上海浦东国际金融大厦高层钢结构工程安装焊接施工技术

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上海浦东国际金融大厦高层钢结构工程安装焊接施工技术

　　1工程概况
　　上海浦东国际金融大厦工程地下为钢筋混凝土结构，地上中央核心筒为钢筋混凝土结构，变截面转换部分为劲性钢筋混凝土结构，外围框架的梁为钢梁，中低层部分为劲性钢筋混凝土柱，变截面及变截面以上部分为钢柱，通过钢梁与核心筒连接。53层沿短轴方向分设4道水平桁架，塔楼顶部为纯钢镀锌钢结构直升飞机停机坪。从52层起架设一根53．3m的大型桅杆天线
　　本工程在地下一层插入48根H型钢柱和钢管柱，作成劲性钢筋混凝土结构，通过钢梁与核心筒连接。整个结构以钢管柱、H型钢柱和H型钢梁为主，钢结构总重量9，242t。
　　　1．1钢材
本工程柱和大梁按设计要求采用日产SM490A、SM490B、SMK490或同等规格材料，小梁采用SS400。圆管柱壁最厚45mm，H型大梁翼缘最厚32mm。由于管柱是离心铸钢，在国内属首次使用，给焊接增加了一定难度。
　　上述钢材的典型化学成分和力学性能见表l。

1．2构件
　　构件长12m，构件单件最重9．6t，钢管为Φ600×45mm，H型柱为428mm×30mm×35mm，梁为1000mm×350mm×19mm×28mm和600mm×300mm×14mm×32mm。构件的重量和分布对起重设备的选用和布置，以及安装方法都提出了很高的要求。
　　1.3节点形式
　　按照设计，柱一柱之间的连接，H型钢柱为高强螺栓连接，圆管柱为熔透焊连接。
　　各楼层梁一柱间的连接有两种：圆管柱和大梁连接带牛腿，钢梁上翼缘与圆管柱牛腿翼缘焊接，腹板与牛腿腹板为高强螺栓连接；H型钢柱与梁在工地直接连接，钢梁上下翼缘与钢柱为全熔透焊，腹板与钢柱承剪板为高强度螺栓连接。 
　　1．4焊接检验
　　由于使用日本的高强度钢材，厚度大，焊缝全部是全熔透坡口焊，工艺复杂，难度大，因此要有充分的工艺试验及严格的工艺评定，以便在此基础上制定合理的工艺标准。本工程按《钢结构工程施工及验收规范》(GB50．205-95)，和《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GBll345-89)对全熔透焊缝实施B级检验，100％超声波探伤。
　　2焊接节点概况
　　本工程圆管柱为全熔透焊接，最大壁厚45mm，有两种接头形式，柱与柱对接用套环或用垫衬直接焊在圆法兰上(图2)；钢梁与柱连接为腹板栓接，翼缘板焊接(图3)。



3焊接准备
　　3．1构件预检
　　对进场的焊接圆管柱纵向焊缝两端伸出100mm范围内进行超声波探伤检测，如测出超标缺陷，则用碳弧气刨铲除后打磨干净，再按既定的焊接工艺规程补焊复原表面。检验柱、梁接头截面几何尺寸及构件长度。检查焊口几何尺寸及清理情况。
　　3．2焊接吊篮与平台
　　由于该工程柱安装和焊接需要，柱设计有牛腿时用特制吊篮，无牛腿焊接时用专用操作平台(图4、图5)。



3．3焊接设备和焊接材料
　　表2为焊接设备及辅助设备。本工程焊接材料均由业主和监理工程师指定(表3)。

表2焊接设备及辅助设备 

　4焊接施工劳动力安排
　　高层钢结构焊接工程专业性很强，劳动强度大，专业管理人员及焊工都要求有较好的技术素质。已经培训持有相应施工焊接条件下的压力容器焊工或厚板钢结构合格证的焊工，还须按本工程的实际情况，在业主、监理、设计方的监督下进行附加考试，考试合格后方准土岗正式焊接。表4为焊接劳动力安排。



　5焊接顺序及焊接工艺
　　5．1焊接顺序
根据本工程结构特点，主楼以南北轴对称为界分成东西两个区施工(图6)。在东、西工区1、2段4个节间高强度螺栓终拧且柱垂直度符合要求后，东工区选择J／8、G／8柱为基准柱，首先开始向3、4段方向焊接；西工区选择A／10、C／10柱为基准柱，首先开始向3、4段方向焊接。



图6焊接分区
　　栓焊组合节点中，梁的腹板应先栓后焊，以便栓孔的对准和摩擦面的贴紧，确保栓接质量。
　　栓接时先用销钉穿孔定位，然后上30％的普通螺栓，再安装高强度螺栓，高强度螺栓应初拧达到50-70％的扭矩值，再终拧到规定值。
　　单节柱焊接时应先焊上层梁，后焊下层粱，以便框架稳固，便于施工。柱一梁节点上对称的两根梁应同时施焊，而一根梁的两端不得同时施焊作业。柱一柱节点焊接时，圆管柱的对称两个半圆弧应由两名焊工同时焊接。梁的焊接应先焊下翼缘，后焊上翼缘，以减少角变形。
　　5．2焊接工艺
　　5．2．1安装焊接准备工作 
　　国内很少在高层建筑中使用的日产SMK490离心铸钢和厚度>45mm的SM490A钢制构件，针对其中数量较多的或具有代表性的接头形式进行了相应焊接方法的工艺评定试验。试验钢材规格包括SMK490离心铸钢(壁厚45mm)、SM490A(板厚25mm)、H型梁(翼缘厚25mm)。焊接位置为柱一柱横焊、柱一梁平焊、T型角立焊。柱一枚、柱一梁焊接方法为CO2气保焊，T型接头为手工电弧焊，坡口形式及尺寸按设计要求。焊后外观及超声波检查合格后取样进行力学和物理试验，证明全部试验接头抗拉强度达到母材抗拉强度标准值。接头冷弯1800、侧弯(d=50α)、面弯、背弯(d=3α)无裂纹，洛氏硬度(HRB)均低于85．5，说明所采用的钢材在规定的焊接方法、焊接参数、焊接条件下，其焊接接头综合性能达到并超过了设计和规定要求。此外，采用的焊接材料和焊接设备技术条件均符合国家标准，性能优良。清渣、气刨、焊条保温等装置齐全有效。
　 5．2．2手工电弧焊及气保焊焊材和设备
　　焊条在高温烘干箱中烘干。低氢型焊条烘干方法为：在高温箱中加热到3800C后保温1．5h，再在高温箱中降温到1100C后保存，使用时从烘干箱中取出应立即放入100-1100C的焊条保温筒中，并在4h内用完。焊条烘干次数不得超过两次。焊丝包装应完好，如有破损面导致焊丝污染或弯折、紊乱时应部分弃之。
　 CO2气体纯度不低于99．99％(体积比)，含水量低于0.05％(重量比)，瓶内高压低于lMPa时应停止使用。焊接前要先检查气体压力表的指示，然后检视气体流量并调节气体流量(20-80L/min)。
　　焊机电压应正常，地线压紧牢固，接触可靠，电缆及焊丝无破损，送丝机应能均匀送丝，气管应无漏气或堵塞。
　　5．3安装焊接程序及一般规定
　　焊接的一般程序为：
　　焊前检查--加热除锈--装焊垫板及引弧板--焊接--检验--填写作业记录。
　　焊前检查坡口角度、钝边、间隙及错口量，坡口内和两侧之锈斑、油污、氧化皮等应清除干净。装焊垫板及引弧板，其表面清洁程度要求与坡口表面相同，垫板与母材应贴紧，引弧板与母材焊接应牢固。
　　焊接时第一道应封焊坡口内母材与垫板之连接处，然后逐道逐层焊至填满坡口，每道焊缝焊完后都应清除焊渣及飞溅物，出现缺陷应及时磨去并修补。遇雨、雪天时应停焊，环境温度低于零度时应按规定预热、后热措施施工，构件焊口周围及上方应有挡风雨棚，风速大于5m／s时应停焊。一个接口必须连续焊完，如不得己而中途停焊时，应进行保温缓冷处理，再焊以前应加热。
　　焊缝冷却到环境温度时进行外观检查，SM490钢构件焊缝超声波检查在焊完24小时后；进行。焊工及检验人员应认真填写作业记录表。
　　5．4典型节点的焊接顺序和工艺参数
　　5．4．1圆管柱一柱焊接 
　　先在上下柱无吊装耳板侧由两名焊工在两个半圆弧对称焊至板厚的1／3时，切去吊装耳板。然后对称连续焊至坡口填满。
　　坡口填满后应用磨光机磨平焊缝，焊接最后一层盖面焊缝。
　　每两层之间焊道的接头应相互错开，两名焊工焊接的焊道接头要注意每层错开，如有焊瘤及焊接缺陷要铲磨掉后再继续焊接。
　　焊接工艺参数：手工电弧焊焊条直径φmm，电流170-180A，焊速150mm／min。气保焊焊丝直径φ1．2mm，电流220-300A，电压29-36V，焊速150-500mm/min，焊丝伸出长度约20mm，气体流量20-80L/min。
5．4．2柱一梁焊接
　　先由两名焊工同时焊接柱子对称侧的两个焊口，先焊接梁的下翼缘。梁腹板两侧翼缘的焊道要保持对称焊接，可由一名焊工在腹板一侧先焊l-2层后换至另一侧焊接，焊完24层后再换一侧施焊，反复倒换直至焊完。各焊道的接头在上下层间要错开。然后焊接上翼缘，仍由2名焊工同时对称施焊。
　　焊接工艺参数：手工电弧焊焊条直径φ4mm，电流170-210A，焊速160mm／min。CO2气保焊焊丝直径φ1．2mm，电流260-340A，电压30-38V，焊速150-500mm／min，焊丝伸出长度约20mm，
　　气体流量20-80L/mm。
　　6特殊节点焊接施工顺序及焊接工艺
　　6．122层至29层变截面倾斜柱安装焊接顺序
　　22层至29层变截面倾斜柱柱长每根13．3m，构件重每根9．7t。采用φ600×45mm离心铸钢管。安装时必须考虑临时支撑、倾斜吊装时的吊点、安装时临时校正角度等。焊接时应考虑收缩量及残余应力的合理分布，以确保安装焊接顺利进行。倾斜柱具体的安装顺序如下：
　　1)待21层安装、焊接、压型钢板铺设完毕后，在21层安装一根临时支撑柱，吊装22层梁，安放在核心简连接板和临时支撑柱上固定；
　　2)在22层梁上安装临时支撑柱，吊装23层大梁，安放在核心筒连接板和临时支撑柱上固定；
　　3)吊装柱子安装在21层的柱头上并同22、23层大梁连接固定，在三个节间的柱、梁安装完毕校正后，终拧高强度螺栓。
　　6．2倾斜圆管柱焊接工艺
　　6．2．1倾斜圆管柱现场焊接的特点
　　倾斜圆管柱焊接时包含所有的焊接姿势，而且还要连续地变化。在接头的下面、侧面、上面须改变焊接条件，如电流、电压、速度等。由于接头下面的焊肉容易下垂，且难以看到坡口内部，因此难以准确地瞄准焊接位置，下面的坡口面容易产生焊不透。接头上方焊接时用俯焊方式，坡口内不易看清，定位困难，上方坡口有不易熔透倾向。考虑到以上这些因素，在现场进行焊接施工时，须注意以下事项：
　　1)由于焊接条件，焊接姿势不能进行连续变化，因此，如图7所示，将焊接接头分成四个部分进行施工。为了减少残余应力，将全板厚分二次进行焊接，焊接顺序如图8；
　　2)进行第二次焊接时，应用砂轮处理接头部位，以免在此部位产生缺陷；
　　3)在焊接中如发生焊道不良、焊瘤等缺陷时，应用砂轮或碳弧气刨修理平滑后再进行焊接；
　　4)焊接时，摆动幅度不能太大，应进行多层多道焊接。


　　　　　　　　图7圆管焊接顺序　　 　　　　　　图8斜管焊接顺序
　　6．2．2倾斜圆管柱焊接顺序和工艺参数
　　先在仰焊位置由A、B焊工分别从左、右方向焊接，A焊工焊接l23部位：B焊工焊接l43部位，焊接时要求基本同步。
　　A、B焊工第一次焊接完毕，切去吊装耳板，进行打磨修整后继续第二次焊接。每层之间焊道的接头应相互错开，两名焊工焊接的焊道接头也要注意每层错开，每道焊完要清除焊渣和飞溅物，如有焊瘤和焊接缺陷要铲磨清理后再焊，焊接过程中要注意检测和保持层间温度。焊接工艺参数见表5和表6。

表5手工电弧焊工艺参数

　　6．3圆管柱对接处间隙大时的处理方法
　　结构吊装至24层柱时，离心铸钢柱换成焊接圆管柱。此时正值调整柱标高，发现其中有两根柱间隙在19-21mm。经监理工程师同意，采用手工电弧焊增加焊肉再正式施焊的方法。圆管柱的接头见图9。
　　焊接前应将焊缝坡口周围的铁锈、油污、氧化皮、杂物清理干净。用气焊烤枪在坡口两侧100mm范围内加热，加热至50-800C时再一次清除杂物。
　　由一名焊工在下柱顶板上堆焊一层三道焊缝，焊脚高一般控制在4mm以内，接着堆焊二层焊缝直至焊到离坡口垫板lmm处，由监理工程师检查合格后，进行封焊坡口，接着按圆管柱正常焊接方法施焊(图9)。



　　7焊缝质量管理措施
　　高层建筑钢结构安装焊接质量主要包括焊接接头质量和钢构架的尺寸精度，其质量控制是一项综合技术。焊接质量受材料性能、工艺方法、设备、工艺参数、气候和焊工技术及情绪的影响。安装尺寸精度的影响因素则有安装方法、顺序、设备仪器、构件制作、构件自重、焊接变形、气候光照等，因而必须各个环节紧密配合，并以完善的制度和组织作保证，做好质量管理工作。
　　施工人员在施工前应认真熟悉图纸，以便及时发现施工中出现的问题。本工程中，柱子、梁、衍架型号多，又分不同材质，使用前应特别注意。为了加强管理，制定了焊接质量管理保证体系。首层柱焊接时，由于板厚、自重大，在安装三节间的柱、梁完成后，从中间柱、梁开始焊接，焊接前重新测量偏差，根据偏差制订焊接顺序。 
　　现场专业人员要按管理制度施工，对施工人员进行技术交底，并编制焊接工艺卡，便于每个焊接人员明确操作要领，以及材料的使用和质量要求，严格按预定的工艺施工焊接。每焊完一道焊缝都应清理，有缺陷的铲磨，这样才能保证整个焊接接头质量。施工中认真执行三检制，焊工应做好焊前和焊接中的记录，专职人员检查时应逐条焊缝检查验收，作好记录，经超声波检测人员检验合格后填写评定表。
　　上海浦东国际金融大厦钢结构工程从1997年5月22日至1998年6月8日，共施焊7563条焊缝，其中I级焊缝7426条，占98．18％；II级焊缝138条，占1．82%；III级焊缝34条，占0．45％，经返修有32条达到I级焊缝，2条达到II级焊缝。