上海浦東國際金融大廈高層鋼結(jié)構(gòu)工程安裝焊接施工技術(shù)

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上海浦東國際金融大廈高層鋼結(jié)構(gòu)工程安裝焊接施工技術(shù)

　　1工程概況
　　上海浦東國際金融大廈工程地下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上中央核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，變截面轉(zhuǎn)換部分為勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外圍框架的梁為鋼梁，中低層部分為勁性鋼筋混凝土柱，變截面及變截面以上部分為鋼柱，通過鋼梁與核心筒連接。53層沿短軸方向分設(shè)4道水平桁架，塔樓頂部為純鋼鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)直升飛機(jī)停機(jī)坪。從52層起架設(shè)一根53．3m的大型桅桿天線
　　本工程在地下一層插入48根H型鋼柱和鋼管柱，作成勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過鋼梁與核心筒連接。整個(gè)結(jié)構(gòu)以鋼管柱、H型鋼柱和H型鋼梁為主，鋼結(jié)構(gòu)總重量9，242t。
　　　1．1鋼材
本工程柱和大梁按設(shè)計(jì)要求采用日產(chǎn)SM490A、SM490B、SMK490或同等規(guī)格材料，小梁采用SS400。圓管柱壁最厚45mm，H型大梁翼緣最厚32mm。由于管柱是離心鑄鋼，在國內(nèi)屬首次使用，給焊接增加了一定難度。
　　上述鋼材的典型化學(xué)成分和力學(xué)性能見表l。

1．2構(gòu)件
　　構(gòu)件長12m，構(gòu)件單件最重9．6t，鋼管為Φ600×45mm，H型柱為428mm×30mm×35mm，梁為1000mm×350mm×19mm×28mm和600mm×300mm×14mm×32mm。構(gòu)件的重量和分布對起重設(shè)備的選用和布置，以及安裝方法都提出了很高的要求。
　　1.3節(jié)點(diǎn)形式
　　按照設(shè)計(jì)，柱一柱之間的連接，H型鋼柱為高強(qiáng)螺栓連接，圓管柱為熔透焊連接。
　　各樓層梁一柱間的連接有兩種：圓管柱和大梁連接帶牛腿，鋼梁上翼緣與圓管柱牛腿翼緣焊接，腹板與牛腿腹板為高強(qiáng)螺栓連接；H型鋼柱與梁在工地直接連接，鋼梁上下翼緣與鋼柱為全熔透焊，腹板與鋼柱承剪板為高強(qiáng)度螺栓連接。 
　　1．4焊接檢驗(yàn)
　　由于使用日本的高強(qiáng)度鋼材，厚度大，焊縫全部是全熔透坡口焊，工藝復(fù)雜，難度大，因此要有充分的工藝試驗(yàn)及嚴(yán)格的工藝評定，以便在此基礎(chǔ)上制定合理的工藝標(biāo)準(zhǔn)。本工程按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50．205-95)，和《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》(GBll345-89)對全熔透焊縫實(shí)施B級檢驗(yàn)，100％超聲波探傷。
　　2焊接節(jié)點(diǎn)概況
　　本工程圓管柱為全熔透焊接，最大壁厚45mm，有兩種接頭形式，柱與柱對接用套環(huán)或用墊襯直接焊在圓法蘭上(圖2)；鋼梁與柱連接為腹板栓接，翼緣板焊接(圖3)。



3焊接準(zhǔn)備
　　3．1構(gòu)件預(yù)檢
　　對進(jìn)場的焊接圓管柱縱向焊縫兩端伸出100mm范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波探傷檢測，如測出超標(biāo)缺陷，則用碳弧氣刨鏟除后打磨干凈，再按既定的焊接工藝規(guī)程補(bǔ)焊復(fù)原表面。檢驗(yàn)柱、梁接頭截面幾何尺寸及構(gòu)件長度。檢查焊口幾何尺寸及清理情況。
　　3．2焊接吊籃與平臺
　　由于該工程柱安裝和焊接需要，柱設(shè)計(jì)有牛腿時(shí)用特制吊籃，無牛腿焊接時(shí)用專用操作平臺(圖4、圖5)。



3．3焊接設(shè)備和焊接材料
　　表2為焊接設(shè)備及輔助設(shè)備。本工程焊接材料均由業(yè)主和監(jiān)理工程師指定(表3)。

表2焊接設(shè)備及輔助設(shè)備 

　4焊接施工勞動(dòng)力安排
　　高層鋼結(jié)構(gòu)焊接工程專業(yè)性很強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，專業(yè)管理人員及焊工都要求有較好的技術(shù)素質(zhì)。已經(jīng)培訓(xùn)持有相應(yīng)施工焊接條件下的壓力容器焊工或厚板鋼結(jié)構(gòu)合格證的焊工，還須按本工程的實(shí)際情況，在業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)方的監(jiān)督下進(jìn)行附加考試，考試合格后方準(zhǔn)土崗正式焊接。表4為焊接勞動(dòng)力安排。



　5焊接順序及焊接工藝
　　5．1焊接順序
根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主樓以南北軸對稱為界分成東西兩個(gè)區(qū)施工(圖6)。在東、西工區(qū)1、2段4個(gè)節(jié)間高強(qiáng)度螺栓終擰且柱垂直度符合要求后，東工區(qū)選擇J／8、G／8柱為基準(zhǔn)柱，首先開始向3、4段方向焊接；西工區(qū)選擇A／10、C／10柱為基準(zhǔn)柱，首先開始向3、4段方向焊接。



圖6焊接分區(qū)
　　栓焊組合節(jié)點(diǎn)中，梁的腹板應(yīng)先栓后焊，以便栓孔的對準(zhǔn)和摩擦面的貼緊，確保栓接質(zhì)量。
　　栓接時(shí)先用銷釘穿孔定位，然后上30％的普通螺栓，再安裝高強(qiáng)度螺栓，高強(qiáng)度螺栓應(yīng)初擰達(dá)到50-70％的扭矩值，再終擰到規(guī)定值。
　　單節(jié)柱焊接時(shí)應(yīng)先焊上層梁，后焊下層粱，以便框架穩(wěn)固，便于施工。柱一梁節(jié)點(diǎn)上對稱的兩根梁應(yīng)同時(shí)施焊，而一根梁的兩端不得同時(shí)施焊作業(yè)。柱一柱節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)，圓管柱的對稱兩個(gè)半圓弧應(yīng)由兩名焊工同時(shí)焊接。梁的焊接應(yīng)先焊下翼緣，后焊上翼緣，以減少角變形。
　　5．2焊接工藝
　　5．2．1安裝焊接準(zhǔn)備工作 
　　國內(nèi)很少在高層建筑中使用的日產(chǎn)SMK490離心鑄鋼和厚度>45mm的SM490A鋼制構(gòu)件，針對其中數(shù)量較多的或具有代表性的接頭形式進(jìn)行了相應(yīng)焊接方法的工藝評定試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼材規(guī)格包括SMK490離心鑄鋼(壁厚45mm)、SM490A(板厚25mm)、H型梁(翼緣厚25mm)。焊接位置為柱一柱橫焊、柱一梁平焊、T型角立焊。柱一枚、柱一梁焊接方法為CO2氣保焊，T型接頭為手工電弧焊，坡口形式及尺寸按設(shè)計(jì)要求。焊后外觀及超聲波檢查合格后取樣進(jìn)行力學(xué)和物理試驗(yàn)，證明全部試驗(yàn)接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。接頭冷彎1800、側(cè)彎(d=50α)、面彎、背彎(d=3α)無裂紋，洛氏硬度(HRB)均低于85．5，說明所采用的鋼材在規(guī)定的焊接方法、焊接參數(shù)、焊接條件下，其焊接接頭綜合性能達(dá)到并超過了設(shè)計(jì)和規(guī)定要求。此外，采用的焊接材料和焊接設(shè)備技術(shù)條件均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，性能優(yōu)良。清渣、氣刨、焊條保溫等裝置齊全有效。
　 5．2．2手工電弧焊及氣保焊焊材和設(shè)備
　　焊條在高溫烘干箱中烘干。低氫型焊條烘干方法為：在高溫箱中加熱到3800C后保溫1．5h，再在高溫箱中降溫到1100C后保存，使用時(shí)從烘干箱中取出應(yīng)立即放入100-1100C的焊條保溫筒中，并在4h內(nèi)用完。焊條烘干次數(shù)不得超過兩次。焊絲包裝應(yīng)完好，如有破損面導(dǎo)致焊絲污染或彎折、紊亂時(shí)應(yīng)部分棄之。
　 CO2氣體純度不低于99．99％(體積比)，含水量低于0.05％(重量比)，瓶內(nèi)高壓低于lMPa時(shí)應(yīng)停止使用。焊接前要先檢查氣體壓力表的指示，然后檢視氣體流量并調(diào)節(jié)氣體流量(20-80L/min)。
　　焊機(jī)電壓應(yīng)正常，地線壓緊牢固，接觸可靠，電纜及焊絲無破損，送絲機(jī)應(yīng)能均勻送絲，氣管應(yīng)無漏氣或堵塞。
　　5．3安裝焊接程序及一般規(guī)定
　　焊接的一般程序?yàn)椋?/span>
　　焊前檢查--加熱除銹--裝焊墊板及引弧板--焊接--檢驗(yàn)--填寫作業(yè)記錄。
　　焊前檢查坡口角度、鈍邊、間隙及錯(cuò)口量，坡口內(nèi)和兩側(cè)之銹斑、油污、氧化皮等應(yīng)清除干凈。裝焊墊板及引弧板，其表面清潔程度要求與坡口表面相同，墊板與母材應(yīng)貼緊，引弧板與母材焊接應(yīng)牢固。
　　焊接時(shí)第一道應(yīng)封焊坡口內(nèi)母材與墊板之連接處，然后逐道逐層焊至填滿坡口，每道焊縫焊完后都應(yīng)清除焊渣及飛濺物，出現(xiàn)缺陷應(yīng)及時(shí)磨去并修補(bǔ)。遇雨、雪天時(shí)應(yīng)停焊，環(huán)境溫度低于零度時(shí)應(yīng)按規(guī)定預(yù)熱、后熱措施施工，構(gòu)件焊口周圍及上方應(yīng)有擋風(fēng)雨棚，風(fēng)速大于5m／s時(shí)應(yīng)停焊。一個(gè)接口必須連續(xù)焊完，如不得己而中途停焊時(shí)，應(yīng)進(jìn)行保溫緩冷處理，再焊以前應(yīng)加熱。
　　焊縫冷卻到環(huán)境溫度時(shí)進(jìn)行外觀檢查，SM490鋼構(gòu)件焊縫超聲波檢查在焊完24小時(shí)后；進(jìn)行。焊工及檢驗(yàn)人員應(yīng)認(rèn)真填寫作業(yè)記錄表。
　　5．4典型節(jié)點(diǎn)的焊接順序和工藝參數(shù)
　　5．4．1圓管柱一柱焊接 
　　先在上下柱無吊裝耳板側(cè)由兩名焊工在兩個(gè)半圓弧對稱焊至板厚的1／3時(shí)，切去吊裝耳板。然后對稱連續(xù)焊至坡口填滿。
　　坡口填滿后應(yīng)用磨光機(jī)磨平焊縫，焊接最后一層蓋面焊縫。
　　每兩層之間焊道的接頭應(yīng)相互錯(cuò)開，兩名焊工焊接的焊道接頭要注意每層錯(cuò)開，如有焊瘤及焊接缺陷要鏟磨掉后再繼續(xù)焊接。
　　焊接工藝參數(shù)：手工電弧焊焊條直徑φmm，電流170-180A，焊速150mm／min。氣保焊焊絲直徑φ1．2mm，電流220-300A，電壓29-36V，焊速150-500mm/min，焊絲伸出長度約20mm，氣體流量20-80L/min。
5．4．2柱一梁焊接
　　先由兩名焊工同時(shí)焊接柱子對稱側(cè)的兩個(gè)焊口，先焊接梁的下翼緣。梁腹板兩側(cè)翼緣的焊道要保持對稱焊接，可由一名焊工在腹板一側(cè)先焊l-2層后換至另一側(cè)焊接，焊完24層后再換一側(cè)施焊，反復(fù)倒換直至焊完。各焊道的接頭在上下層間要錯(cuò)開。然后焊接上翼緣，仍由2名焊工同時(shí)對稱施焊。
　　焊接工藝參數(shù)：手工電弧焊焊條直徑φ4mm，電流170-210A，焊速160mm／min。CO2氣保焊焊絲直徑φ1．2mm，電流260-340A，電壓30-38V，焊速150-500mm／min，焊絲伸出長度約20mm，
　　氣體流量20-80L/mm。
　　6特殊節(jié)點(diǎn)焊接施工順序及焊接工藝
　　6．122層至29層變截面傾斜柱安裝焊接順序
　　22層至29層變截面傾斜柱柱長每根13．3m，構(gòu)件重每根9．7t。采用φ600×45mm離心鑄鋼管。安裝時(shí)必須考慮臨時(shí)支撐、傾斜吊裝時(shí)的吊點(diǎn)、安裝時(shí)臨時(shí)校正角度等。焊接時(shí)應(yīng)考慮收縮量及殘余應(yīng)力的合理分布，以確保安裝焊接順利進(jìn)行。傾斜柱具體的安裝順序如下：
　　1)待21層安裝、焊接、壓型鋼板鋪設(shè)完畢后，在21層安裝一根臨時(shí)支撐柱，吊裝22層梁，安放在核心簡連接板和臨時(shí)支撐柱上固定；
　　2)在22層梁上安裝臨時(shí)支撐柱，吊裝23層大梁，安放在核心筒連接板和臨時(shí)支撐柱上固定；
　　3)吊裝柱子安裝在21層的柱頭上并同22、23層大梁連接固定，在三個(gè)節(jié)間的柱、梁安裝完畢校正后，終擰高強(qiáng)度螺栓。
　　6．2傾斜圓管柱焊接工藝
　　6．2．1傾斜圓管柱現(xiàn)場焊接的特點(diǎn)
　　傾斜圓管柱焊接時(shí)包含所有的焊接姿勢，而且還要連續(xù)地變化。在接頭的下面、側(cè)面、上面須改變焊接條件，如電流、電壓、速度等。由于接頭下面的焊肉容易下垂，且難以看到坡口內(nèi)部，因此難以準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)焊接位置，下面的坡口面容易產(chǎn)生焊不透。接頭上方焊接時(shí)用俯焊方式，坡口內(nèi)不易看清，定位困難，上方坡口有不易熔透傾向。考慮到以上這些因素，在現(xiàn)場進(jìn)行焊接施工時(shí)，須注意以下事項(xiàng)：
　　1)由于焊接條件，焊接姿勢不能進(jìn)行連續(xù)變化，因此，如圖7所示，將焊接接頭分成四個(gè)部分進(jìn)行施工。為了減少殘余應(yīng)力，將全板厚分二次進(jìn)行焊接，焊接順序如圖8；
　　2)進(jìn)行第二次焊接時(shí)，應(yīng)用砂輪處理接頭部位，以免在此部位產(chǎn)生缺陷；
　　3)在焊接中如發(fā)生焊道不良、焊瘤等缺陷時(shí)，應(yīng)用砂輪或碳弧氣刨修理平滑后再進(jìn)行焊接；
　　4)焊接時(shí)，擺動(dòng)幅度不能太大，應(yīng)進(jìn)行多層多道焊接。


　　　　　　　　圖7圓管焊接順序　　 　　　　　　圖8斜管焊接順序
　　6．2．2傾斜圓管柱焊接順序和工藝參數(shù)
　　先在仰焊位置由A、B焊工分別從左、右方向焊接，A焊工焊接l23部位：B焊工焊接l43部位，焊接時(shí)要求基本同步。
　　A、B焊工第一次焊接完畢，切去吊裝耳板，進(jìn)行打磨修整后繼續(xù)第二次焊接。每層之間焊道的接頭應(yīng)相互錯(cuò)開，兩名焊工焊接的焊道接頭也要注意每層錯(cuò)開，每道焊完要清除焊渣和飛濺物，如有焊瘤和焊接缺陷要鏟磨清理后再焊，焊接過程中要注意檢測和保持層間溫度。焊接工藝參數(shù)見表5和表6。

表5手工電弧焊工藝參數(shù)

　　6．3圓管柱對接處間隙大時(shí)的處理方法
　　結(jié)構(gòu)吊裝至24層柱時(shí)，離心鑄鋼柱換成焊接圓管柱。此時(shí)正值調(diào)整柱標(biāo)高，發(fā)現(xiàn)其中有兩根柱間隙在19-21mm。經(jīng)監(jiān)理工程師同意，采用手工電弧焊增加焊肉再正式施焊的方法。圓管柱的接頭見圖9。
　　焊接前應(yīng)將焊縫坡口周圍的鐵銹、油污、氧化皮、雜物清理干凈。用氣焊烤槍在坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)加熱，加熱至50-800C時(shí)再一次清除雜物。
　　由一名焊工在下柱頂板上堆焊一層三道焊縫，焊腳高一般控制在4mm以內(nèi)，接著堆焊二層焊縫直至焊到離坡口墊板lmm處，由監(jiān)理工程師檢查合格后，進(jìn)行封焊坡口，接著按圓管柱正常焊接方法施焊(圖9)。



　　7焊縫質(zhì)量管理措施
　　高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接質(zhì)量主要包括焊接接頭質(zhì)量和鋼構(gòu)架的尺寸精度，其質(zhì)量控制是一項(xiàng)綜合技術(shù)。焊接質(zhì)量受材料性能、工藝方法、設(shè)備、工藝參數(shù)、氣候和焊工技術(shù)及情緒的影響。安裝尺寸精度的影響因素則有安裝方法、順序、設(shè)備儀器、構(gòu)件制作、構(gòu)件自重、焊接變形、氣候光照等，因而必須各個(gè)環(huán)節(jié)緊密配合，并以完善的制度和組織作保證，做好質(zhì)量管理工作。
　　施工人員在施工前應(yīng)認(rèn)真熟悉圖紙，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中出現(xiàn)的問題。本工程中，柱子、梁、衍架型號多，又分不同材質(zhì)，使用前應(yīng)特別注意。為了加強(qiáng)管理，制定了焊接質(zhì)量管理保證體系。首層柱焊接時(shí)，由于板厚、自重大，在安裝三節(jié)間的柱、梁完成后，從中間柱、梁開始焊接，焊接前重新測量偏差，根據(jù)偏差制訂焊接順序。 
　　現(xiàn)場專業(yè)人員要按管理制度施工，對施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，并編制焊接工藝卡，便于每個(gè)焊接人員明確操作要領(lǐng)，以及材料的使用和質(zhì)量要求，嚴(yán)格按預(yù)定的工藝施工焊接。每焊完一道焊縫都應(yīng)清理，有缺陷的鏟磨，這樣才能保證整個(gè)焊接接頭質(zhì)量。施工中認(rèn)真執(zhí)行三檢制，焊工應(yīng)做好焊前和焊接中的記錄，專職人員檢查時(shí)應(yīng)逐條焊縫檢查驗(yàn)收，作好記錄，經(jīng)超聲波檢測人員檢驗(yàn)合格后填寫評定表。
　　上海浦東國際金融大廈鋼結(jié)構(gòu)工程從1997年5月22日至1998年6月8日，共施焊7563條焊縫，其中I級焊縫7426條，占98．18％；II級焊縫138條，占1．82%；III級焊縫34條，占0．45％，經(jīng)返修有32條達(dá)到I級焊縫，2條達(dá)到II級焊縫。