钢结构异型构件焊接工法附图较多 国企编制.docx
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钢结构异型构件焊接工法附图较多国企编制
钢结构异型构件焊接工法
工法编号：
ZJ1GF-***-2009
编制单位：
xx集团建设发展有限公司
主要执笔人：
1前言
随着钢结构在建筑结构形式中逐渐占据主体位置，为了实现建筑物的使用功能、结构安全性能、外观造型等多方面的需求，当传统的H型、箱型钢梁钢柱已经不能满足这些要求，钢结构的形式也向多样化发展，一些异型截面钢构件、复杂的桁架类构件逐渐用于一些大型的工程中，而其焊接技术就成为建筑形式及使用功能实现、结构安全性得以保证的关键技术。
xx三期主塔楼结构为钢结构工程，其用钢量约5.5万t，地下3层，地上74层。
整体结构采用巨型柱、钢板剪力墙、异型钢构件以及腰桁架、伸臂桁架组合而成，截面类型复杂，斜撑腰桁架焊接种类繁多，焊接难度及焊接量相当大。
xx集团建设发展有限公司通过对焊接工艺研究，解决了巨形截面柱、钢板墙超长焊缝焊接、各个斜向位置焊接、厚板负温度焊接以及伸臂桁架焊接等难题，获得了较高的焊接质量，并总结形成本工法。
2特点
2.0.1对于复杂的异型截面柱的焊接我们总结出了对称同时焊接、对称轮换焊接、以及焊接补偿加热等方法，达到最终对钢柱以及柱柱间连接板焊接变形起到有效的控制作用；在没有现成的经验可以借鉴的情况下，我们深入分析研究，在采用上述焊接方法及补偿加热方法的同时，通过有效的测量检验方法证实，此工法对异型截面柱的焊接施工变形控制起到有效的控制作用。
2.0.2钢柱焊接作业点多而复杂，焊接位置困难，焊接过程长，其焊接变形控制也是本工法的特点；
2.0.3合理的确定异型钢结构、超高层钢结构的后焊接固定构件，如伸臂桁架的焊接时间以减小压缩沉降差异对伸臂桁架焊缝内应力的影响。
2.0.4焊接施工跨越整个冬季，能较好地对于冬季特厚板焊接裂纹等缺陷进行有效控制也是本工法的特点。
3适用范围
适用于异型、厚板、复杂钢结构构件的焊接施工。
4工艺原理
依据钢结构的结构特点，在焊接工艺中应依据有效的控制焊接过程中应力及变形原理，合理控制钢构件各个面的收缩量，减小截面焊接变形收缩差异与焊接应力，提高焊接效率、控制焊接变形。
在面对焊接工程量较大的异型钢结构焊接作业以及可能出现低温焊接作业等情况，我们通过对焊接工艺的研究，依据现场实际情况，选择合理的焊接工艺，确定合理焊工数量、焊接位置、焊接顺序及焊接节点的坡口形式，进而缩短焊接时间，保证加热、焊接的高效率和温度控制得准确性，有效的对焊接过程中的应力及变形控制，为确保异型钢结构整体的焊接质量，最大限度的避免由截面不对称而产生的焊接变形。
在实际操作中，针对桁架柱柱间的斜撑连接的结构特点，以及焊接操作空间不足的特殊位置，通过调整焊枪角度、严格控制焊接工艺、保证焊接速度，保证了腰桁架及斜向位置的焊接质量。
5工艺流程及操作要点
5.1超高层钢结构焊接工艺流程
5.2施工操作要点
5.2.1焊接方案确定
1．大的钢柱宜采用多名焊工采用同时对称的焊接，该焊接方法能够保证厚板钢柱各个面同时收缩，在减小了各个截面焊接变形收缩差异的同时，也为各个焊接面焊接应力的有效释放提供了条件，减小了焊接应力，从而有效的控制了钢柱焊接变形。
2．超长的钢板墙立缝及横缝焊接，现场宜采用分段倒退的焊接方法以减小焊缝内应力。
3．斜撑及倾斜钢柱多为斜立和斜仰位置焊接，需要在工程开工之前组织焊工进行培训，以便总结出了较成熟的焊接工艺，通过培训及附加考试挑选一批掌握了斜立、斜仰焊接技术的焊工，并将焊工培训及附加考试成熟的工艺制定成工艺卡。
4．对于部分超高层钢结构，如筒中筒结构连接内外筒结构的伸臂桁架，一般分为两部分，即水平方向和斜向伸臂桁架，分别位于核心筒四个角。
为了减小核心筒与外框筒压缩沉降不同对结构内力的影响，斜向伸臂桁架安装好后应仅和结构临时铰接连接，而水平伸臂桁架随结构安装顺序进行焊接，斜向伸臂桁架焊接待结构整体安装至顶层以后再进行焊接。
5.2.2大焊接量解决措施
针对超高层钢结构建筑现场焊接工程量大的特点，可根据工程具体需要，配备足够数量的优秀焊工，在开工之前对现场典型厚板接头焊接进行专项培训，进入现场的焊工对典型节点的焊接必须熟练，且焊接水平稳定，焊接质量高。
现场采用CO2气体保护焊接，焊接效率高、焊接变形小。
焊前预热和焊后后热保温采用电加热，加热效率高、温度控制准确。
采用计算机远程电加热控制，可对复杂截面多点多面同时进行加热，且在焊接过程中自动控制层间温度。
5.2.3节点优化设计
节点设计采用窄间隙小坡口形式，尽可能的减小焊接热输入量；对于复杂异型截面钢柱除了周边翼缘板以外，其余截面均开双面坡口；改进节点设计在提高焊接效率的同时对焊接变形的控制也能起到有效的控制作用。
说明：
1.图中阴影部分所示为开双面坡口的位置，其余位置为单面坡口；
2.箭头所指的单面坡口为其朝向；
3.箭头所指的双面坡口为t/3板厚的一侧；
图5.2.3-１坡口位置示意图
图5.2.3-2单双面坡口形式示意图
5.2.4异型截面柱焊接
超高层钢结构的异型截面柱工程量大，且截面复杂巨大、焊接位置困难，焊接变形不易控制。
在焊接过程中，宜采用对称同时焊接、对称轮换焊接、以及补偿加热等方法，并通过有效的测量检验方法进行监测，以实现钢柱以及柱住间连接板焊接变形控制。
1．多人同时对称焊接：
焊接时对钢柱对称位置分别安排两名焊工同时作业或由一名焊工轮换作业，焊接前给焊工严格规定焊接步骤和焊接方向，保证焊工的同步协调作业，具体的焊接顺序见图5.2.4-1。
开始焊接时首先焊接各部分最外侧翼缘板，当翼缘板焊接1/3板厚以后每名焊工根据焊接顺序号的规定转至另一个面进行焊接，同样，当每名焊工第2步焊接至1/3板厚以后转至第3步焊接，如此反复每名焊工完成自己的焊接任务。
当双面坡口的一侧焊接至t/3（t为翼缘板厚）之后再进行反面清根打磨，之后再开始进行双面坡口另一面焊接。
反面清根后需要进行仔细检查，确认没有可见缺陷后才能正式焊接。
为了保证钢柱各个面焊接的同步，焊接量少的焊工应该适当降低焊接速度保持与焊接量多的焊工同步，以确保各个焊接面焊接速度基本相同。
说明：
1）.图中‘1-1’第一个数字表示焊工编号，第二个数字表示焊接顺序编号；
2）.焊接顺序编号相同的位置表示同时进行焊接；
3）.图中阴影部分表示开双面坡口的位置；
4）.根据焊接顺序的需要，由焊接量少的焊工负责清根工作，要求14名焊工的焊接速度基本保持同步；
5）.图中的箭头表示焊工的焊接方向；
图5.2.4-1异型截面柱焊接顺序图
2．对称轮换焊接：
如5.2.4-1所示，为了防止10、11、12、13号焊工在焊接过程中的焊接弧光影响焊工正常作业以及多名焊工在钢柱一侧焊接引起柱身发生偏斜，要求10-13号焊工对称轮换焊接，即焊工不能同时在钢柱的一侧焊接，焊工需在钢柱的两侧对称轮换焊接，而在钢柱一侧的焊工应相互错开焊接时间。
该焊接方法能有效地控制焊接层间温度，又能控制焊接变形。
3．柱柱之间连接板焊接：
受到运输条件及塔吊起重量等因素的限制，在核心筒钢柱中，某些钢柱可分为两个单柱，两根单柱之间采用钢板进行连接，连接位置如图5.2.5-1所示，两个单柱之间用连接板连接，其中连接板一侧在加工厂焊接完成，另一侧在现场焊接。
为了防止柱柱以钢板连接时，连接板单侧焊接收缩变形造成柱子内侧倾斜，根据钢柱的截面形式及板厚分析，通过对钢柱竖向连接板位置以及两根柱间距进行分析计算，将钢柱在校证时向外侧（焊接收缩相反方向）偏移一定距离。
通过焊接过程的监控和焊后测量，钢柱焊后的垂直度可满足规范及设计要求。
图5.2.4-2柱柱连接板示意及补偿加热区域图
此外，因竖向连接板一侧在工厂焊接完成，另一侧在现场焊接，厚板超长焊缝焊接易造成另一恻工厂焊缝内应力集中甚至出现撕裂的现象。
因此在现场焊接的过程中采用补偿加热的方法进行施工。
补偿加热即除了焊接过程中对连接板本身加热以外，还需要对连接板两侧的柱身连接板对应的位置进行加热，且补偿加热的区域不小于300mm。
具体加热示意如图5.2.4-2所示。
4．焊接过程监测：
为了更有效的监控钢柱焊接变形，在焊接首根钢柱过程中用经纬仪对钢柱进行双向垂直度的实时跟踪测量，如果发现钢柱出现过度偏斜，应随时调整焊接顺序或在变形部位的另一侧增加焊接量予以纠正变形，具体测量示意如图5.2.4-3所示。
图5.2.4-3焊接过程监测
5.2.5钢梁焊接
在现场焊接时首先焊接顶层钢梁，在保证其形成稳定的框架体系之后再进行钢柱对接焊接，具体的焊接步骤如图5.2.5-1所示。
图5.2.5-1柱梁对接焊接示意图
5.2.6钢板墙焊接
在超高层钢结构建筑中，为增加结构稳定性，在底层核心筒内柱柱之间会设置大量钢板墙连接。
钢板墙分为单钢板墙和双钢板墙，单钢板墙连接采用高强度螺栓连接，双钢板墙连接采用焊接连接。
对于超长钢板墙采取分批分段焊接易造成钢板墙扭转且焊缝内应力较大，现场采用多人同时对称分段倒退的焊接方法，不仅可以提高焊接速度，而且可以有效控制焊接变形。
分段倒退法焊接即对超长焊缝分为1.0m～1.5m的若干段，对于所有的焊缝采用多名焊工同时对称的方法进行焊接，在每名焊工焊接的区域内采用分段倒退的焊接方法，且双钢板墙两侧的焊缝同时进行焊接。
钢板墙焊接示意图
焊接顺序说明
为了有效的控制其焊缝内应力和焊接变形，如图所示，将整条的双钢板墙焊缝共分为若干段，每段1.5米，每段焊缝由1名焊工进行焊接作业，钢板墙两侧焊工同时进行钢板墙焊接作业。
在每一名焊工焊接的范围内采取分段倒退的焊接顺序，即将每个焊工将自己的焊接区域划分为3段，采取先焊焊缝的上半段，后焊下半段的焊接顺序，如图中节点所示，图中的箭头表示焊接方向。
图5.2.6-1钢板墙分段倒退的焊接方法
5.2.7斜撑及倾斜钢柱焊接
针对柱柱之间的斜撑连接，设计时将该位置坡口朝向斜撑外侧，该位置的焊接则为斜仰焊。
每道腰桁架柱柱对接的位置为斜横焊。
针对这些特殊位置的焊接，需在总结了焊工考试及工艺评定的基础上，根据焊工大多自左向右焊接的操作习惯。
通过研究分析，如果将焊枪与焊接面沿焊道方向及垂直于焊道方向均控制在850～900，能增加焊接熔池在焊道内的附着能力，减少焊道内未熔合及夹渣等缺陷，获得较高的焊接质量。
且对于斜向位置的焊接采用焊缝成形更好的TWE-711药芯焊丝。
在焊接过程中制定更为严格的焊接工艺，保持中速焊接，并通过焊后无损检测焊接质量。
5.2.8伸臂桁架焊接
伸臂桁架箱形接头焊缝数量多，钢板厚，在节点设计中将箱形梁的下翼缘设置为平焊，在箱形梁的上翼缘增加了盖板。
因桁架腹板厚度较厚，为了防止腹板焊接时造成翼缘与腹板T形焊缝撕裂，在箱形梁腹板与翼缘板接头位置预留500mm焊缝在现场焊接。
图5.2.8-1所示的焊缝数字表示焊接顺序，而图中1和1’、3和3’、5和5’需要同时进行焊接，其中箱形梁上盖板由一名焊工进行轮换焊接可有效的防止出现翘曲变形。
图示中的6号零件为临时销轴连接结构，在结构封顶之后开始焊接斜向伸臂桁架，在焊接之前需要先去掉6号零件，之后再进行焊接。
图5.2.8-1连接节点焊接顺序图
伸臂桁架做为结构焊接重要的一部分，采用推迟焊接方法很好的消减了外框筒和核心筒压缩沉降不同对焊缝内应力过于集中的现象；对称同时的焊接方法有效的保证了箱形节点的焊接质量。
6材料与设备
6.1材料
序号
材料名称
材质
规格/厚度
备注
1
钢板
Q345GJC
90
核心筒柱
2
钢板
Q345GJD
75
外框腰桁架
3
钢板
Q345GJD
65
外框腰桁架
4
钢板
Q345GJD
50
外框腰桁架
6.2机械设备
焊机，远程计算机加热控制系统，经纬仪，测温计，钢尺。
7质量控制
7.1主要标准规范规程
《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）
《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）
《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）
7.2有针对性的焊工附加考试
针对结构形式及节点形式复杂、焊接量大、焊接要求高的特点，选拔技术过硬的焊工，凡参与制作的焊工必须通过针对工程设置的焊工附加考试。
在对于钢结构现场焊工操作水平情况和现场实际情况分析之后，在钢结构正式施工之前，需对工程中的十字接头狭小空间焊接、厚钢板双面坡口清根、斜立斜仰等特殊节点的焊接进行专项培训，并进行相应的附加考试，以保证工程斜向位置及特殊节点的焊接质量。
7.3焊接过程测量
7.3.1钢柱垂直度监测
为了更有效的监控钢柱焊接变形，在焊接首根钢柱过程中用经纬仪对钢柱进行双向垂直度的实时跟踪测量，如果发现钢柱出现过度偏斜，应随时调整焊接顺序或在变形部位的另一侧增加焊接量予以纠正变形。
在实际的焊接过程中，焊后钢柱的垂直度控制在5mm之内，满足设计及规范要求。
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