超高层建筑钢结构连廊厚板焊接施工技术*

高雷雷 柳志华

1. 中冶天工上海十三冶建设有限公司 上海 201900；2. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050

1 工程概况

上海金虹桥国际中心为典型的凯旋门式结构，由南北塔楼及连体结构组成。连体结构共8 层，位于22～29层之间，高度为100.9～134.6 m。层间无竖向结构，为超高层片状钢结构连廊。连廊平面位于K～N轴/18～23线之间，尺寸42 m×24.7 m，为平面框架结构体（图1）。

图1 钢连廊平面

连廊所用钢材均为Q345BH型钢，主梁截面主要有1 200 mm×600 mm×20 mm×60 mm、1 800 mm×600 mm×30 mm×80 mm、2 200 mm×800 mm×35 mm×100 mm等，最大板厚达到100 mm，其中厚60 mm及以上钢板用量达900 t。

根据本工程特点，确定如下技术路线：地面拼装→液压整体提升→高空对口合拢。提升共分4 个单元，从上至下依次进行。

2 焊接施工难点

（a）所有主梁均沿长度方向分段制作，现场焊接成型。为减少拼装整体误差，减少高空对口合拢难度，必须对焊接变形进行控制。由于钢板较厚，焊接变形控制较困难。

（b）提升单元提升到位后，连廊与塔楼为刚接节点，高空焊接量大。同时，所有高空对接焊缝均为一级焊缝，焊接质量要求较高。

（c）整体提升施工正值冬季，焊接作业环境温度较低，对焊接作业前、后的预热保温工作要求高。

（d）提升单元提升到位后，应按一定的顺序进行对口焊接，以利于焊缝收缩变形可以自由进行释放。

3 焊接工艺确定

厚板焊接时钢梁翼缘的焊缝为水平位置，填充量大。为避免仰焊作业，上、下翼缘均采用单边V形坡口的平焊方式，有效的提高了焊接作业效率。根据钢结构连廊焊接的施工要求，结合主塔楼箱型柱焊接的相关经验，采用CO2气体保护焊作为连廊厚板焊接施工方法。该工艺优势在于：CO2气体保护焊接成本较低，经验数据表明其成本为手工电弧焊的50%左右；生产率高，实心焊丝的CO2电弧穿透能力强熔深大，熔敷速度快，效率比手工电弧焊高1～4 倍；表面焊渣少，减少了清渣工序，同时焊丝头使用剩余量少，损耗量显著降低。

4 焊接实施工艺

4.1 焊前准备

（a）制定焊接工艺评定[1-3]：在焊接作业前首先应确保原材料的合格，做好焊接工艺评定试验，并针对现场的作业环境对焊工进行交底。在原材料合格的前提下，由焊工按照经过评定合格的焊接工艺施工。

（b）作业人员及材料选择：焊接工作应由取得相应项目、并在有效期内取得焊工合格证的焊工承担。焊接用CO2气体纯度高于99.7%，其含水量不应大于0.005%。焊材选用ER50-6型Φ1.2 mm，实心CO2气体保护焊丝，其力学性能如表1所示。

表1 焊丝力学性能

（c）主要参数：电流为100～350 A；焊丝伸长度为15 mm；喷嘴与母材距离为12～15 mm；CO2气体流量为35～65 L/min。

（d）焊缝坡口形式及环境：连廊主梁采用单边V形坡口的平焊方式，拼装时严格控制间隙保持在3～4 mm。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50 mm的范围以及垫板、引弧板等用砂轮机和钢丝刷认真地清除防锈漆及杂物。当现场风速＞2 m/s时，应采用封闭围挡，避免产生焊接气孔。焊接作业区的相对湿度≤90%时方可施焊。

（e）误差纠正：对于已经出现的误差，由地面拼装通过反变形的方法进行纠正。对不能采取反变形的部位，地面拼装测量的数据应及时反馈到焊接工序上，可临时改变焊接顺序，利用焊接的变形进行纠正。

（f）焊接前预热：为防止焊缝产生裂纹，应针对板厚、气候、风力等不同情况，对焊件进行预热处理，保持施焊中的层间温度。

4.2 焊接过程控制

4.2.1 焊接顺序

要合理安排地面拼装和高空对口安装的焊接顺序，减少焊接收缩变形对结构整体误差及内应力过大产生的影响。本工程采用结构对称、节点对称的全方位对称连续焊接。整体平面上遵循由中部对称向外焊接的顺序，以便高空合拢顺利进行。单元接头遵循对称施焊的原则，采用相同的热输入沿钢梁对称轴焊接。

4.2.2 应力及变形控制

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，产生了残余应力或变形。为减少残余应力或变形产生，采用先手工电弧焊打底4～5 层，然后再用CO2气体保护焊，保证2 条焊缝预热达到规定的温度。同时，对长焊缝采用了多人对称焊接的工艺，对中间焊层进行逐层锤击，消除残余应力。

4.2.3 防止层状撕裂

焊接前，对焊缝两侧2 倍于板厚加30 mm的区域附加超声波探伤，不得出现裂纹夹层等缺陷。在满足受力要求的情况下选择屈服强度低的焊丝，有助于焊缝金属应力重分布，减少变形集中。

4.2.4 焊接操作[4]

同一焊缝应连续施焊一次完成，对于板厚100 mm、长度800 mm的大型焊缝，其焊接必须完成2/3的工作量才能停止焊接，再二次施焊完成。再次焊接前按规定要求进行预热处理，中途不宜停止。

厚板焊接过程中严格控制焊热输入量，在保证熔合良好的情况下，采用小电流、慢速焊减少对母材的影响，避免产生夹渣、未熔合等缺陷。

4.2.5 缺陷处理

焊接过程中严格执行多层多道施焊成型的原则，避免焊接过程中产生咬边、未焊满、根部收缩等一级焊缝不允许的缺陷。对出现的焊缝缺陷采用碳刨清除后补焊，焊缝同一部位的补焊次数不多于3 次。

4.3 焊后处理

针对冬季施工的焊缝，为保证其焊接质量必须进行焊后保温。根据相关规定，现场焊缝后热温度为200 °C，保温时间为1.5 h。当温度低于0 °C以下时，采用石棉布保温使焊缝缓慢冷却。为消除焊接应力，对焊完的焊缝采用锤击法来减小应力。焊接完成后，用火焰切割去除引弧板，并修磨平整。

5 结语

上海金虹桥国际中心工程钢结构连廊于2011年11月13日开始第1单元地面拼装，2012年2月20日第4单元合拢完成，焊接施工历时50 d，提升单元平均焊接时间12.5 d。所有钢梁焊接均为厚板焊接，一次合格率达到95%以上，返修后合格率达到100%。根据高层钢结构连廊施工的总体技术路线，分析了焊接技术难点，制定了针对实际工况的焊接工艺和控制措施，确定了合适的工艺参数并严格进行技术管理。本工程实践结果表明：厚板焊接质量、进度、安全均满足要求，社会效益及经济效益明显。