工艺工法qc钢结构异型构件焊接施工工法(附图较多国企编制)

'钢结构异型构件焊接工法工法编号：ZJ1GF-***-2009编制单位：xx集团建设发展有限公司主要执笔人：1前言随着钢结构在建筑结构形式中逐渐占据主体位置，为了实现建筑物的使用功能、结构安全性能、外观造型等多方面的需求，当传统的H型、箱型钢梁钢柱已经不能满足这些要求，钢结构的形式也向多样化发展，一些异型截面钢构件、复杂的桁架类构件逐渐用于一些大型的工程中，而其焊接技术就成为建筑形式及使用功能实现、结构安全性得以保证的关键技术。xx三期主塔楼结构为钢结构工程，其用钢量约5.5万t，地下3层，地上74层。整体结构采用巨型柱、钢板剪力墙、异型钢构件以及腰桁架、伸臂桁架组合而成，截面类型复杂，斜撑腰桁架焊接种类繁多，焊接难度及焊接量相当大。xx集团建设发展有限公司通过对焊接工艺研究，解决了巨形截面柱、钢板墙超长焊缝焊接、各个斜向位置焊接、厚板负温度焊接以及伸臂桁架焊接等难题，获得了较高的焊接质量，并总结形成本工法。2特点2.0.1对于复杂的异型截面柱的焊接我们总结出了对称同时焊接、对称轮换焊接、以及焊接补偿加热等方法，达到最终对钢柱以及柱柱间连接板焊接变形起到有效的控制作用；在没有现成的经验可以借鉴的情况下，我们深入分析研究，在采用上述焊接方法及补偿加热方法的同时，通过有效的测量检验方法证实，此工法对异型截面柱的焊接施工变形控制起到有效的控制作用。2.0.2钢柱焊接作业点多而复杂，焊接位置困难，焊接过程长，其焊接变形控制也是本工法的特点；2.0.3合理的确定异型钢结构、超高层钢结构的后焊接固定构件，如伸臂桁架的焊接时间以减小压缩沉降差异对伸臂桁架焊缝内应力的影响。2.0.4焊接施工跨越整个冬季，能较好地对于冬季特厚板焊接裂纹等缺陷进行有效控制也是本工法的特点。3适用范围14 适用于异型、厚板、复杂钢结构构件的焊接施工。4工艺原理依据钢结构的结构特点，在焊接工艺中应依据有效的控制焊接过程中应力及变形原理，合理控制钢构件各个面的收缩量，减小截面焊接变形收缩差异与焊接应力，提高焊接效率、控制焊接变形。在面对焊接工程量较大的异型钢结构焊接作业以及可能出现低温焊接作业等情况，我们通过对焊接工艺的研究，依据现场实际情况，选择合理的焊接工艺，确定合理焊工数量、焊接位置、焊接顺序及焊接节点的坡口形式，进而缩短焊接时间，保证加热、焊接的高效率和温度控制得准确性，有效的对焊接过程中的应力及变形控制，为确保异型钢结构整体的焊接质量，最大限度的避免由截面不对称而产生的焊接变形。在实际操作中，针对桁架柱柱间的斜撑连接的结构特点，以及焊接操作空间不足的特殊位置，通过调整焊枪角度、严格控制焊接工艺、保证焊接速度，保证了腰桁架及斜向位置的焊接质量。5工艺流程及操作要点异型截面柱焊接5.1超高层钢结构焊接工艺流程钢梁焊接钢板墙焊接节点优化设计焊接方案确定斜撑及倾斜钢柱焊接伸臂桁架焊接大焊接量解决措施5.2施工操作要点5.2.1焊接方案确定1．大的钢柱宜采用多名焊工采用同时对称的焊接，该焊接方法能够保证厚板钢柱各个面同时收缩，在减小了各个截面焊接变形收缩差异的同时，也为各个焊接面焊接应力的有效释放提供了条件，减小了焊接应力，从而有效的控制了钢柱焊接变形。2．超长的钢板墙立缝及横缝焊接，现场宜采用分段倒退的焊接方法以减小焊缝内应力。3．斜撑及倾斜钢柱多为斜立和斜仰位置焊接，需要在工程开工之前组织焊工进行培训，以14 便总结出了较成熟的焊接工艺，通过培训及附加考试挑选一批掌握了斜立、斜仰焊接技术的焊工，并将焊工培训及附加考试成熟的工艺制定成工艺卡。4．对于部分超高层钢结构，如筒中筒结构连接内外筒结构的伸臂桁架，一般分为两部分，即水平方向和斜向伸臂桁架，分别位于核心筒四个角。为了减小核心筒与外框筒压缩沉降不同对结构内力的影响，斜向伸臂桁架安装好后应仅和结构临时铰接连接，而水平伸臂桁架随结构安装顺序进行焊接，斜向伸臂桁架焊接待结构整体安装至顶层以后再进行焊接。5.2.2大焊接量解决措施针对超高层钢结构建筑现场焊接工程量大的特点，可根据工程具体需要，配备足够数量的优秀焊工，在开工之前对现场典型厚板接头焊接进行专项培训，进入现场的焊工对典型节点的焊接必须熟练，且焊接水平稳定，焊接质量高。现场采用CO2气体保护焊接，焊接效率高、焊接变形小。焊前预热和焊后后热保温采用电加热，加热效率高、温度控制准确。采用计算机远程电加热控制，可对复杂截面多点多面同时进行加热，且在焊接过程中自动控制层间温度。5.2.3节点优化设计节点设计采用窄间隙小坡口形式，尽可能的减小焊接热输入量；对于复杂异型截面钢柱除了周边翼缘板以外，其余截面均开双面坡口；改进节点设计在提高焊接效率的同时对焊接变形的控制也能起到有效的控制作用。14 说明：1.图中阴影部分所示为开双面坡口的位置，其余位置为单面坡口；2.箭头所指的单面坡口为其朝向；3.箭头所指的双面坡口为t/3板厚的一侧；图5.2.3-１坡口位置示意图图5.2.3-2单双面坡口形式示意图5.2.4异型截面柱焊接超高层钢结构的异型截面柱工程量大，且截面复杂巨大、焊接位置困难，焊接变形不易控制。在焊接过程中，宜采用对称同时焊接、对称轮换焊接、以及补偿加热等方法，并通过有效的测量检验方法进行监测，以实现钢柱以及柱住间连接板焊接变形控制。1．多人同时对称焊接：焊接时对钢柱对称位置分别安排两名焊工同时作业或由一名焊工轮换作业，焊接前给焊工严格规定焊接步骤和焊接方向，保证焊工的同步协调作业，具体的焊接顺序见图5.2.4-1。开始焊接时首先焊接各部分最外侧翼缘板，当翼缘板焊接1/3板厚以后每名焊工根据焊接顺序号的规定转至另一个面进行焊接，同样，当每名焊工第2步焊接至1/3板厚以后转至第3步焊接，如此反复每名焊工完成自己的焊接任务。当双面坡口的一侧焊接至t/3（t为翼缘板厚）之后再进行反面清根打磨，之后再开始进行双面坡口另一面焊接。反面清根后需要进行仔细检查，确认没有可见缺陷后才能正式焊接。为了保证钢柱各个面焊接的同步，焊接量少的焊工应该适当降低焊接速度保持与焊接量多的焊工同步，以确保各个焊接面焊接速度基本相同。14 说明：1).图中‘1-1’第一个数字表示焊工编号，第二个数字表示焊接顺序编号；2).焊接顺序编号相同的位置表示同时进行焊接；3).图中阴影部分表示开双面坡口的位置；4).根据焊接顺序的需要，由焊接量少的焊工负责清根工作，要求14名焊工的焊接速度基本保持同步；5).图中的箭头表示焊工的焊接方向；图5.2.4-1异型截面柱焊接顺序图2．对称轮换焊接：如5.2.4-1所示，为了防止10、11、12、13号焊工在焊接过程中的焊接弧光影响焊工正常作业以及多名焊工在钢柱一侧焊接引起柱身发生偏斜，要求10-13号焊工对称轮换焊接，即焊工不能同时在钢柱的一侧焊接，焊工需在钢柱的两侧对称轮换焊接，而在钢柱一侧的焊工应相互错开焊接时间。该焊接方法能有效地控制焊接层间温度，又能控制焊接变形。3．柱柱之间连接板焊接：受到运输条件及塔吊起重量等因素的限制，在核心筒钢柱中，某些钢柱可分为两个单柱，两根单柱之间采用钢板进行连接，连接位置如图5.2.5-1所示，两个单柱之间用连接板连接，其中连接板一侧在加工厂焊接完成，另一侧在现场焊接。为了防止柱柱以钢板连接时，连接板单侧焊接收缩变形造成柱子内侧倾斜，根据钢柱的截面形式及板厚分析，通过对钢柱竖向连接板位置以及两根柱间距进行分析计算，将钢柱在校证时向外侧（焊接收缩相反方向）偏移一定距离。通过焊接过程的监控和焊后测量，钢柱焊后的垂直度可满足规范及设计要求。14 图5.2.4-2柱柱连接板示意及补偿加热区域图此外，因竖向连接板一侧在工厂焊接完成，另一侧在现场焊接，厚板超长焊缝焊接易造成另一恻工厂焊缝内应力集中甚至出现撕裂的现象。因此在现场焊接的过程中采用补偿加热的方法进行施工。补偿加热即除了焊接过程中对连接板本身加热以外，还需要对连接板两侧的柱身连接板对应的位置进行加热，且补偿加热的区域不小于300mm。具体加热示意如图5.2.4-2所示。4．焊接过程监测：为了更有效的监控钢柱焊接变形，在焊接首根钢柱过程中用经纬仪对钢柱进行双向垂直度的实时跟踪测量，如果发现钢柱出现过度偏斜，应随时调整焊接顺序或在变形部位的另一侧增加焊接量予以纠正变形，具体测量示意如图5.2.4-3所示。经纬仪1经纬仪2图5.2.4-3焊接过程监测5.2.5钢梁焊接在现场焊接时首先焊接顶层钢梁，在保证其形成稳定的框架体系之后再进行钢柱对接焊接，具体的焊接步骤如图5.2.5-1所示。14 第二步：钢柱对接焊接第三步：底层钢梁焊接第一步：顶层钢梁焊接第四步：中间层钢梁焊结图5.2.5-1柱梁对接焊接示意图5.2.6钢板墙焊接在超高层钢结构建筑中，为增加结构稳定性，在底层核心筒内柱柱之间会设置大量钢板墙连接。钢板墙分为单钢板墙和双钢板墙，单钢板墙连接采用高强度螺栓连接，双钢板墙连接采用焊接连接。对于超长钢板墙采取分批分段焊接易造成钢板墙扭转且焊缝内应力较大，现场采用多人同时对称分段倒退的焊接方法，不仅可以提高焊接速度，而且可以有效控制焊接变形。分段倒退法焊接即对超长焊缝分为1.0m～1.5m的若干段，对于所有的焊缝采用多名焊工同时对称的方法进行焊接，在每名焊工焊接的区域内采用分段倒退的焊接方法，且双钢板墙两侧的焊缝同时进行焊接。14 钢板墙焊接示意图焊接顺序说明为了有效的控制其焊缝内应力和焊接变形，如图所示，将整条的双钢板墙焊缝共分为若干段，每段1.5米，每段焊缝由1名焊工进行焊接作业，钢板墙两侧焊工同时进行钢板墙焊接作业。在每一名焊工焊接的范围内采取分段倒退的焊接顺序，即将每个焊工将自己的焊接区域划分为3段，采取先焊焊缝的上半段，后焊下半段的焊接顺序，如图中节点所示，图中的箭头表示焊接方向。图5.2.6-1钢板墙分段倒退的焊接方法5.2.7斜撑及倾斜钢柱焊接针对柱柱之间的斜撑连接，设计时将该位置坡口朝向斜撑外侧，该位置的焊接则为斜仰焊。每道腰桁架柱柱对接的位置为斜横焊。针对这些特殊位置的焊接，需在总结了焊工考试及工艺评定的基础上，根据焊工大多自左向右焊接的操作习惯。通过研究分析，如果将焊枪与焊接面沿焊道方向及垂直于焊道方向均控制在850～900，能增加焊接熔池在焊道内的附着能力，减少焊道内未熔合及夹渣等缺陷，获得较高的焊接质量。且对于斜向位置的焊接采用焊缝成形更好的TWE-711药芯焊丝。在焊接过程中制定更为严格的焊接工艺，保持中速焊接，并通过焊后无损检测焊接质量。5.2.8伸臂桁架焊接伸臂桁架箱形接头焊缝数量多，钢板厚，在节点设计中将箱形梁的下翼缘设置为平焊，在箱形梁的上翼缘增加了盖板。因桁架腹板厚度较厚，为了防止腹板焊接时造成翼缘与腹板T形焊缝撕裂，在箱形梁腹板与翼缘板接头位置预留500mm焊缝在现场焊接。图5.2.8-1所示的焊缝数字表示焊接顺序，而图中1和1’、3和3’、5和5’需要同时进行焊接，其中箱形梁上盖板由一名焊工进行轮换焊接可有效的防止出现翘曲变形。图示中的6号零件为临时销轴连接结构，在结构封顶之后开始焊接斜向伸臂桁架，在焊接之前需要先去掉6号零件，之后再进行焊接。14 图5.2.8-1连接节点焊接顺序图伸臂桁架做为结构焊接重要的一部分，采用推迟焊接方法很好的消减了外框筒和核心筒压缩沉降不同对焊缝内应力过于集中的现象；对称同时的焊接方法有效的保证了箱形节点的焊接质量。6材料与设备6.1材料序号材料名称材质规格/厚度备注1钢板Q345GJC90核心筒柱2钢板Q345GJD75外框腰桁架3钢板Q345GJD65外框腰桁架4钢板Q345GJD50外框腰桁架6.2机械设备焊机，远程计算机加热控制系统，经纬仪，测温计，钢尺。7质量控制7.1主要标准规范规程《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）7.2有针对性的焊工附加考试针对结构形式及节点形式复杂、焊接量大、焊接要求高的特点，14 选拔技术过硬的焊工，凡参与制作的焊工必须通过针对工程设置的焊工附加考试。在对于钢结构现场焊工操作水平情况和现场实际情况分析之后，在钢结构正式施工之前，需对工程中的十字接头狭小空间焊接、厚钢板双面坡口清根、斜立斜仰等特殊节点的焊接进行专项培训，并进行相应的附加考试，以保证工程斜向位置及特殊节点的焊接质量。7.3焊接过程测量7.3.1钢柱垂直度监测为了更有效的监控钢柱焊接变形，在焊接首根钢柱过程中用经纬仪对钢柱进行双向垂直度的实时跟踪测量，如果发现钢柱出现过度偏斜，应随时调整焊接顺序或在变形部位的另一侧增加焊接量予以纠正变形。在实际的焊接过程中，焊后钢柱的垂直度控制在5mm之内，满足设计及规范要求。7.3.2钢柱焊接收缩量的测量因超高层建筑因钢柱板厚、钢柱分节多的特点，其钢柱焊接收缩量对结构标高控制有一定影响，因此需根据工程的实际情况，结合《高层民用建筑钢结构技术规程》中关于钢柱焊接收缩的参考数值，在结构焊接的过程中调整钢柱标高以满足结构总体标高要求。7.4焊接质量保证措施序号质量控制要点/项目质量保证措施1焊接准备a.进行焊接工艺评定和焊工附加考试。b.焊工必须持证上岗，检查焊工合格证及其认可范围、有效期。c.检查接头坡口角度、钝边、间隙及错口量，均应符合要求。d.装焊垫板或引弧板，其表面应清洁，要求与坡口相同，垫板与母材应贴紧，引弧板与母材焊接应牢固。2焊接材料a.检查焊接材料的质量合格证明、中文标志及检验报告等是否符合现行国家产品标准和设计要求。b.检查复验报告。c.检查焊条是否按规定进行烘干、保温，焊条的外观是否完好，焊丝有没有破损、污染弯折或紊乱，如果有，应废弃。3焊前预热检查预热温度是否达到要求。4焊缝后热检查后热时间、温度。5焊后保温检查保温被的厚度，保温被是否绑扎紧，是否符合焊后保温的要求。6焊缝检查同工厂制作焊缝检查14 7焊接顺序a.为了防止焊接引起的偏移，采用对称焊接。b.如果是大面积的网格焊接，不但采用对称焊接，而且采用由中间向四周焊接的顺序。8焊缝无损检测a.无损检测须在焊接完成24小时后进行检测。b.焊缝外观检查：应按JGJ81-2002或GB50205-2001的要求，所有焊缝冷却到环境温度后进行外观检查。c.无损检测在外观检查后进行，一级焊缝应进行100％无损检测；二级焊缝应进行抽检，抽检比例不小于20％；全焊透的三级焊缝可不进行无损检测。d.对于外观检查发现有可疑缺陷的部位采用磁粉检测。9层状撕裂的无损检测为了严格控制钢板焊接过程中的层状撕裂的出现，在焊缝超声波检测的过程中增加钢板反面的探伤检测，对于T型全熔透焊缝增加钢板反面的无损检测，以严格控制层状裂纹的出现。现场施工如果因为施工位置困难无法进行反面检测的部位应该采用单面双侧的检查方法。层状撕裂检测在焊接完成之48小时之后进行。10磁粉检测（1）检测之前必须完全清除检测区域表面上所有粘附的锈、污垢、油质、涂料飞溅物及焊渣等。（2）当使用荧光磁粉时，不能在明亮场所进行作业，检测部位可见光的照度应低于50LX。7.5冬季焊接质量控制措施冬季焊接需重点加强焊前预热和焊后后热保温措施。首先是搭设双层保温棚并带棚顶，以保证其棚内的焊接环境温度高于500C，同时将焊后后热的温度提高500C14 ，并严格控制焊后保温时间。焊前预热和焊后后热保温采用远程红外计算机控制，保证温度控制准确，后热后的焊缝缓冷至环境温度。8安全措施8.0.1电焊几外壳，必须接地良好，其电源的装拆应由电工进行；8.0.2焊钳与把线必须绝缘良好，连接牢固，要换焊条应戴手套，在潮湿地点工作应站在绝缘胶板或木板上；8.0.3焊接预热工作时，应有湿棉布或挡板等隔热措施；8.0.4把线、地线、禁止与钢丝绳接触，更不得用钢丝绳或机电设备代替零线，所有地线接头，必须连接牢固；8.0.5更换场地移动把线时，应切断电源，并不得手持把线爬梯登高；8.0.6清除焊渣，采用电弧气刨清根、磨削钍钨极时，必须戴手套、口罩，并将粉尘及时排除；8.0.7雷雨时，应停止露天焊接作业；8.0.8施焊场地周围应清除易燃易爆物品，或进行覆盖、隔离；8.0.9必须在易燃易爆气体或液体扩散区施焊时，应经有关部门验试散区施焊时，应经有关部门验试许可后，方可施焊。8.0.10严禁在起吊部件的过程中，边吊边焊；8.0.11焊接时需确保个人安全防护到位；8.0.12作业完毕必须及时切断电源锁好开关箱。9环保措施9.0.1零星建筑垃圾袋装化，及时清运出现场；用密封式圈筒稳妥下卸建筑物内垃圾，严禁向外抛掷。9.0.2焊接场地无焊条或焊条头。焊接设备尽量集中布置，统一布线，完工后焊接线、氧气、乙炔皮带全部收回。9.0.3施工用电源要集中布置统一接线，标志清楚，明确责任人，定期检查维护。9.0.4施工机械要进行定期检查与保养，安全制动装置必须完善，由主管部门进行定期检验和试验合格后，发放合格证。及时消除故障，严禁带病运行。9.0.5不准随意在结构、墙板、楼板上开孔或焊接临时结构，必要时要取得主管技术人员的认可，办理有关手续并出具书面通知后方可实施。14 10效益分析在通过对超高层复杂异型钢结构的焊接技术以及变形控制，可以确保施工质量，提升钢结构安装精度，实现建筑结构的安全性、使用性、稳定型，对加快钢结构施工进度，控制工程整体工期有着很大的意义。本工法通过对焊接工艺的优化，焊接顺序的改进，以及准确控制焊接前预热焊接后保温，可有效节省人工，对整体工程施工成本有效降低，同时解决了冬季厚板负温焊接难题，可大大节省工期。采用本工法进行钢结构焊接施工，大大增加了钢结构焊接的一次合格率，减少了由焊接应力变形控制不当而可能产生返工，更杜绝了由于焊接方法不当而产生浪费原材或额外增加材料的可能。在节省人工的同时也减少了施工成本，为施工各方及业主节约工期成本，能够为工程提供不菲的经济效益。11应用实例xx三期主塔楼结构为钢结构工程，用钢量约5.5万t，地下3层，地上74层。主塔楼核心筒为型钢混凝土钢板墙支撑结构，型钢巨形柱与实腹式工字型钢梁及支撑形成支撑框架，核心筒钢柱截面由多个工字形、箱形、T形及其它形状组成的复杂异型截面柱，所用钢材均为Q345C和Q345GJC，钢板厚度达90mm。外框筒形状为平面削角正方形，共设四道腰桁架，在28～29层以及54～55层腰桁架顶和底分别与核心筒有8道和16道伸臂桁架相连，伸臂桁架为箱形截面，腰桁架的斜杆及所有的框架梁均为H型钢及箱形截面，钢材材质为Q345C和Q345GJC；伸臂桁架和腰桁架所用材质为Q345GJD。40mm以上钢板有Z向性能要求。腰桁架钢柱斜撑多为斜向连接，倾斜钢柱板最厚为75mm。本工程的焊缝总长度达23762m，共计59405条焊缝，药芯焊丝实芯焊丝共用了410多t。在本工程焊接过程中，我们在总结了以往焊接经验的基础上，对于新的节点形式尽可能在施工之前进行焊接工艺评定、焊接试验及焊工附加考试，使得整个现场的焊接工程是在实验基础上进行，保证了现场焊接质量，焊缝一次自检合格达97%以上，获得了施工各方的好评。在本工程中采用此钢结构焊接工法所带来的成本控制，人工节省及工期成本的节约，为本项目所带来的经济效益约为200万元。在xx三期A阶段主塔楼焊接工程中，通过我们开拓创新、积极进取，成功的解决了巨形截面柱焊接变形控制、超长钢板墙焊接变形控制、斜立斜仰焊接工艺、厚板的斜横焊接工艺等技术难点，获得了较高的焊接质量，为国内同类型的超高层钢结构焊接积累了经验，对于具备条件的位置在焊接过程中积累了部分实验数据，为提高国内同类型超高层钢结构焊接水平提供了帮助。14 69~74帽桁架11-2双钢板墙位置示意图图11-1腰桁架及伸臂桁架示意图11-3远程计算机加热控制系统11-4腰桁架及斜立焊焊接完成后外观11-5伸臂桁架绞接连接示意图14'