泰安道五号院工程焊接顺序研究

1 工程概况

泰安道五号院工程是天津市市属重点工程，位于天津市和平区泰安道以南，南邻曲阜道，东临大沽北路，西临浙江路，总建筑面积189 000m2，地下3层、地上47层，建筑最大高度263.4m，附楼屋顶高度为39 m，基坑最大深度18.05m；塔楼结构形式为钢框架-核心筒（内筒外框）结构 ，附楼及地下室为钢筋混凝土框架结构，属于超高层建筑。

该工程主体核心筒结构为混凝土结构，外框为钢管柱内灌混凝土结构。外框钢管柱20根，最大管径1.5m，最小管径0.6m，最大壁厚30mm。钢梁形式为H型钢，共计4 183根，结构总钢量25 000 t。

2 研究方法

2.1 研究内容

标准层外框钢结构焊接顺序；转换层桁架焊接顺序；焊接对于整体结构的应力、应变影响分析。

2.2 研究方法

采用MIDAS/gen三维有限元软件建立结构模型，然后使用软件中的施工模拟、生死单元、温度荷载技术按照不同顺序对结构的相应位置施加和取消焊接热影响，从而得到不同焊接顺序的应力、应变数值，通过数值加以分析。

3 标准层焊接顺序研究

每一层的结构基本相仿，现在以标准层为对象，进行焊接顺序的研究。焊接顺序分为两种：由两边向中间焊接、由中间向两边焊接，见图1和图2。

图1 由两边向中间焊接

图2 由中间向两边焊接

3.1 分析

分析采用midas有限元软件，对安装各工序的构件、荷载及焊接热影响依次进行激活及钝化模拟整层的焊接过程，见图3。

图3 泰安道五号院MIDAS模型

1）由两边向中间焊接模型分析。焊接完成后最大变形3.46mm，最大应力比0.41。

2）由中间向两边焊接模型分析。焊接完成后最大变形3.5mm，最大应力比0.38。

3.2 对比及结论

两种焊接情况的计算结论基本相仿，由中间向两边焊接的方法应力比略微低于由两边向中间焊接的情况。同时，实际施工中应保证结构角部的变形，这两种方法中由中间向两边焊接的方法角部结构最后施工，更加便于消化施工误差，满足结构外形尺寸要求。从应力比及施工合理性上综合分析，最后选定由中间向两边焊接为最终的焊接顺序。

4 转换层桁架焊接顺序研究

根据转换桁架应用于结构避难层，是结构刚度最大的地方，所以是施工需要严格控制的区域。

4.1 分析

转换桁架分为4种情况：由中间向两边，由上而下；由中间向两边，由下而上；由两边向中间，由上而下；由两边向中间，由下而上。

1）由中间向两边，由上而下。焊接完成后最大变形10.24mm，最大应力比0.155。

2）由中间向两边，由下而上。焊接完成后最大变形10.28mm，最大应力比0.168。

3）由两边向中间，由上而下。焊接完成后最大变形10.3mm，最大应力比0.154。

4）由两边向中间，由下而上。焊接完成后最大变形10.28mm，最大应力比0.168。

4.2 对比及分析

由以上4组数据可以看出，桁架由上而下焊接应力小于由下而上焊接，而无论是由中间向两边还是由两边向中间施工的应力比基本一致均在0.155左右，是安全的。现场施工考虑保证角部尺寸最终选择由中间向两边，由上而下进行焊接的施工方式。

5 整体结构焊接应力、变形研究及总结

将上述研究成果逐一累加至结构模型。从头至尾完整模拟结构施工焊接过程，研究焊接过程对整体的应力、压缩变形的影响程度。

没有焊接热影响的结构，见图4和图5。钢结构最大应力比为0.303，结构柱最大变形为-21.3mm。

图4 没有焊接热影响的变形

图5 没有焊接热影响的应力

考虑焊接影响后结构，见图6和图7。钢结构最大应力比为0.391，结构柱最大变形为-20.4mm。

图6 焊接影响的变形

图7 焊接影响的应力

6 结论

从以上两组数据可以看出，结构因焊接应力最大提升0.088，结构压缩变形缩小约1mm，这两个数据证明给结构带来的影响非常微弱，证明采取的焊接顺序较为合理，符合施工及设计要求。