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1、高层钢结构超厚钢板现场焊接工法（YJGF-38-91）1 概述高层建筑钢结构的安装施工精度要求，必须要有高质量的焊接工艺才能达到。特别是进口的A572，Cr42和Cr50合金高强度钢，对氢致裂纹的敏感性强（即对氢所引起的冷裂纹的倾向性大），在施工焊接中，对焊条的干燥、坡口及其两侧的清洁，焊接时的气候、温度等限制要求严格，当构件截面大、钢板厚（=130mm，属超厚钢板）时，不适当的焊接顺序或施焊方向都会引起扭曲变形。超厚钢板现场焊接工法就是针对性焊接时温度引起的不均匀收缩变形，采用热量集中、熔深较大、电弧穿透力强、变形小的一种CO2气体半自动保护焊工法。焊接时采用对称焊接和增加反变形以及预留变形
2、的措施，尽可能地减小变形和焊接残余应力。高层钢框架梁、柱的焊缝，经过超声波探伤检查，达到美国焊接协会AWSD11-（84）标准中的最高D级，质量优良，填补了我国超厚钢板焊接的空白。本工法适用于高层建筑钢结构安装工程中厚=130mm钢板的焊接。本工法于1998年5月通过了中建总公司技术鉴定。技术达到了国际先进水平，同年被评为中建总公司科技成果一等奖。1989年获国家科技进步三等奖。2 技术及机具、设备、材料的准备2.1 技术准备(一) 编制钢结构安装施工技术方案、焊接施工要领书、焊接施工实施细则书和焊接超声波探伤规定。(二) 收集有关的国内外规范及标准，其中包括：a) AISC美国钢结构学会房屋
3、钢结构设计制造和安装规范；b) AWS美国焊接学会结构焊接规范；c) ASTM美国试验和材料协会标准；d) GBJ17-88钢结构设计规范；e) GB50205-95钢结构施工及验收规范。(三) 施工前，对焊工、探伤工必须进行严格的培训。要求焊工百分之百地取得焊接或探伤的合格证，都能熟练地掌握这门技术，凭证上岗操作。2.2 机具设备以深圳发展中心的钢结构施工为例，其施工机具见表1和表2。工 具 表1 焊接设备和辅助设备 表22.3 主要材料所用实心焊丝及电焊条的规格示于表3。CO2气体广州产。 实心焊丝（CO2及Ar-CO2）及手工电弧焊条 表33 劳动组织柱和梁均采用对称双向焊，焊工4人（含
4、预热清渣2人），每昼夜两个班，共8人；结构也采用对称焊，分6个组共48人；测量工6人；探伤工4人。4 施焊工艺4.1 工艺原理CO2气体保护半自动焊的工艺见图1所示。CO2气体保护半自动焊是用滚轮送给的焊丝通过导电嘴给电，在焊丝与母材之间发生电弧，进行熔焊接合，为了保护电弧及熔融金属，由焊炬前头的喷嘴流出CO2气体。 图1 CO2气体保护焊工艺图4.2 施焊程序及应力控制为了减少焊接收缩变形的结构偏位及内应力过大产生的影响，采用了结构对称、节点对称的全方位对称连续焊接，见图2、图3。由于焊接过程中进行局部高温加热及快速冷却，形成了一种特定的温度场，导致了焊接构件产生焊后的残余力或变形，以及金属
5、组织的变化。因此，采取了相对措施。节点焊接（见图4）注：、在（3）、（4）处同时对称焊；、根据先用手工电弧焊打底4-5层，然后再用CO2焊，两条缝预热温度必须同时保证规定的温度。单件焊接箱形柱与箱形柱焊接工艺见图4，焊接顺序见图5，焊接工艺见图6。(2) H型钢梁的焊接见图7。 箱形钢梁焊接见图8。柱与梁的焊接见图9。 图2 某钢结构建筑钢梁焊接平面图 图3 某钢结构建筑钢梁、钢栓焊接立面图图4 梁的节点焊接工艺示意 图5 箱形柱与箱形柱的焊接顺序 图8 箱形钢梁焊接图图9 柱与梁焊接4.3 各类焊接工艺各类焊接工艺顺序如图10所示。 图10 焊接工艺顺序框图4.4 施焊方法(一) 焊前准备：
6、为防止焊接根部产生缺陷，在每个焊口焊接前，应对坡口及其周边50mm的范围以及垫板、引弧板等用砂轮机、钢丝刷认真地清除防锈漆及杂物。(二) 焊件预热、后热：为防止焊缝产生裂纹，应针对板厚、气候、风力等不同情况，对焊件进行预热、后热和保持施焊中的层间温度，详见表4。 表4 注：开口部最高温度达600时，需距离开口部200mm往返等温升温，若用火焰加热器升温，则燃烧器需离开加热面50-55mm左右，以防止过热（集中）。 用500表面测温器按间距约300mm，在不少于三点处测试，以求温度等温上升分布均匀。(三) 主要参数：参数的选择应根据焊件厚度、坡口形式、焊接位置气候条件及参数相互影响等诸条件选用。
7、 焊丝与电流（见表5）。 表5 焊丝伸长度10d,d为焊丝直径。 喷嘴与母材距离12-15mm。 CO2气体流量35-65L/min（风速2m/s）。4.5 焊接注意事项(一) 焊接框架结构时，考虑结构刚度对焊接变形的约束作用，采取“先里后外”增大结构刚度的焊接顺序；同时，应考虑柱的预留变形和反变形措施。(二) 焊接时，必须先焊梁，再焊柱，避免柱产生过大的附加约束力。(三) 宽翼缘工字型钢柱，采用半熔透焊接时，焊缝的收缩变形值较小。(四) 工种之间必须密切配合，测量的数据应及时反馈到焊接负责人。通过焊前、焊后的测量数据，探索它的变形规律，由吊装及时配合采用反变形等方法来纠正。不能采取反变形的部
8、位，可临时改变焊接顺序，利用焊接的变形规律来纠正。5 质量检查5.1 超声波检查所有坡口和熔透焊缝均全部用超声波检查，同时对母材坡口两侧150-300mm范围进行叠层检查。根据美国焊接协会AWSD11-（84）中超声波探伤标准，我们采用A型脉冲反射式超声波探伤，以单斜头接触法为主进行探伤。(一) 对厚板焊缝，探头的移动区为PTK+50mm或PTtgB+50mm（式中T为板厚）。(二) 对于厚板焊缝，最好从A面和B面四侧进行探伤；如条件限制，可以从一面或一侧、一面或二侧用半声程或全声程程探伤。(三) 对于T型接头焊缝，从A面和B面进行探伤，必要时用直探头从C面进行探伤。(四) 为使超声波能全面检
9、查超厚钢板（60mm）焊缝，分别采用45、60、75探头探伤。(五) 所有焊缝最好用半声程进行探伤，但在客观条件限制下，不能磨平焊缝时，采用全声程进行探伤。5.2 测试分析（一） 测试结果，箱形梁焊缝的横向收缩值较大，最大收缩值为7.2mm，平均收缩值为3.27mm。箱形梁焊接后各坡口的尺寸有所变动，使得收缩值变化不均匀。个别测点出现负值，是因为先焊接点的收缩使得边柱节点坡口间隙变大所致。（二） 宽翼缘工字钢梁焊缝横向收缩值与箱型梁收缩值接近。最大收缩值6.08mm，平均收缩值为3.79mm。（三） 框架柱对节点的平均错位为3.13mmL/500（柱层高）的层间允许变形值。因此证明，施工中采取
10、的反变形措施和先焊内部的承重结构并使内部钢架与剪力墙连为一体形成强大的刚体的作法，可以有效地抵御框架梁柱的焊接变形。（四） 柱焊缝纵向收缩变形测定，当箱形柱截面为970970100mm时，焊接后焊缝的最大收缩变形为2.7mm；宽翼缘工字钢柱的栓焊混用连接节点，当翼缘采用半熔透焊接，腹板用高强螺栓连接时，焊缝收缩值不大，柱的最大收缩值为1mm。6 效益分析 CO2气体半自动保护焊与手弧焊比较具有以下优点：(一) 焊接成本低CO2气体焊只有埋弧自动焊和手工电弧焊的40-50%左右。(二) 生产率高，实心焊丝的CO2电弧穿透能力强，熔深大，而且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快，生产率比手工电弧焊高1-
11、4倍，焊着率高，CO2焊约为95%，手弧约为55-65%。(三) 表面焊渣少，减少了清渣工序。(四) 焊丝头使用剩余量少，经济合算。(五) 由于熔化金属的含氢量比低轻型焊条低，生产缺陷少，因此抗拉强度和机械性能好。(六) 节约电能，焊板=6.0mm的标准焊接，焊缝1m长时所耗电：CO2焊为0.7kWh；手弧焊为2.06kWh，即CO2焊比手弧焊节电40%。尽管CO2气体保护半自动焊有上述优点，但也存在需要克服的问题：(1) 在有风的地方使用困难，在风速2m/s以上时，需采取防风措施或增加CO2流量（见图11）。 图11 风速、气体流量和所孔发生的关系(2) 焊接装置的可搬性差。7 工程实例19
12、86年5月-1987年5月，在深圳发展中心大厦超高层钢结构安装工程中采秀了本超厚钢板焊接工法。该工程地上43层，地下1层总高度为165.3m，最长的单根柱9.65m，钢板厚=130mm，柱重36.7t，箱形钢梁最长为19.5m，截面为965915mm，钢板厚=127mm，其用钢材11049t。在该工程中，选用CO2气体半自动焊超厚钢板焊接方法后，为我国钢结构安装焊接工艺中防止焊接变形的规律积累了大量数据，为制定我国钢结构规范提供依据。该工程取得了130mm超厚钢板焊接施工的成功和超高层钢结构安装精度的控制。全部焊缝共5233条，折合长度354km，均通过超声波探伤，整个大厦达到美国焊接质量等级
13、中最高的D级（即AWSD11-84），质量优量。该工程的安装精度：柱子层间的垂直度偏差远小于美国AISC标准的允许值，即垂直偏差为：内偏差25mm75mm；外偏差15mm50.8mm。通过超厚钢板焊接工法的应用，使钢结构的安装质量得到了充分保证，因而赢得优质、高速的技术经济效益。作者：王诚瑛钢筋混凝土电视塔滑模工法（GF/203019-92）超高构筑物-钢筋混凝土电视发射塔。塔身主体结构和桅杆与钢筋混凝土烟囱不尽相同，塔身外筒酷似烟囱，但收变径坡度远大于烟囱，且变断面多，还设有倒锥形的塔楼，并有钢筋混凝土剪力墙构成的电梯，楼梯井筒-内筒，通过横隔板使外筒和内筒连成整体，桅杆置于塔顶压顶之上，另成体系，由此，其施工难度远大于烟囱，采用滑模工艺施工，可连续施工，减少混凝土浇灌的施工缝，从而加强结构的整体性；操作
