱(焊縫兩側(cè)加熱寬度為鋼板厚度的1.5倍,，同時不得小于100 mm),。如出現(xiàn)需返修的焊縫,，預(yù)熱時區(qū)域需適當(dāng)加寬以防止焊接裂紋的發(fā)生。預(yù)熱溫度需在焊件受熱面的背面測量,，預(yù)熱溫度擬定如表3所示,。

表3 焊接預(yù)熱溫度

序號板厚/mm預(yù)熱溫度/℃180,100,120120250,6080

4.3 定位焊

預(yù)熱完成后，焊縫對接時需用手工定位焊點固：定位焊縫長度為40～60 mm,，間距為400～500 mm,。焊縫兩端在焊接時必須加引弧板和引出板，同時坡口兩側(cè)300 mm內(nèi)必須清理飛濺物和藥皮,。

4.4 焊縫層間溫度控制

現(xiàn)場焊縫層間溫度控制采用氧乙炔中性焰的加熱控制方法,，溫度在120～150 ℃為宜。溫度測量采用紅外測溫儀,，測量時,，若發(fā)現(xiàn)橫焊縫層溫未達(dá)到溫度要求，必須立即對焊縫加熱,，層溫達(dá)到要求后再焊接,。每條焊縫不得無故停焊，必須連續(xù)焊完,，若出現(xiàn)特殊情況,，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，待達(dá)到施焊條件后再重新加熱焊縫,，且加熱時的溫度需比焊前預(yù)熱溫度高20～30 ℃,。

4.5 焊后熱處理

焊接完成后使用電加熱設(shè)備將焊縫兩側(cè)200 mm范圍內(nèi)加熱至150～200 ℃，保持溫度60～90 min,。電加熱器布置如圖10所示,。

注：t為鋼板厚度。
圖10 電加熱器布置示意

5 焊接變形控制

5.1 改進(jìn)焊接設(shè)計

1)選擇合理的焊縫形狀和尺寸,。鋼板厚度在50 mm以上的對接接頭需采用K形坡口或X形坡口,，不得使用V形坡口，以減少熔敷金屬總量,，減少焊接變形?，F(xiàn)場焊接時，有條件的情況下應(yīng)盡量選擇小的焊縫尺寸,。2)焊縫位置合理,。研究表明，焊縫的橫向收縮量通常比縱向收縮量大,，因此需盡量減小焊縫的橫向收縮,，位置需盡量靠近并對稱于鋼材截面的中心軸，以減小結(jié)構(gòu)的焊后彎曲變形。

5.2 采取的工藝措施

5.2.1 反變形

1)安裝反變形,。施焊前,，構(gòu)件安裝時向焊接變形的反方向預(yù)先施加反變形，反變形大小需能抵消焊后形成的變形,，考慮到焊接收縮量,，鋼板剪力墻端柱校正時向兩側(cè)垂偏各8～10 mm。安裝反變形如圖11所示,。

圖11 安裝反變形示意

2)焊接反變形,。板厚50 mm以上時，正面焊接到坡口高度的2/3處,，轉(zhuǎn)到鋼板背面進(jìn)行焊接,，背面焊接完成后再焊接其余正面的焊縫。焊接反變形示意如圖12所示,。

注：2/3為坡口高度,。
圖12 焊接反變形示意

5.2.2 剛性固定

1)焊接約束板。焊接前,，需將上,、下兩節(jié)鋼板剪力墻加以固定來限制焊接變形，可采用臨時支撐和焊接約束板等措施,，以增加鋼板焊接的整體剛度,。焊接約束板布置時應(yīng)考慮現(xiàn)場臨時連接的位置和焊縫焊接形式，布置原則為每1.5 m設(shè)一道焊接約束板?，F(xiàn)場焊接約束板如圖13所示,。

圖13 焊接約束板

2)鋼板剪力墻連梁。在鋼板剪力墻之間增加連梁來加大整個核心筒的剛度,，減小焊接變形,。鋼板剪力墻間連梁布置如圖14所示。

a-平面,；b-實體
圖14 鋼板剪力墻連梁示意

6 結(jié) 語

本工程Q420GJC超厚鋼板剪力墻在焊接時,，完全按照本文所述的焊接工藝,、焊接技術(shù)及措施進(jìn)行焊接施工,。自檢及第三方檢查表明，現(xiàn)場焊縫質(zhì)量一次合格率高達(dá)99.8%,，有效地保證了本工程的現(xiàn)場施工進(jìn)度及施工質(zhì)量要求,。

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WELDING TECHNOLOGY OF SUPER-THICK STEEL PLATE WALL OF GUARDIAN ART CENTER

Zhou Yang Lu Guang Huang Meishu Shi Changqiang Mei Chao Zhang Jiahui

(1.China Construction Steel Structure Co.Ltd, Beijing 100084, China;2.Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

ABSTRACT：In steel structure construction, the welding of Q420GJC steel is very difficult because of its high carbon level sensitive cold crack and easy to lamellar tearing occurs for traditional thick plate welding. In order to guarantee the welding quality of Q420GJC supe-thick steel plate shear wall in the construction process, a series of methods and means to control welding had been taken. This paper analyzed and discussed the means of welding process of super-thick steel plate shear wall of the project ,such as welding sequence of super-thick steel plates welding temperature control, welding operation platform settings .This paper provided significant reference to other similar projects.

KEY WORDS：Q420GJC; super-thick steel plate shear wall; welding method

第一作者：周楊,，男,，1984年出生，助理工程師。

Email：[email protected]

收稿日期：2014-12-09

DOI：10.13206/j.gjg201503017