北京新保利大厦钢结构制作与焊接技术

刘代龙，何乔生，曾祥文，陆安洪

(长江精工钢材(集团)股份有限公司 焊接技术研究所，浙江 绍兴 312030)

北京新保利大厦钢结构制作与焊接技术

刘代龙，何乔生，曾祥文，陆安洪

(长江精工钢材(集团)股份有限公司 焊接技术研究所，浙江 绍兴 312030)

钢结构制作、焊接技术可用“四个第一、五项技术突破”概括，是当时我国建筑钢结构结构造型最复杂、制作难度最大、最具挑战性的一项工程，代表了当时我国建筑钢结构制作、焊接技术的发展方向和最高水平：(1)首次采用ASTM A913 Gr60钢(相当于Q420)进行了焊接性试验研究，为我国建筑钢结构行业采用高强钢提供了成熟的经验，推动了建筑钢结构行业的技术进步和发展。(2)大批量的特厚板切割，种类包括型钢材料和钢板材料，最大板厚达140 mm，为国内目前建筑钢结构领域之最，突破特厚板板材切割技术难关，实现了构件下料和坡口加工的良好质量控制，为钢构件加工制作的质量保证奠定了基础，同时，实现特厚板切割质量与切割经济性的完美结合。(3)剪力墙暗柱为结构形式不对称的Y字型结构和对称米字钢结构，给生产制作的质量控制带来严峻的考验。通过制作此类诸多不对称构件，掌握了非标构件制作的一般方法，对焊接变形的控制及如何降低焊接的内应力都提供了可借鉴的经验和数据。实现了对异型不对称结构焊接及变形控制的技术积累。(4)突破“特色吊楼”横向承重体系悬挑牛腿大厚板高强钢焊接，厚板焊接技术有了很大的进步，工程质量优良。为高强度级别钢材(如Q460)的应用奠定了理论和实践基础。填补了国内建筑钢结构高强度钢材应用和研究的空白。

复杂；Q420；首次采用

0 前言

新保利大厦位于北京市东城区朝阳门北大街1号，总建筑面积109 341 m2，北京新保利大厦工程地下4层，地上24层，其中地上建筑面积69 692m2，建筑总高度105.2 m。工程结构型式为钢框架—钢骨混凝土筒体混合结构，总吨位为11 000 t。

北京新保利大厦工程于2003年5月18日开工，2006年10月20日竣工，如图1所示。

图1 北京新保利大厦

北京新保利大厦工程的主体结构在采用常规节点的同时，又具备了在结构设计方面的独特性。工程在钢结构设计方面，主要体现为三个核心筒暗埋的结构、核心筒之间的框架结构、转换桁架结构、特式吊楼结构、主桁架结构、中庭顶部结构等几个部分；并采用框架─剪力墙结构体系，设置内置型钢筋混凝土柱核心筒；此外，核心筒与外框架之间通过桁架梁相互连接，而桁架梁则与外框架柱钢接，与核心筒壁间大部分采用铰接的形式。

核心筒剪力墙、外框架钢结构及大桁架和转换桁架钢结构梁共同作用，形成框筒体系，一起承受竖向与水平力的作用。因此，结构设计方面非常复杂，派生了许多区别于常规结构的复杂结构节点，开创了我国结构设计的先河，是我国民用建筑业对新型智能高层建筑技术的一次挑战，其中，主要体现的复杂节点如图2所示。结构新颖独特，但同时也给生产、制作和安装均带来了难度。

北京新保利大厦工程钢结构总吨位为1.1万多吨。地上部分结构形式为钢框架—混凝土筒体混合结构。其中钢结构部分主要由三个核心筒的劲性钢结构、核心筒之间框架钢结构、转换桁架钢结构、特式吊楼钢结构、主桁架钢结构、中庭顶部钢结构组成。

图2 复杂结构节点示意

1 焊接工程概述(四个第一)

北京新保利大厦工程工程中使用进口钢材ASTM A913 GR60，约3600t，相当于我国的Q420钢，是我国建筑钢结构行业第一次采用的新钢种，其实质是淬火加自回火钢材(简称QST钢)，全部为H型钢，最大板厚125 mm。使用的进口钢材构件的连接焊缝均为坡口全熔透一级焊缝，100%超声波探伤。由于采用钢材和特殊的结构形式，给钢结构制作工程带来以下难题：

(1)高强超厚钢板(ASTM903／913M-97 GR60级)、高强度结构钢的焊接试验和焊接工艺研究。

国内第一次在建筑钢结构中使用美国标准材料ASTM903／913M-97 GR60(其屈服强度相当于我国Q420级钢材)高强度级别钢材的应用，因此必须进行厚板焊接技术可焊性试验应用研究。

高强超厚钢板(ASTM903／913M-97 GR60级)轧制H型钢是从卢森堡进口的，根据外商所提供资料，该钢种焊接性较好。由于这种钢有较高的强度和碳当量，有一定的淬硬倾向，同时这种钢在我国第一次应用在建筑钢结构中，无经验可借鉴。根据JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的有关规定，必须进行焊接性试验。

(2)特厚板板材切割技术难关。

好的切割质量是保证焊接质量的第一步，类似Q420级别的钢材，大规模的火焰切割在我国建筑钢结构行业中也是第一次，必须进行严格的试验，实现特厚板切割质量与切割经济性的良好结合。

(3)厚板焊接技术的开发和应用。

本工程存在大量复杂的焊接节点，板件厚度较大，板件之间的相互约束，大量焊缝集中，焊接应力较大，所有节点处于三向应力状态，应用焊接技术防止钢材脆性断裂有很大的难度。厚度125～140 mm (在转换桁架处最大板厚达140 mm)钢板的焊接在我国建筑钢结构行业中也是第一次，因此对焊接坡口设计、焊接顺序、焊接变形与残余应力控制，以及焊接技术的采用都必须进行开发和研究，以确保焊接工程的顺利进行。

(4)不对称Y型、对称米字型钢结构构件制作技术的开发和应用。

剪力墙暗柱其结构形式为不对称的Y字型结构，给装配焊接工艺、变形控制和质量保证带来严峻的考验。

“特色吊楼”横向承重体系的悬挑牛腿结构和竖向承重体系的米字型结构，因其材质、板厚、结构的特殊性给焊接质量控制和结构应力应变控制带来难度，产生问题的倾向性和概率增加。

北京新保利工程采用了大量的不对称Y型、对称米字型钢结构构件，在我国建筑钢结构行业也是第一次，由于结构新颖特殊，在制作和焊接的过程中，控制焊接应力应变有相当的难度。

以上四个关键点是我国建筑钢结构行业的“四个第一”，因此，北京新保利工程在我国建筑钢结构行业中处于十分特殊的地位。为了确保以上复杂节点构件的加工质量，提高加工工艺水平，并完善加工方法与质量保证体系，进行了复杂节点加工工艺的专题研究，并组织多次专家研讨会，在工序和设备的优化配置、各种工艺参数的测试比选、技术经济性能的分析比较、特别是对复杂节点的焊接及应力应变控制进行了焊接工艺优选与评定。在实际生产过程中严格按照制订的工艺要求执行，取得了良好的效果。

2 高强超厚钢板(ASTM903／913M-97 GR60级)焊接性能试验

随着高层钢结构工程对钢材强度要求的不断提高，当前国内高层钢结构中大多采用的Q345钢已不能满足某些高层钢结构的要求。北京新保利大厦钢结构工程中，首次大规模采用从卢森堡进口的ASTM A913Gr60钢(强度级别相当于国内的Q420钢)，引起了国内工程界的极大关注。为保证新保利大厦钢结构工程的焊接施工质量，同时为其他高强钢工程中的应用提供借鉴，中冶集团建筑研究总院焊接研究所与浙江精工钢构集团共同进行了该钢材的焊接性试验。为该工程制作、安装焊接工艺的制定提供了科学依据指导。

2.1 材料复验

试验钢材是阿赛罗公司提供的轧制H型钢，其翼缘板板厚125 mm，腹板厚78 mm，供货状态为淬火+自回火。标准要求该钢材的最低屈服强度为415MPa，化学成分和各项力学性能如表1～表3所示。

通过对钢材成分和力学性能的复验，各项指标均符合标准要求。

2.2 工作流程

为了全面研究ASTM A913 Gr60钢的焊接性和制定该钢种焊接工艺的需要，首先制定工作流程，如图3所示。鉴于供货商未提供钢材的具体焊接性资料，且该钢材强度高、板材厚，试验主要围绕钢材的抗冷裂性进行。

2.3 焊接性试验

2.3.1 焊接冷裂纹敏感性试验

(1)焊接冷裂纹敏感性分析。

表1 化学成分%

表2 力学性能和复验结果

表3 Z向拉伸性能复验

图3 钢结构施工焊接试验流程

钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明其关系，通常用碳当量来表示。计算碳当量的公式很多，对于ASTM A913 Gr60钢，采用了日本工业标准(JIS)推荐的调质钢碳当量Ceq(JIS)计算公式[(见式(1)]和国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量Ceq(IIW)计算公式[见式(2)]进行计算。

按表2的复验值，依据式(1)、式(2)进行计算，得到的结果分别为0.362和0.371 4，根据JGJ81-2002标准，碳当量结果处于标准规定的焊接性良好范围内，说明试验用ASTM A913 Gr60钢具有良好的抗焊接冷裂纹性能。

(2)热影响区最高硬度试验。

热影响区最高硬度试验方法主要是以测定焊接热影响区的淬硬倾向来评定钢材的冷裂敏感性。试验按照GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行。试验条件如下：

焊丝型号(牌号)ER55-G(JM60)，φ 1.2 mm；北京南亚气体有限公司生产的CO2气体，流量20 L／min；熔敷金属扩散氢含量3.44 ml／100 g，水银法；最高线能量：电流I＝310～330A，电压U＝34V，速度280mm／min；最低线能量：电流I＝200～230 A，电压U＝30 V，速度350 mm／min；最高硬度试验参数如表4所示。

硬度测试采用维氏硬度计，施加荷载为10 kg，测点位置如图4所示，图中0点是测定线与熔合线的切点，0点右侧为正，左侧为负。两测点之间的距离为0.5 mm，试验结果如表5所示。

表4 最高硬度试验参数

图4 热影响区最高硬度试验测量位置示意

从试验结果可以看出，采用最低线能量时，随着试验预热温度的增加，其热影响区的最高硬度有所下降，且硬度值不高，即使在室温下焊接，热影响区维氏硬度值也不超过270；采用最高线能量时，整体硬度值较低。

(3)斜Y坡口焊接裂纹试验。

斜Y坡口焊接裂纹试验(小铁研)主要是评定焊接热影响区产生冷裂纹的倾向性。试验按照GB4975.1-84《斜Y坡口焊接裂纹实验方法》的规定进行，试件厚度分别为125 mm、78 mm和42 mm，并以125 mm厚钢板为主，试验在室温下进行。

表5 CO2气体保护焊焊接热影响区最高硬度试验结果

a.试验条件。

采用CO2气体保护焊；焊丝直径φ 1.2 mm；北京南亚气体有限公司和北京普莱克斯气体有限公司的CO2气体，流量20 L／min；环境温度25℃；常温不预热；焊接材料型号(牌号)及直径：ER55-G(JM60) φ 1.2 mm，ER50-G(JM58)φ 1.2 mm，E550T1-Ni1 (GL-YJ602(Q))φ 1.2 mm。

b.试验内容及步骤。

焊后24 h进行表面裂纹检查，每块均经发蓝处理后进行剖切，观察断面裂纹状况。

c.试验结果如表6～表8所示。

表6 CO2气保焊铁研试验结果(δ＝125 mm)

从上述试验结果看出，板厚为125 mm时，部分试件焊缝中心出现了不同程度的开裂，但并未向母材延伸，其余试验板厚试件未出现裂纹，说明ASTM A913 Gr60钢抗冷裂性能良好。除JM58焊丝以外，各试验焊材均出现焊缝中心通裂的现象，说明焊材本身的性能差对试验结果有一定影响，但限于试验数量较少，未能做出较为确切的对比。

表7 CO2气保焊铁研试验结果(δ＝42 mm)

表8 CO2气保焊铁研试验结果(δ＝78 mm)

(4)插销冷裂纹试验。

插销试验是能定量地研究焊接冷裂纹的方法之一。试验按照GB9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》的规定进行。本试验采用了实心焊丝(JM60)CO2气体保护焊，采用环形缺口插销试件，确保缺口的根部位于热影响区。试件取自于125mm钢板厚度方向的1／4表层。

a.实验条件。

试验标准：插销冷裂纹试验GB9446-88《焊接用插销冷裂纹试验方法》；试验温度：室温28℃(无预热和后热)；试验准则：断裂准则。

b.试样制取。

插销外形如图5所示。

底板选用Q235-A普通碳素结构钢，底板的尺寸为300 mm×200 mm×20 mm。底板钻孔数小于等于4，位置处于底板纵向中心线上，孔的间距为33 mm。

图5 插销形状和尺寸

插销试样和底板的制备严格按照GB9446-88的要求进行。

c.焊接工艺。

采用CO2气体保护焊，焊接规范如表9所示。焊接时，在底板上熔敷一焊道，必须使焊道中心线通过插销端面中心。该焊道的熔深应保证缺口位于热影响区的粗晶区中。

表9 焊接规范

d.试验结果。

试验结果如表10所示。在室温28℃，没有预热和后热的试验条件下，采用CO2气体保护焊(焊丝为JM-60，焊接规范见表9)，该种钢材临界断裂应力485 MPa。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为473 MPa，因此该材料在此焊接工艺条件下抗冷裂性能较好。

结合HAZ最高硬度试验、斜Y坡口试验和插销试验可知，试验钢材具有良好的抗冷裂性能。

2.3.2 再热裂纹敏感性研究

(1)再热裂纹敏感性分析。

表10 插销试验结果

再热裂纹是指焊接接头经消除应力热处理的构件，经高温热作用使焊接热影响区在应力作用下产生的沿晶间破坏的裂纹。再热裂纹的产生主要由钢材的化学成分决定，同时构件的应力状态和温度条件也是重要的影响因素。再热裂纹敏感性计算公式为：

式中 Δ G和PSR为再热裂敏感性指数，以合金元素质量百分比来表示。当Δ G和PSR大于0时，该钢种对再热裂纹敏感；当Δ G和PSR小于0时，则不敏感。按式(3)、式(4)计算结果分别为Δ G＝-1.340 9，PSR＝-1.111，所以试验钢材对再热裂纹不敏感。

(2)再热裂纹敏感性试验。

采用斜Y坡口试验评定再热裂纹倾向，试样的尺寸和制备方法按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》的规定进行，焊接工艺与冷裂纹试验相同，预热温度为150℃(以保证焊缝和热影响区在消除应力热处理前不会产生冷裂纹)，在焊后48 h进行消除应力热处理，观察其产生裂纹的情况。具体热处理方法为：a.任意速度升至300℃；b.以55℃／h的速度升温至550℃；c.保温3 h；d.以55℃／h降至300℃后自然冷却。试验结果如表11所示。

表11 评定再热裂纹倾向铁研试验结果(δ＝125 mm，CO2气保焊)

试验结果说明，在所选取的热处理温度条件下(550℃×3 h)，该钢材对再热裂纹不敏感。

2.4 刚性模拟焊接接头力学性能试验

根据上述试验已知，试验钢材具有良好的抗冷裂、再热裂纹和层状撕裂性能。为进一步制定该钢材的焊接工艺，结合工程实际情况，模拟现场条件，选取厚125 mm、68 mm两种板材进行横向拘束钢性对接接头试验，并且分别对δ＝68 mm的焊接接头进行焊态和热处理状态下的性能对比。

2.4.1 试验条件

焊接方法及位置：CO2气保焊、横焊；焊丝型号及规格：JM60，φ 1.2 mm；CO2气体生产厂家：北京南亚气体有限公司；熔敷金属扩散氢含量：3.44 ml／100 g，水银法；CO2气体流量：20 L／min(δ＝68 mm)、50 L／min(δ＝125 mm)；试板初始温度：常温；层间温度150℃～180℃；热处理工艺：(1)以任意升温速度升至300℃，(2)以55℃／h的升温速度升至550℃；(3)保温2 h；(4)以55℃／h的降温速度降至300℃，空冷。

试板坡口、间隙如图6所示。焊接工艺参数如表12、表13所示。

图6 试板坡口、间隙

表12 焊接工艺参数(δ＝68 mm)

表13 焊接工艺参数(δ＝125 mm)

2.4.2 试验结果

熔敷金属拉伸试验结果如表14所示，接头冲击试验结果如表15所示，接头侧弯试验结果如表16所示。

2.5 小结

(1)通过斜Y试验可以看出，ASTM A913 Gr60钢具有良好的抗冷裂性能，但厚板不预热焊接要选择抗裂性好的焊接材料。

表14 熔敷金属拉伸试验结果(试件均取自于坡口根部)

表15 接头冲击试验结果

表16 接头侧弯试验结果(δ＝125 mm)

(2)通过斜Y试验说明，ASTM A913 Gr60钢在本报告热处理制度(550℃×3 h)下具有良好的抗再热裂纹性能。

(3)通过Z向拉伸复验和Z向窗口试验表明，ASTM A913 Gr60钢具有良好的Z向性能。

(4)通过在不预热条件下采用CO2气体保护焊(焊丝TM-60，焊接线能量4.29 kJ／cm)的插销试验，可以看到该钢材在极小热输入的焊接工艺条件下，断裂应力能达到485 MPa，说明该钢材抗冷裂性能较好。

(5)通过常温环境下不预热刚性模拟试板，用TM60焊丝CO2气体保护半自动焊，作横向拘束条件下，根部焊道热输入15～20 kJ／cm，各焊道尤其是根部不允许用摆动一次填满坡口间隙，层间温度150℃～180℃，其焊接接头力学性能试验结果可以看出，各项试验数量均能满足标准要求，焊缝和HAZ均未发现脆性金相组织，证明试验所采取的焊接工艺可以应用到本报告试验条件相类似的实际施工中，如H型钢之间的对接焊。如工程实际节点的拘束条件更为苛刻或需在低温环境下施焊，则应考虑适当预热，以防冷裂。

3 特厚板板材切割技术

北京新保利大厦工程存在大量的厚板切割，在转换桁架处最大板厚达140 mm，远远大于钢结构建筑中采用的常规板厚，钢板切割质量的好坏将直接影响到构件整体拼装的精度控制、产品外观和焊缝的综合质量指标，因此，在切割方式、切割气体及工艺实验方面进行了专门的研究。

3.1 切割方式的选择

对ASTM A913 Gr60板厚为100 mm、125 mm、140 mm的钢板切割，目前首选的切割方法是火焰切割，切割参数的选择非常关键，逐项比较得出厚板切割参数，如表17所示。

3.2 切割气体的选择

常用的切割气有：乙炔、丙烷和丙烯。在薄板和中板的切割中，丙烷和丙烯应用较多。在切割和矫正厚板时，通常采用乙炔，究其原因是乙炔具有火焰温度高、加热速度快的特点。考虑到钢板的切割原理，并组织了气体供应商进行专题研究、类推计算和切割试验。在获得高质量切割面的同时，节约了切割成本。主要的参数和数据如表18所示。

表17 厚板切割参数

经过反复试验，达到了理想的切割效果，切割现场如图7所示，切割后检查结果如表19所示。

表18 各种燃气对照表

图7 切割现场

表19 切割后检查结果

车间在具体实践过程中也总结出了一套成熟的操作经验：

(1)厚板切割的预热火焰要大，切割气流(快风)长度超出工件厚度的1／3。

(2)预热时割嘴与工件表面约成10°～20°倾角(沿切割方向)，使零件边缘均匀受热(同时有利于防止割渣的反弹堵塞割嘴)。

(3)气割时割嘴与工件表面保持垂直，待整个断面割穿后移动割嘴，转入正常气割。

(4)气割将要到达终点时应略放慢速度，使切口下部完全割断。

由于丙烯的火焰温度较低、比较温和，使切割面光洁度更高，切割质量更好。在获得优良品质的同时，使用丙烯具有很好的经济性。具体计算如下：

a.乙炔(燃烧式)：2C2H2+5O2→4CO2+2H2O(液)+ 2 600 kJ，得出每产生1 000 kJ的热量需花费人民币0.34元。

b.丙烷(燃烧式)：C3H8+5O2→3CO2+4H2O(液)+ 946 kJ，得出每产生1 000 kJ的热量需花费人民币：0.40元。

c.丙烯(燃烧式)：2C3H6+9O2→6CO2+6H2O(液)+ 4 130 kJ，得出每产生1 000 kJ的热量需花费人民币0.19元。

根据上述计算，选用丙烯的成本为选用乙炔的成本的0.19÷0.34×100%＝56%。

经过以上综合分析，使用丙烯切割厚板既保证了切割质量，又节约了成本。

4 异型不对称Y型结构焊接和变形控制技术

不对称Y型结构应用于剪力墙暗柱，结构形式为不对称的Y字型结构，焊缝要求均为全熔透一级焊缝，评定等级为Ⅱ，检验等级为B级，探伤比例为100%。由于结构的不对称性，焊接的应力和应变比较复杂，制作和安装的难度比较大。因此，对于该不对称结构，如何降低焊接产生的内应力，保证构件各部形位尺寸，满足设计的要求是质量控制关键。

4.1 不对称Y型柱拼装工艺流程

不对称Y字型结构工艺流程如图8所示，不对称的Y字型结构如图9所示。

图8 不对称Y字型结构工艺流程

图9 不对称的Y字型结构

4.2 不对称Y型柱下料的尺寸控制

(1)钢柱长度较短，工厂套料时应采取整板下料，减少原材料对接焊缝的数量，并对原材料的平整度进行精整，为保证钢柱组装质量奠定基础。

(2)钢柱均为全熔透焊缝，钢柱翼板和腹板的长度、宽度均预放了焊接收缩余量，焊接收缩余量通过制作一根等尺寸试件收集相关数据后确定，合理的控制钢柱的截面尺寸。

(3)钢柱的翼板和腹板采用直条切割机两面同时垂直下料，对同一条料采取对称切割，很好地控制了切割条料的弯曲变形；对腹板的坡口加工采用半自动火焰切割机两侧对称切割。

4.3 不对称Y型柱拼装精度控制

图10 不对称的Y型柱拼装过程

4.3.1 T型钢和V型腹板H型钢的组立、焊接

不对称Y型柱拼装过程如图10所示。

(1)T型钢的制作采取先组立H型钢，制作前先按两块T型钢腹板的尺寸进行套料，然后再利用直条切割机进行中间割缝的断续切割，割缝长度为1.5m，预留长度为50mm。焊接并矫正完毕后利用手工火焰切割进行拆分，火焰切割的割缝3 mm，单侧T型钢腹板宽度考虑焊缝收缩余量为1 mm。

(2)V型腹板H型钢的制作采取先对V型腹板进行折弯，折弯采用数控折弯机进行折弯加工，组立时折弯腹板短边一侧增加2 mm焊接收缩余量，宽边一侧(接T型钢)增加3 mm焊接收缩余量。

(3)T型钢的焊接采用埋弧焊流水线焊接；V型腹板H型钢的焊接采用气保焊打底，反面碳弧气刨清根，小车埋弧焊盖面。

(4)焊接顺序。先对H型钢坡口一侧进行两道打底焊，打底焊采用分段退焊，分段尺寸500 mm，坡口一侧打底完毕后进行背面清根，清根时应露出正面焊道熔敷金属，并确保无夹渣、未熔合等焊接缺陷，清理打磨气刨坡口符合施焊要求，先进行气保焊打底，并焊满坡口，然后焊满正面焊道。

(5)T型钢和V型腹板H型钢的矫正采用H型钢翼缘矫正机矫正，同时利用火焰矫正法进行辅助调形。

4.3.2 不对称Y型柱的拼装

(1)Y型柱的组立示意如图11所示。组立前，首先在V型H型钢的腹板上画出T型钢腹板的定位基准线，控制V型H型钢翼板中心和T型钢翼板中心到定位基准线间的距离、各翼板中心间的对角线距离；同时，按即定的水平面基准和垂直面基准，在Y型柱两端以翼板中心垂直水平基准面吊线坠，严格控制钢柱的扭曲指标在偏差范围内(1／2 500)。

(2)不对称Y型柱纵焊缝的焊接。

图11 Y型柱组立胎架示意

Y型柱纵焊缝焊接变形控制的好坏直接影响到钢柱整体几何尺寸的正确与否，因此，在焊接变形的控制上，主要通过设置临时支撑、小线能量的焊接和合理的焊接顺序来保证；主要采用分段退焊的方法，正反两面的焊缝交替进行焊接，从而很好地控制了由焊接产生的角变形。

(3)不对称Y型柱主体的矫正。

不对称Y型柱组焊完毕后，存在的变形主要体现在T型钢的角变形和钢柱的扭曲变形。T型钢角变形的矫正主要采用三角形的点状火焰加热方法，钢柱的扭曲变形矫正主要采用斜直线形的火焰加热方法。Y型柱主体焊接完毕并经矫正合格后，铣平Y型柱的端面，按划定的铣削基准线对柱上端面进行铣削加工，铣削粗糙度要求12.5，垂直度要求0.5 mm以内。

(4)Y型柱加强圆管、隔板的装配焊接。

不对称Y型柱中心的圆管主要起加强作用，焊接难度不大，但焊接过程中产生的热量却会对不对称结构的几何尺寸产生不利影响，因此，在选择圆管与隔板的焊接顺序时，规定为：Y型柱中的隔板先进行定位焊接，对柱体的几何尺寸进行固定，作为形状保持材，然后在进行中间圆管焊缝的焊接，焊接时采取自圆管中间向两边分段退焊的操作方法，并保证两侧的对称受热，减少应力变形，焊接完毕后，再完成中间各隔板焊缝的焊接，不对称Y型柱附件焊接顺序如图12所示。

图12 不对称Y型柱附件焊接顺序

4.3.3 不对称Y型柱整体总装尺寸控制

不对称Y型柱的总装是按钢柱的几何尺寸和各部件的位置关系，根据即定的装配基准，在已测平的水平平面内对各零件进行拼装。

由于不对称Y型柱外部牛腿的结构比较复杂，且牛腿尺寸和焊接量都相对较大，为避免焊接中产生较大内应力，在焊接的顺序上要求自内而外，先焊刚度大的焊缝，再焊刚度小的焊缝。焊接完毕后，测定钢柱的扭曲、旁弯等数值是否符合规范要求；同时，检查各牛腿与钢柱间的相对位置关系是否满足规范要求，控制各牛腿中心到钢柱中心的距离，并利用激光经纬仪测定各牛腿是否在同一平面内。

4.3.4 不对称Y型柱制作验收标准

由于该构件为异型构件，因此，如何有效的控制成品的最终检查标准是保证现场安装顺利施工的关键，Y型柱外形尺寸控制示意如图13所示，验收标准如表20所示。

5 横向承重体系悬挑牛腿大厚板高强钢焊接技术

“特色吊楼”是一个大跨度的组合桁架(见图14)，由东南角的剪力墙筒体和顶部的斜拉主钢索悬挂，因此，悬挑牛腿钢柱将承受高强度的荷载，钢柱主材为卢森堡进口的ASTMA913GR60(强度级别相当于国内Q420)高强钢，为国内建筑钢结构首次选用，其板厚达到125 mm，因此，如何有效实现焊接工艺是保证节点可靠性质量的关键。

图13 Y型柱尺寸控制示意

表20 检查精度表

5.1 原材料的选择

钢柱主体材料选择由卢森堡进口的高强钢，该钢种为淬火加自回火钢材(简称QST钢)，符合美国标准ASTM913／913M-97 GR.60《经淬火和自回火处理的高强度低合金结构级钢型材标准规范》及相应中国标准对建筑用钢材的标准要求。

钢材化学成分和力学性能如表21所示。

5.2 焊接材料的选择

针对该钢材厚板焊接的材料选择，为满足合适的强度匹配，防止裂纹等缺陷的产生，在焊接材料的选择上也经过严格的论证，并通过焊接工艺评定试验最终确定采用TM-60焊丝(ER55级)，很好的满足了设计的要求。

焊丝TM-60焊丝的化学成分和熔敷金属力学性能如表22所示。

图14 大跨度的组合桁架

表21 化学成分和力学性能

5.3 层状撕裂问题分析

层状撕裂风险性分析如表23所示，该钢材具有比较好的抗层状撕裂性能。

表22 焊丝TM-60化学成分和熔敷金属力学性能

表23 层状撕裂风险性分析

5.4 层状撕裂风险性试验

在ASTM913／913M-97 GR.60焊接性试验的基础上采用Cranfield进行层状撕裂试验，如图15所示。

图15 Cranfield试验示意

结果的准确性与装配点固、焊道数目、预热温度、试件长度、线能量五个因素有关，因此模拟节点实际焊接的情况，以中立板为实验板，斜板底部加工成30°，上部加工成45°，根部平台部分为7 mm，试件装配点固后，再正式焊接两条实验焊道后除去定位焊缝，可使后续焊道的收缩力作用于试验板上。试验焊缝焊9层15道，焊角尺寸30 mm，焊接参数为：I＝240～260 A，U＝30～34 V，焊接速度300 mm／min，焊丝TM-60，规格φ 1.2mm。焊后24h机加工出五块试样，裂纹率

式中 L为裂纹长度；B为实验焊缝在试验板上宽度。

按浙江精工钢结构有限公司采取的工艺参数进行焊接，检测结果合格。

5.5 焊接工艺评定试验

根据焊接性能试验的结论，按表24所示参数进行了焊接工艺评定试验。

表24 焊接工艺评定试验

针对该节点，应用δ＝125mm的板厚进行了焊接工艺评定。基本方案为：焊丝TM-60，φ 1.2 mm；焊接形式为对接及斜T型接头；预热温度150℃，中间去应力回火，整体焊接完成后进行消应力热处理。

利用125 mm+125 mm平板对接接头进行焊接工艺评定试验，检测结果如表25所示。

利用125 mm+125 mm模拟实际构件的接头形式进行焊接工艺试验，如图16所示。

表25 焊接工艺评定

图16 焊接工艺评定

采用冷酸浸蚀法对试样03981-1、03981-2、03981-3焊缝区域进行宏观金相检验，焊缝金属和热影响区无微小裂纹，焊缝根部焊透、无夹渣、气孔缺陷，符合标准JGJ81-2002。宏观试件的检测结果如图17所示。

图17 宏观金相

合理地选用了焊接材料及焊接工艺，焊缝金相显微照片如图18所示。

由图18可知，盖面层焊缝为先共析铁素体沿柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有少量珠光体组织。打底焊缝区为先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界析出，沿先共析铁素体边缘有极少量的珠光体组织。通过金相组织检验，焊缝和HAZ均未发现脆性金相组织，表明在试验条件下焊接接头的组织合理，机械性能优良，钢材及焊接工艺参数选择可以满足施工需要。

图18 金相组织图

6 带悬挑牛腿钢柱(GZ318)制作施工技术

6.1 带悬挑牛腿钢柱拼装工艺流程

带悬挑牛腿钢柱拼装工艺流程如图19所示。

6.2 带悬挑牛腿钢柱拼装尺寸控制

(1)钢柱拼装是按钢柱与各牛腿、节点板间的相对位置关系，确定牛腿中心与钢柱中心间的尺寸，并完成拼装。

(2)在拼装时，先确立装配的水平胎架，钢柱应置于该水平平台上，组装过程在该平台上完成。

(3)对于牛腿的安装，在安装前首先检查由准备车间组焊下料的牛腿，合格后方能装配。各个牛腿以钢柱顶部的端铣面为装配基准，确定各牛腿的装配位置线，装配位置线应由牛腿中心线来确定，而不应是牛腿翼缘上表面。

(4)对斜牛腿的装配。在装配前应进行放样，制作角度样板，按牛腿的投影尺寸进行角度放样，根据牛腿中心与柱身轴线的夹角，确定倾斜角度。

(5)牛腿长度定位时，应注意控制牛腿腹板中心螺栓孔到钢柱中心轴线的距离，在牛腿装配前必须检查牛腿装配位置线所在的钢柱的截面尺寸，然后根据该尺寸确定牛腿腹板中心螺栓孔中心到钢柱柱表面的距离尺寸。

6.3 带悬挑牛腿钢柱焊接工艺控制

(1)在焊接顺序的选定上，采用对称施焊，使应变分布均衡，减少应变集中。

(2)在焊接位置的选定上，尽可能采用平焊，并使焊缝处于船形位置，以保证焊缝两边完全熔合。

(3)采用适当小的线能量，控制每层焊缝尺寸，采用小焊道，每层焊道宽度不超过12 mm，减少热作用，从而减少收缩应变。

(4)采取预热措施，预热温度120℃±20℃；采用履带式电加热器，远红外线测温计控制温度。

(5)层间温度控制在100℃～150℃，远红外线测温计控制。

(6)焊后采用整体热处理。

图19 拼装工艺流程

6.4 焊接坡口形式的制定

(1)常规坡口形式的制定。

根据本工程中结构接头的形式，对于较普通接头的坡口形式按图20选择。

(2)特殊坡口形式的制定。

在悬挑结构中，悬挑牛腿与钢柱之间的接头为斜交接头，由于悬挑牛腿翼板板厚达125 mm，如何保证焊接的可操作性和焊接施工的经济性是坡口设计的重要原则。经计算，单块翼板与钢柱间形成的坡口面积为12558mm2，坡口填充量为5249244mm3，焊缝长度为418 mm，焊丝填充量约为41kg，即1cm长度内焊丝填充量为1 kg；若坡口角度过小，则焊缝根部不具备焊接的良好可操作性，若坡口角度过大，虽然解决了焊接的可操作性问题，但增大了焊接量，将导致焊接变形增大，出现层状撕裂等焊接缺陷的概率加大。因此，如何合理地确定坡口角度是焊接接头工艺设计的关键，坡口形式如图21所示。

图20 常规坡口形式

通过合理的优化坡口设计，既保证了焊接的良 好可操作性，又将辅材消耗控制在合理的范围内，为保证焊接质量奠定基础。

图21 特殊坡口形式

6.5 焊接工艺的过程控制

(1)焊接工艺参数控制。为避免晶粒粗大，控制焊接热循环，采用较小的线能量，并配以适当预热，焊接参数如表26所示。

表26 焊接工艺参数

(2)焊接变形控制。为了控制焊接过程中的变形，先焊斜T形件翼板，后焊腹板。两侧对称施焊的焊接顺序：厚度方向焊到1／3，再交换位置焊接，悬挑牛腿整体焊接顺序如图22所示。

(3)层状撕裂工艺控制。

由于层状撕裂问题对整体结构存在极大的隐患，因此必须对层状撕裂的形成机理和预防措施有充分的认识。为有效控制层状撕裂，主要从以下几个方面采取措施：

a.采用低氢焊接方法气体保护焊。

b.焊前采用砂轮机打磨待焊坡口面，直至出现光亮的金属光泽，去除因热切割产生的淬硬层。

图22 悬挑牛腿整体焊接顺序

c.采取对称施焊，使应变分布均衡，减少应变集中；采用小线能量，以减少热作用，从而减小收缩应变，但前提是防止产生冷裂纹。同时采取预热措施，并进行中间消除应力退火，最后采用后热。

d.后热结束后用砂轮将焊缝的加强高磨去一层，其目的是释放部分应力，消除应力集中点，消除焊缝表面的硬淬组织，彻底消除产生层状撕裂的一切环境条件。

e.焊接过程中的注意事项：在焊接通过腹板的过手孔时，应将接头中断于腹板外，各层间应错开；在打底焊(三层)时，不许横向摆动；层间清理采用钢丝刷；表层缺陷的返修采用气刨后砂轮打磨。当超过315℃，加热速度应低于55℃／h，加热速度可取45℃／h。注意加热时各部位的温差，在任意2 m间隔内小于80℃。加热到550℃，保温3 h，保温期间焊件温差不大于50℃。冷却速度按加热速度进行，当冷却至315℃时可在静止空气中冷却。中间热处理后检验外型尺寸，检验翼板表面裂纹(PT)，UT探伤腹板，合格后清理焊接区域露出金属光泽，预热至规定温度进行焊接。

Manufacturing and welding technology for steel structure in Beijing New Poly Plaza

LIU Dai-long，HE Qiao-sheng，ZENG Xiang-wen，LU An-hong
(Welding Institute，Changjiang Jinggong Steel Structure Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China)

Steel structure production and welding technology can be summed up“four first,five technological breakthrough”，at that time China's steel structure is the most complex，structure manufacturing is the most difficult，represented China's steel structure production，the welding technology's development direction and the highest level:(1)For the first time，using a ASTM A913 Gr60 steel (quite Q420)，to do the welding experiment，provides the mature experiences，and promotes the building of steel construction industry technology's progress and development.(2)Large quantities of the special thick plate cutting，types include section steel material and steel material，maximum thickness of 140 mm in the domestic，breakthrough the special thick plate cutting technology，realize the good control of the quality in cutting structural members groove and component and machining groove，laid the foundation for manufacturing the structurial member and component.At the same time，realize the better conmection between the quality of cutting thickness and cutting economics.(3)The design of shear wall hidden column asymmetric Y type and symmetric the*type steel structure，to control the quality of the production adopts.Through such asymmetric component production，master manufacturing nonstandard components，the welding deformation control and how to reduce the internal stress of welding，provide experience with relating data.To achieve different structure asymmetric welding and deformation control.(4)Breakthrough“characteristics DiaoLou” horizontal bearing system overhung self-will of identity of welding plate，plate welding technology has made a lot of progress，engineering quality.For high strength steel level(such as the application of Q460)established the theory and practice of the foundation.To fill the gaps in the domestic construction steel structure high strength steel application and research the blank.

complex；Q420；first adopted

TG457

B

1001-2303(2011)08-0012-17

2011-07-10

刘代龙(1973—)，男，黑龙江哈尔滨市人，高级工程师，主要从事钢结构方面的焊接技术与管理工作。