钢结构安装焊接施工技术.doc

钢结构安装焊接施工技术

摘 要 某工程塔楼为全钢结构，焊接工作量大，且大部分为全熔透焊缝，质量要求高，构件板厚最大达到85mm，焊接难度大。工程提前进行了工艺评定。
1工程概况
某工程位于北京市海淀区，总建筑面积11.2万m2。塔楼地下四层，为钢筋混凝土结构，地上35层，为全钢结构，钢柱锚入地下一层，高150m.
本工程南北立面为双曲面，外围钢柱以每4层为一折线点。核心筒共31根钢柱，外围钢框架柱共23根。钢柱主要为箱形柱，钢梁为轧制、焊接H形梁。钢结构总重量约14000t。
1.1钢材
本工程钢柱使用的钢材为高层建筑结构用钢板Q345GJC，大于40mm厚钢板为Q345GJC-Z15，产地为舞阳钢铁厂，主梁使用钢材为Q345C，钢支撑采用Q235C，产地为武汉钢铁厂。
表1
钢材种类
化学成分
力学性能
C
Si
Mn
P
S
σs（MPa）
σb（MPa）
δ（%）
Q345GJC
0.13
0.29
1.43
0.016
0.005
415
535
23
Q345C
0.16
0.30
1.40
0.019
0.005
405
555
23
1.2构件
钢柱长12m，构件单件最重19.8t，钢柱板厚28、34、40、55、70、85mm，典型截面600×600×70，钢梁翼缘板厚16、24、28、40mm，典型截面700×240×14×28。由于钢板厚度大，因此焊接难度大，焊接质量要求高。
1.3节点形式与焊缝检测
按照设计，现场安装柱与柱之间的对接为全熔透焊，钢梁与钢柱牛腿上、下翼缘为全熔透焊，钢梁腹板大部分为高强螺栓连接，双剪连接板与钢柱为角焊缝。
由于钢板厚度大，焊缝又多数是全熔透焊缝，所以对本工程的全熔透焊缝实施B级超声波检测，100%超声波探伤。现场探伤工作中，由现场焊接员填写检测委托单，检测单位按照填写的检测部位进行探伤。如发现超标缺陷，检测单位填写质量返修单，通知焊接负责人，进行返修重焊后，再进行超声波探伤。本工程委托单位为冶金院检测所，采用的仪器为CTS-2000，选用斜探头进行超生波探伤。探伤报告必须明确探伤部位、缺陷的位置和大小、评定级别，并判定合格或不合格。
2典型焊接节点概况
2.1钢柱对接焊缝，如图1。

3焊接准备
3.1焊接吊篮与平台
由于钢柱安装和焊接需要，柱焊接用钢管搭设操作平台，钢梁焊接采用特制吊篮。如图2。

图2

3.2焊接设备和焊接材料
本工程焊接任务量很大，采用焊接速度较快的CO2气体保护焊，主要焊接及辅助设备见表2，焊接材料见表3。

表2
序号
名 称
型 号
容 量
数量
用途
1
CO2气体保护半自动焊机
NBC-500
500A
12
钢柱钢梁焊接
2
碳弧气刨
——
630A
2
返修清根
3
特制氧-乙炔烤枪

10
预热、后热
4
空压机
0.6
7.5kW
1
碳弧气刨风源
5
电动角向磨光机
YZH2-40

10
修磨清渣
6
电热烘干箱

7.6kW
1
烘干焊接材料
7
测温仪
500~600℃

10

8
硅整流焊机
ZX-500A
500A
1

表3
序号
名 称
规 格
用 途
1
CO2气保焊丝
JM-56
CO2气体保护焊丝
2
CO2气体
气体纯度不低于99.9%
保护作用
3
手工电弧焊焊条
E5015
手工电弧焊
4焊接施工劳动力安排
高层钢结构焊接工程专业性很强，劳动强度大，专业管理人员和焊工都要求有较好的技术素质。本工程现场焊工均持有钢结构厚板焊接合格证，在正式施工前，在业主、监理等各单位的监督下进行了附加考试。本工程共16人参加了考试。
5焊接施工顺序和工艺
5.1焊接顺序
5.1.1根据本工程平面和立面形状，结构形式等，塔楼分东西两区组织施工。当钢结构安装完成三个及以上单元的校正和高强螺栓的终拧后，从平面中心选择四面都有焊接梁的柱子作为基准柱，并以此作为垂偏测量基准，并首先安排其四侧都有抗弯焊接的梁、然后向四周扩展施焊。随安装滞后跟进。采取结构对称、节点对称和全方位对称焊接的原则。
5.1.2栓-焊混合节点中，设计要求梁的腹板上的高强度螺栓先初拧70%后→焊接梁的下、上翼缘板→终拧梁腹板上的高强度螺栓至100%施工扭矩值。
5.1.3竖向上的焊接顺序：
（1）地下一柱一层梁的焊接顺序：
上层框架梁→柱脚板部位的焊接→支撑→焊接检验。
（2）地上及以上一柱二层梁的焊接顺序：
上层框架梁→压型金属板支托→下层框架梁→压型金属板支托→上柱与下柱焊接→焊接检验（也可先焊柱—柱节点→上层框架梁→下层框架梁→焊接检验）。
（3）地上及以上一柱三层的焊接顺序：
上层框架梁→压型金属板支托→下层框架梁→压型金属板支托→中层框架梁→压型金属板支托→上柱与下柱焊接→焊接检验，（但也可先焊柱—柱节点→上层框架梁→下层框架梁→中层框架梁→焊接检验）。
5.1.4柱—梁节点上对称的两根梁应同时施焊，而一根梁的两端不得同时施焊作业。
5.1.5柱—柱节点焊接时，箱形柱的对称两面应由两名焊工相对依次逆时针焊接。
5.1.6梁的焊接应先焊下翼缘，后焊上翼缘，以减少角变形。
5.2安装焊接工艺
5.2.1安装焊接前的准备工作
本工程使用的高层建筑结构用钢板在国内应用并不多，针对其中数量较多且具有代表性的接头形式进行了相应焊接方法的工艺评定试验。试验钢材包括Q345GJC-Z15（壁厚70mm）、Q345GJC-Z15（壁厚40mm）、Q345C（翼缘厚28mm），焊接位置为柱—柱横焊、柱—梁平焊（包括桁架梁上下翼缘平焊）、T型角立焊。坡口形式及尺寸按设计要求。焊后外观及超声波检查合格后取样进行了力学和物理试验。试验结果接头的抗拉强度达到母材抗拉强度标准值，接头弯曲180°无裂纹。采用的焊接材料和焊接设备技术条件应符合国家标准，性能优良。清渣、气刨、焊条烘干保温等装置应齐全有效。
5.2.2手工电弧焊及CO2气保焊焊材和设备
（1）焊条应在高温烘干箱中烘干，焊条烘干次数不得超过两次。
（2）焊丝包装应完好，如有破损而导致焊丝污染或弯折、紊乱时应部分弃之。
（3）CO2气体纯度应不低于99.9%（体积比），含水量应低于0.05%（重量比），瓶内高压低于1MPa时应停止使用。
（4）焊机电压应正常，地线压紧牢固，接触可靠，电缆及焊钳无破损，送丝机应能均匀送丝，气管应无漏气或堵塞。
5.3安装焊接程序及一般规定
焊接的一般顺序为：焊前检查 →预热除锈 → 装焊垫板和引弧板→ 焊接 → 检验
5.3.1焊前检查坡口角度、钝边、间隙及错口量，坡口内和两侧的锈斑、油污、氧化铁皮等应清除干净。
5.3.2预热。焊前用气焊或特制烤枪对坡口及其两侧各100mm范围内的母材均匀加热，并用表面测温计测量温度，防止温度不符合要求或表面局部氧化，预热温度。
表4 结构钢材焊前最低预热温度要求
钢 材 牌 号
接头最厚部件的板厚t（mm）
t＜25
25≤t≤40
40≤t＜60
60＜t≤80
t＞80
Q235
—
—
60～90℃
80～100℃
100℃
Q345
—
60～80℃
80～100℃
100～120℃
140℃
注：本表的施工作业环境温度条件为常温
5.3.3重新检查预热温度，如温度不够应重新加热，使之符合要求。
5.3.4装焊垫板及引弧板，其表面清洁程度要求与坡口表面相同，垫板与母材应贴紧，引弧板与母材焊接应牢固。
5.3.5焊接：第一层的焊道应封住坡口内母材与垫板的连接处，然后逐道逐层累焊至填满坡口，每道焊缝焊完后，都必须清除焊渣及飞溅物，出现焊接缺陷应及时磨去并修补。
5.3.6一个接口必须连续焊完，如不得已而中途停焊时，应进行保温缓冷处理，再焊前，应重新按规定加热。
5.3.7遇雨、雪天时应停焊，构件焊口周围及上方应有挡风、雨棚，风速大于5m/s时应停焊。环境温度低于零度时，应按规定采取预热和后热措施施工。
5.3.8碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度、低合金结构钢应在完成24h以后，进行焊缝探伤检验。
5.3.9焊工和检验人员要认真填写作业记录表。
5.4典形节点的焊接顺序和工艺参数

(1）上下柱无耳板侧由两名焊工在两侧对称焊至板厚的1/3处时，切去耳板。
（2）然后在切去耳板侧由两名焊工在两侧对称焊至板厚的1/3处。
（3）再由两名焊工分别承担相邻两面的焊接。
（4）每两层之间焊道的接头应相互错开，两名焊工焊接的焊道接头也要注意每层错开，焊接过程中要注意检测层间温度。
(5）焊接工艺参数
CO2气保焊：焊丝直径Φ1.2mm，电流280～320A，焊速350～450mm/min
焊丝伸出长度：约20mm，气体流量25～80L/min，
电压29～34V，层间温度120～150℃

5.4.2柱—梁、梁—梁节点
见图3 H型梁翼缘与柱的焊接顺序。

注：下翼（A）左→左→左→右→右→右

上翼（B）分层多道焊完
此顺序也适用于H形肩梁（梁）—梁翼缘焊接

图3. H型梁翼缘与柱的焊接顺

（1）先焊梁的下翼缘，梁腹板两侧的翼缘焊道要保持对称焊接。
（2）待下翼缘焊完，然后焊接上翼缘。

（3）如翼缘板厚大于30mm时，宜上下翼缘轮换施焊。
（4）焊接工艺参数
CO2气保焊：焊丝直径φ1.2mm，电流280～360A，焊速300～500mm/min
焊丝伸出长度约20 mm，气体流量20～80L/mm
电压30～38V，层间温度120～150℃
6体会
高层建筑钢结构安装焊接质量控制是一项综合技术，焊接质量受材料性能、工艺方法、设备、工艺参数、气候和焊工技术及情绪的影响。施工前根据工艺评定编制操作指导书，便于每个焊接人员明确操作要领、材料的使用和质量要求。施工过程中焊工做好焊前和焊接的记录，焊接工程师检查时逐条焊缝检查验收，做好记录。
本工程已经施工完成，共施焊10100条焊缝，其中Ⅰ级焊缝8990条，探伤合格率达到98%，经返修全部达到合格。