嘉德艺术中心超厚钢板墙焊接工艺

嘉德艺术中心超厚钢板墙焊接工艺

周 杨1 鲁 广1 黄美淑1 石长强1 梅 超1 张佳慧2

(1.中建钢构有限公司， 北京 100084； 2.东北林业大学， 哈尔滨 150040)

摘 要：钢结构现场施工中，Q420GJC材质钢材由于碳当量高、冷裂纹敏感性强，同时传统的厚板焊接层状撕裂倾向大，导致焊接难度极大。为保证Q420GJC超厚钢板剪力墙焊接质量，在项目施工过程中采取一系列方法和手段进行焊接管控。通过分析将工程在超厚钢板剪力墙焊接方面的做法进行阐述，其中包含如何选择超厚钢板的焊接顺序、如何控制超厚钢板焊接时的温度、如何设置焊接操作平台等。对其他工程施工焊接具有一定的借鉴意义。

关键词：Q420GJC； 超厚钢板剪力墙； 焊接方法

1 工程结构概况

嘉德艺术中心结构形式为复杂超限高层建筑，采用4个核心筒钢板剪力墙与四周向外悬挑桁架、内部转换钢桁架等组成的混合结构体系，钢结构部分主要集中在核心筒钢板剪力墙、劲性钢柱和外框钢柱、楼层钢梁、钢桁架结构及屋顶钢结构。其中核心筒钢板墙材质为Q420GJC，钢板厚度主要有80，100，120 mm等7种型号。本工程钢板墙布置如图1所示。

1-控制点1(板厚100 mm)；2-控制点2(板厚100 mm)；3-控制点3(板厚60 mm)；4-控制点4(板厚80 mm)；5-控制点5(板厚50 mm)；6-控制点6(板厚100 mm)；7-控制点7(板厚60 mm);8-控制点8(板厚120 mm)；9-控制点9(板厚100 mm)；10-控制点10(板厚50 mm)
图1 钢板墙板厚及变形控制点布置

Q420GJC材质钢板由于对冷裂纹敏感性强，且碳当量高，导致焊接难度非常大；其次，超厚钢板焊接完成后收缩量大，应力及变形难以控制；另外，由于钢板厚度大，在工厂轧制过程中受到设备的限制导致其Z向性能比薄钢板差，层状撕裂倾向非常大。如何保证Q420GJC超厚钢板剪力墙的现场焊接质量是本工程施工质量的重点和难点。本工程钢板墙焊接如图2所示。

2 焊接难点及对策分析

焊接难点一：焊缝长度长，焊接量大，同时钢板较厚，导致焊接应力集中，产生了较大的焊接变形，每1 000 t钢板墙焊缝长度如表1所示。对策分析：采取合理的施工工艺以减小钢板墙的焊接变形。

1-典型全熔透焊接；2-全熔透二级焊缝，非节点区域；3-对接节点上下100 mm全焊透，本体全熔透焊；4-节点范围往上500 mm全焊透；5-节点区域上下500 mm全焊透；6-节点范围往下500 mm全焊透；7-节点范围，本体全熔透焊
图2 钢板剪力墙焊接示意

表1 每1 000 t钢板墙焊缝长度

板厚/mm横焊缝/m立焊缝/m3069274013158505832604208089010091012080合计488116

焊接难点二：如何控制钢板墙的变形及焊接应力。对策分析：为了准确掌握钢板墙变形的情况，在地面上布设钢板墙测控点，用全站仪对实际测量点坐标进行测量并与理论值做对比。分析对比结果表明，标高方向和S方向上变形量非常小，N方向变形较为明显，即钢板墙平面外方向。平面外方向的变形将会影响钢板剪力墙模板安装，必须采用反变形措施对N方向变形进行处理，如图3所示。

注：S、N表示焊接变形方向。
图3 反变形措施示意

a-单榀支撑架；b-安装完成
图4 支撑架结构示意

焊接难点三：钢板墙安装过程中的操作和安全防护较困难。对策分析：设计横焊缝三角支撑架(图4)及立焊缝自动升降焊接操作平台(图5)。

图5 立焊缝操作平台

3 钢板墙焊接要点

3.1 钢板墙焊接顺序

1)整体焊接顺序。钢板墙的焊接顺序对钢板的焊后变形起着决定性作用。经过试验，本工程钢板剪力墙整体焊接的顺序为：首先，焊接钢板墙端柱连接焊缝；然后，焊接钢板墙型钢梁的连接焊缝；最后，焊接钢板墙墙身焊缝。钢板墙墙身焊缝的焊接顺序为：首先，焊接钢板墙横焊缝；然后，焊接钢板墙竖焊缝。焊接原则为：同类焊缝对称、同向、同时焊接。剪力墙整体焊接顺序如图6所示。

注：1～11为焊接顺序。
图6 钢板剪力墙整体焊接顺序

2)横焊缝焊接顺序。经现场试验确定，横焊缝焊接顺序采用分段跳焊焊接工艺，间隔900～1 000 mm焊接，每小段焊缝填满且端头焊缝焊接完成后焊接下一段焊缝，循环焊接。每段焊缝安排一位焊工进行焊接。剪力墙横焊缝焊接顺序如图7所示。

注：1～6为焊接顺序。
图7 横焊缝焊接顺序示意

3)立焊缝焊接顺序。立焊缝焊接顺序为从上到下分段跳焊，每段间隔为900～1 000 mm，待每段焊缝焊满之后且底部端头焊接完成，再返回上部进行焊接，如此循环焊接，每段焊缝安排一位焊工，同向、同步进行焊接。钢板墙立焊缝焊接顺序如图8所示。

图8 立焊缝焊接顺序示意

4)分段焊接接头的处理。分段焊接时，为避免焊接接头全部处于一个断面内，每段焊缝间隙至少应错开50 mm，分段焊接接头如图9所示。

图9 分段焊接接头示意

3.2 钢板墙焊接工艺参数设置

通过施工现场多次焊接试验和工艺评定，得出如表2所示的焊接工艺参数，焊接时焊缝合格率最高。

表2 Q420GJC超厚板焊接工艺参数

层次焊接方法焊条或焊丝牌号直径/mm焊剂或保护气体保护气体流量/(L·min-1)电流/A电压/V焊接速度/(cm·min-1)打底GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25260～28031～3315～18中间GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25280～30032～4018～21盖面GMAWHPGS55-D2-Ti1.2CO220～25260～28030～3515～18

4 焊接过程控制

4.1 焊前检查与清理

焊接前，将钢板剪力墙焊缝坡口两侧用角向磨光机进行打磨处理，直至露出钢材原始金属光泽，打磨深度应大于0.5 mm。母材坡口及坡口两侧30～50 mm内，在焊前必须彻底清除影响焊接质量的杂质，如气割氧化皮、锈、涂料、熔渣、油、水分和灰尘等。CO2气体保护焊、手工电弧焊的焊缝引出长度必须大于50 mm。钢板墙焊缝端头处的引弧板、引出板的宽度和长度必须大于50 mm且长度需大于板厚的1.5倍。钢板墙焊缝焊接完成之后，必须用火焰割枪切除焊缝端部的引弧板和引出板，不得用锤击落，割除完成后需修磨平整。

4.2 焊前预热

钢板墙焊缝焊接之前，需用电加热设备对焊缝两侧加热(焊缝两侧加热宽度为钢板厚度的1.5倍，同时不得小于100 mm)。如出现需返修的焊缝，预热时区域需适当加宽以防止焊接裂纹的发生。预热温度需在焊件受热面的背面测量，预热温度拟定如表3所示。

表3 焊接预热温度

序号板厚/mm预热温度/℃180,100,120120250,6080

4.3 定位焊

预热完成后，焊缝对接时需用手工定位焊点固：定位焊缝长度为40～60 mm，间距为400～500 mm。焊缝两端在焊接时必须加引弧板和引出板，同时坡口两侧300 mm内必须清理飞溅物和药皮。

4.4 焊缝层间温度控制

现场焊缝层间温度控制采用氧乙炔中性焰的加热控制方法，温度在120～150 ℃为宜。温度测量采用红外测温仪，测量时，若发现横焊缝层温未达到温度要求，必须立即对焊缝加热，层温达到要求后再焊接。每条焊缝不得无故停焊，必须连续焊完，若出现特殊情况，应立即采取相应措施，待达到施焊条件后再重新加热焊缝，且加热时的温度需比焊前预热温度高20～30 ℃。

4.5 焊后热处理

焊接完成后使用电加热设备将焊缝两侧200 mm范围内加热至150～200 ℃，保持温度60～90 min。电加热器布置如图10所示。

注：t为钢板厚度。
图10 电加热器布置示意

5 焊接变形控制

5.1 改进焊接设计

1)选择合理的焊缝形状和尺寸。钢板厚度在50 mm以上的对接接头需采用K形坡口或X形坡口，不得使用V形坡口，以减少熔敷金属总量，减少焊接变形。现场焊接时，有条件的情况下应尽量选择小的焊缝尺寸。2)焊缝位置合理。研究表明，焊缝的横向收缩量通常比纵向收缩量大，因此需尽量减小焊缝的横向收缩，位置需尽量靠近并对称于钢材截面的中心轴，以减小结构的焊后弯曲变形。

5.2 采取的工艺措施

5.2.1 反变形

1)安装反变形。施焊前，构件安装时向焊接变形的反方向预先施加反变形，反变形大小需能抵消焊后形成的变形，考虑到焊接收缩量，钢板剪力墙端柱校正时向两侧垂偏各8～10 mm。安装反变形如图11所示。

图11 安装反变形示意

2)焊接反变形。板厚50 mm以上时，正面焊接到坡口高度的2/3处，转到钢板背面进行焊接，背面焊接完成后再焊接其余正面的焊缝。焊接反变形示意如图12所示。

注：2/3为坡口高度。
图12 焊接反变形示意

5.2.2 刚性固定

1)焊接约束板。焊接前，需将上、下两节钢板剪力墙加以固定来限制焊接变形，可采用临时支撑和焊接约束板等措施，以增加钢板焊接的整体刚度。焊接约束板布置时应考虑现场临时连接的位置和焊缝焊接形式，布置原则为每1.5 m设一道焊接约束板。现场焊接约束板如图13所示。

图13 焊接约束板

2)钢板剪力墙连梁。在钢板剪力墙之间增加连梁来加大整个核心筒的刚度，减小焊接变形。钢板剪力墙间连梁布置如图14所示。

a-平面；b-实体
图14 钢板剪力墙连梁示意

6 结 语

本工程Q420GJC超厚钢板剪力墙在焊接时，完全按照本文所述的焊接工艺、焊接技术及措施进行焊接施工。自检及第三方检查表明，现场焊缝质量一次合格率高达99.8%，有效地保证了本工程的现场施工进度及施工质量要求。

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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：周杨，男，1984年出生，助理工程师。

Email：[e-mail]

收稿日期：2014-12-09

DOI：10.13206/j.gjg201503017