上海浦东国际金融大厦高层钢结构工程安装焊接施工技术 - 结构理论

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1、上海浦东国际金融大厦高层钢结构工程安装焊接施工技术 - 结构理论上海浦东国际金融大厦高层钢结构工程安装焊接施工技术1 工程概况上海浦东国际金融大厦工程地下为钢筋混凝土结构，地上中 央核心筒为钢筋混凝土结构，变截面转换部分为劲性钢筋混凝土结 构，外围框架的梁为钢梁，中低层部分为劲性钢筋混凝土柱，变截 面及变截面以上部分为钢柱，通过钢梁与核心筒连接。53 层沿短轴 方向分设 4 道水平桁架，塔楼顶部为纯钢镀锌钢结构直升飞机停机 坪。从 52 层起架设一根 533m 的大型桅杆天线本工程在地下一层插入 48 根 H 型钢柱和钢管柱，作成劲性 钢筋混凝土结构，通过钢梁与核心筒连接。整个结构以钢管柱、H

2、 型钢柱和 H 型钢梁为主，钢结构总重量 9，242t。11 钢材本工程柱和大梁按设计要求采用日产 SM490A、SM490B、SMK490 或同等规格材料，小梁采用 SS400 。 圆管柱壁最厚 45mm，H 型大梁翼缘最厚 32mm。由于管柱是离心铸 钢，在国内属首次使用，给焊接增加了一定难度。上述钢材的典型化学成分和力学性能见表 l。12 构件构件长 12m ，构件单件最重 96t，钢管为 60045mm，H 型柱为 428mm30mm35mm，梁为 1000mm350mm19mm28mm 和 600mm300mm14mm32mm。构件的重量和分布对起重设备的 选用和布置，以及安装方法都

3、提出了很高的要求。1.3 节点形式按照设计，柱一柱之间的连接，H 型钢柱为高强螺栓连接， 圆管柱为熔透焊连接。各楼层梁一柱间的连接有两种：圆管柱和大梁连接带牛腿， 钢梁上翼缘与圆管柱牛腿翼缘焊接，腹板与牛腿腹板为高强螺栓连 接；H 型钢柱与梁在工地直接连接，钢梁上下翼缘与钢柱为全熔透 焊，腹板与钢柱承剪板为高强度螺栓连接。14 焊接检验由于使用日本的高强度钢材，厚度大，焊缝全部是全熔透坡 口焊，工艺复杂，难度大，因此要有充分的工艺试验及严格的工艺 评定，以便在此基础上制定合理的工艺标准。本工程按钢结构工 程施工及验收规范(GB50205-95)，和 钢焊缝手工超声波探伤 方法和探伤结果分级(G

4、Bll345-89) 对全熔透焊缝实施 B 级检验， 100超声波探伤。2 焊接节点概况本工程圆管柱为全熔透焊接，最大壁厚 45mm，有两种接头 形式，柱与柱对接用套环或用垫衬直接焊在圆法兰上(图 2) ；钢梁与柱连接为腹板栓接，翼缘板焊接(图 3) 。3 焊接准备31 构件预检对进场的焊接圆管柱纵向焊缝两端伸出 100mm 范围内进行超 声波探伤检测，如测出超标缺陷，则用碳弧气刨铲除后打磨干净， 再按既定的焊接工艺规程补焊复原表面。检验柱、梁接头截面几何 尺寸及构件长度。检查焊口几何尺寸及清理情况。32 焊接吊篮与平台由于该工程柱安装和焊接需要，柱设计有牛腿时用特制吊篮， 无牛腿焊接时用专用

5、操作平台(图 4、图 5) 。33 焊接设备和焊接材料表 2 为焊接设备及辅助设备。本工程焊接材料均由业主和监 理工程师指定(表 3)。表 2 焊接设备及辅助设备 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 员及焊工都要求有较好的技术素质。已经培训持有相应施工焊接条 件下的压力容器焊工或厚板钢结构合格证的焊工，还须按本工程的 实际情况，在业主、监理、设计方的监督下进行附加考试，考试合 格后方准土岗正式焊接。表 4 为焊接劳动力安排。5 焊接顺序及焊接工艺51 焊接顺序根据本工程结构特点，主楼以南北轴对称为界分成东西两个区施 工(图 6)。在东、西工区 1、2 段

6、 4 个节间高强度螺栓终拧且柱垂直 度符合要求后，东工区选择 J 8、G 8 柱为基准柱，首先开始向 3、4 段方向焊接；西工区选择 A10、C10 柱为基准柱，首先开 始向 3、4 段方向焊接。图 6 焊接分区栓焊组合节点中，梁的腹板应先栓后焊，以便栓孔的对准和摩擦面的贴紧，确保栓接质量。栓接时先用销钉穿孔定位，然后上 30的普通螺栓，再安装 高强度螺栓，高强度螺栓应初拧达到 50-70的扭矩值，再终拧到规 定值。单节柱焊接时应先焊上层梁，后焊下层粱，以便框架稳固， 便于施工。柱一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。柱一柱节点焊接时，圆管柱的对称两个半圆 弧应由

7、两名焊工同时焊接。梁的焊接应先焊下翼缘，后焊上翼缘， 以减少角变形。52 焊接工艺521 安装焊接准备工作国内很少在高层建筑中使用的日产 SMK490 离心铸钢和厚度 45mm 的 SM490A 钢制构件，针对其中数量较多的或具有代表性的 接头形式进行了相应焊接方法的工艺评定试验。试验钢材规格包括 SMK490 离心铸钢(壁厚 45mm)、SM490A(板厚 25mm)、H 型梁(翼 缘厚 25mm)。焊接位置为柱一柱横焊、柱一梁平焊、T 型角立焊。 柱一枚、柱一梁焊接方法为 CO2 气保焊，T 型接头为手工电弧焊， 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 行力学和物理试验

8、，证明全部试验接头抗拉强度达到母材抗拉强度 标准值。接头冷弯 1800、侧弯(d=50) 、面弯、背弯(d=3)无裂纹， 洛氏硬度(HRB)均低于 855，说明所采用的钢材在规定的焊接方法、 焊接参数、焊接条件下，其焊接接头综合性能达到并超过了设计和规定要求。此外，采用的焊接材料和焊接设备技术条件均符合国家 标准，性能优良。清渣、气刨、焊条保温等装置齐全有效。522 手工电弧焊及气保焊焊材和设备焊条在高温烘干箱中烘干。低氢型焊条烘干方法为：在高温 箱中加热到 3800C 后保温 15h，再在高温箱中降温到 1100C 后保 存，使用时从烘干箱中取出应立即放入 100-1100C 的焊条保温筒中

9、， 并在 4h 内用完。焊条烘干次数不得超过两次。焊丝包装应完好，如 有破损面导致焊丝污染或弯折、紊乱时应部分弃之。CO2 气体纯度不低于 9999(体积比) ，含水量低于 0.05(重 量比)，瓶内高压低于 lMPa 时应停止使用。焊接前要先检查气体压 力表的指示，然后检视气体流量并调节气体流量(20-80L/min)。焊机电压应正常，地线压紧牢固，接触可靠，电缆及焊丝无 破损，送丝机应能均匀送丝，气管应无漏气或堵塞。53 安装焊接程序及一般规定焊接的一般程序为：焊前检查-加热除锈-装焊垫板及引弧板- 焊接-检验-填写作 业记录。焊前检查坡口角度、钝边、间隙及错口量，坡口内和两侧之 锈斑、油

10、污、氧化皮等应清除干净。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。焊接时第一道应封焊坡口内母材与垫板之连接处，然后逐道逐层焊至填满坡口，每道焊缝焊完后都应清除焊渣及飞溅物，出现 缺陷应及时磨去并修补。遇雨、雪天时应停焊，环境温度低于零度 时应按规定预热、后热措施施工，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。一个接口必须连续焊完，如不得己 而中途停焊时，应进行保温缓冷处理，再焊以前应加热。焊缝冷却到环境温度时进行外观检查，SM490 钢构件焊缝超 声波检查在焊完 24 小时后；进行。焊工及检验人员应认真填写作业 记录

11、表。54 典型节点的焊接顺序和工艺参数541 圆管柱一柱焊接先在上下柱无吊装耳板侧由两名焊工在两个半圆弧对称焊至 板厚的 13 时，切去吊装耳板。然后对称连续焊至坡口填满。坡口填满后应用磨光机磨平焊缝，焊接最后一层盖面焊缝。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 头要注意每层错开，如有焊瘤及焊接缺陷要铲磨掉后再继续焊接。焊接工艺参数：手工电弧焊焊条直径 mm，电流 170- 180A，焊速 150mmmin。气保焊焊丝直径 12mm ，电流 220- 300A，电压 29-36V，焊速 150-500mm/min，焊丝伸出长度约 20mm，气体流量 20-80L/min。542

12、柱一梁焊接先由两名焊工同时焊接柱子对称侧的两个焊口，先焊接梁的 下翼缘。梁腹板两侧翼缘的焊道要保持对称焊接，可由一名焊工在腹板一侧先焊 l-2 层后换至另一侧焊接，焊完 24 层后再换一侧施焊， 反复倒换直至焊完。各焊道的接头在上下层间要错开。然后焊接上 翼缘，仍由 2 名焊工同时对称施焊。焊接工艺参数：手工电弧焊焊条直径 4mm，电流 170- 210A，焊速 160mmmin。CO2 气保焊焊丝直径 1 2mm，电流 260-340A，电压 30-38V，焊速 150-500mm min ，焊丝伸出长度约 20mm，气体流量 20-80L/mm。6 特殊节点焊接施工顺序及焊接工艺6122

13、层至 29 层变截面倾斜柱安装焊接顺序22 层至 29 层变截面倾斜柱柱长每根 133m，构件重每根 97t。采用 60045mm 离心铸钢管。安装时必须考虑临时支撑、 倾斜吊装时的吊点、安装时临时校正角度等。焊接时应考虑收缩量 及残余应力的合理分布，以确保安装焊接顺利进行。倾斜柱具体的 安装顺序如下：1)待 21 层安装、焊接、压型钢板铺设完毕后，在 21 层安装 一根临时支撑柱，吊装 22 层梁，安放在核心简连接板和临时支撑柱 上固定；2)在 22 层梁上安装临时支撑柱，吊装 23 层大梁，安放在核 心筒连接板和临时支撑柱上固定；3)吊装柱子安装在 21 层的柱头上并同 22、23 层大梁

14、连接固 定，在三个节间的柱、梁安装完毕校正后，终拧高强度螺栓。 62 倾斜圆管柱焊接工艺621 倾斜圆管柱现场焊接的特点倾斜圆管柱焊接时包含所有的焊接姿势，而且还要连续地变 化。在接头的下面、侧面、上面须改变焊接条件，如电流、电压、 速度等。由于接头下面的焊肉容易下垂，且难以看到坡口内部，因 此难以准确地瞄准焊接位置，下面的坡口面容易产生焊不透。接头 上方焊接时用俯焊方式，坡口内不易看清，定位困难，上方坡口有 不易熔透倾向。考虑到以上这些因素，在现场进行焊接施工时，须 注意以下事项：1)由于焊接条件，焊接姿势不能进行连续变化，因此，如图 7 所示，将焊接接头分成四个部分进行施工。为了减少残余应

15、力， 将全板厚分二次进行焊接，焊接顺序如图 8；2)进行第二次焊接时，应用砂轮处理接头部位，以免在此部 位产生缺陷；3)在焊接中如发生焊道不良、焊瘤等缺陷时，应用砂轮或碳 弧气刨修理平滑后再进行焊接；4)焊接时，摆动幅度不能太大，应进行多层多道焊接。图 7 圆管焊接顺序 图 8 斜管 焊接顺序622 倾斜圆管柱焊接顺序和工艺参数 先在仰焊位置由 A、B 焊工分别从左、右方向焊接，A 焊工 焊接 l23 部位：B 焊工焊接 l43 部位，焊接时要求基本同步。A、B 焊工第一次焊接完毕，切去吊装耳板，进行打磨修整后 继续第二次焊接。每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

16、错开，每道焊完要清除焊渣和飞溅物，如 有焊瘤和焊接缺陷要铲磨清理后再焊，焊接过程中要注意检测和保 持层间温度。焊接工艺参数见表 5 和表 6。表 5 手工电弧焊工艺参数63 圆管柱对接处间隙大时的处理方法结构吊装至 24 层柱时，离心铸钢柱换成焊接圆管柱。此时正 值调整柱标高，发现其中有两根柱间隙在 19-21mm。经监理工程师 同意，采用手工电弧焊增加焊肉再正式施焊的方法。圆管柱的接头 见图 9。焊接前应将焊缝坡口周围的铁锈、油污、氧化皮、杂物清理 干净。用气焊烤枪在坡口两侧 100mm 范围内加热，加热至 50-800C 时再一次清除杂物。由一名焊工在下柱顶板上堆焊一层三道焊缝，焊脚高一般控 制在 4mm 以内，接着堆焊二层焊缝直至焊到离坡口垫板 lmm 处， 由监理工程师检查合格后，进行封焊坡口，接着按圆管柱正常焊接