大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.項(xiàng)目背景

鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中的低溫焊接技術(shù)歷來(lái)是學(xué)術(shù)界、項(xiàng)目界共同關(guān)注的課題。尤其是在近年來(lái)國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的飛速開(kāi)展和大量應(yīng)用下，鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的施工被提到了相當(dāng)高的位置，引起了各方面的高度關(guān)注。國(guó)內(nèi)各大鋼結(jié)構(gòu)施工企業(yè)、各大科研院所都投入了相當(dāng)大的人力、物力資源研究、解決低溫環(huán)境下施工技術(shù)尤其是對(duì)焊接質(zhì)量所造成的直接影響。在國(guó)內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)展過(guò)程中，因?yàn)楹附淤|(zhì)量控制不好所造成的焊接質(zhì)量的下降甚至造成不平安隱患，甚至是因此所引起的平安事故不斷發(fā)生，而由于環(huán)境所引起的焊接質(zhì)量缺陷又是相當(dāng)重要的一個(gè)方面。因此，國(guó)外內(nèi)在此領(lǐng)域內(nèi)的研究、試驗(yàn)力度不斷加強(qiáng)。下面以大連期貨大廈鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，對(duì)低溫環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

大連期貨大廈位于大連市沙河口區(qū)，主體結(jié)構(gòu)為242.8m高的超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，項(xiàng)目總建筑面積為13.15萬(wàn)平方米，是目前東北地區(qū)已建成的結(jié)構(gòu)最高的甲級(jí)寫(xiě)字樓。由于本項(xiàng)目地處渤海灣，受陸地氣候和熱帶海洋氣候的綜合影響較為嚴(yán)重。根據(jù)大連市長(zhǎng)年氣象預(yù)報(bào)，大連市每年11月底至第二年3月15日為冬季施工期，其中11月底至12月31日為初冬期，該期間平均氣溫在-5℃~+5℃之間，極端最低溫度為-13℃；1月1日~2月底為寒冬期，平均氣溫為《5℃~-10℃之間，極端氣溫為-19℃，該期間為冬施最不利時(shí)期；3月1日~3月15日為冬末期，平均氣溫在-5℃~+8℃之間，極端最低溫度為-15℃，主要受北風(fēng)寒流影響，會(huì)出現(xiàn)溫差較大的特殊時(shí)段。而自2022年9月份至2022年6月份為大連期貨主體結(jié)構(gòu)施工階段，鋼結(jié)構(gòu)安裝貫通了整個(gè)低溫的冬季時(shí)段。

本項(xiàng)目塔樓由鋼筋混凝土筒體和鋼結(jié)構(gòu)外框架組成，橫剖面為44.55m×44.55m的正方形，外框結(jié)構(gòu)共設(shè)置42根由口1000×600×30×30、口800×600×30×30、口900×600×24×24、□600×600×24×24等多種截面規(guī)格組成的箱型鋼柱，單根鋼柱最重11.3噸；核芯筒混凝土內(nèi)設(shè)12根H型鋼勁性鋼骨柱，為H750×400×16×16、H400×400×16×16、H250×250×12×12、H300×300×14×14、600×250×20×20；采用Q345和Q235材質(zhì)組成H型鋼梁主要分為下列幾種規(guī)格：H800×300×14×18、H1000×300×18×20、H600×350×18×22、H800×200×14×14、H800×300×14×18；鋼柱對(duì)接口采用全熔透焊縫焊接，鋼柱與鋼梁采用單面坡口焊接，所有對(duì)接口焊縫均為一級(jí)熔透焊，現(xiàn)場(chǎng)的焊接量較大。

2.低溫焊接破壞機(jī)理

大量焊接鋼結(jié)構(gòu)失效事故說(shuō)明，低溫是導(dǎo)致脆斷的主要原因，特別是結(jié)構(gòu)中存在著缺陷〔缺口效應(yīng)〕那么脆斷效應(yīng)更嚴(yán)重。當(dāng)溫度低于材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，在遠(yuǎn)小于σs的作用下，鋼材的σs提高并接近于σb，出現(xiàn)完全無(wú)屈服的斷裂。這就是進(jìn)行低溫焊接試驗(yàn)的基本原因。試驗(yàn)結(jié)果給我們帶來(lái)了很多啟示，也我們冬季施工提供了理論依據(jù)和操作指南。很多低溫試驗(yàn)是相當(dāng)成功的，為我們?cè)陧?xiàng)目施工過(guò)程中提供了可靠的理論及技術(shù)支持，為焊接工藝評(píng)定計(jì)劃的編制提供了比擬可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的研究、分析，低溫環(huán)境對(duì)焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷，其脆斷機(jī)理受溫度下降的速率變化而變化，主要?dú)w納為下列幾點(diǎn)：

〔1〕低溫焊接條件下，焊縫的冷卻速度較常溫比擬速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度隨之粗大，因此冷裂紋的敏感性也相應(yīng)增加。

〔2〕在結(jié)構(gòu)拘束度很大的前提下，冷卻速度過(guò)快，極易造成焊縫金屬偏析，在較強(qiáng)的拉應(yīng)力場(chǎng)作用下，在焊縫的偏析處即焊縫中心局部發(fā)生結(jié)晶裂紋，是熱裂紋的一種形式。

〔3〕冷裂紋的延遲效應(yīng)增加，焊縫金屬在冷卻過(guò)程中，游離氫的溶解度降低，冷卻的速度變快，氫透出的時(shí)間變短，因此殘留在金屬的比例增大，使冷裂紋的效應(yīng)增加。延遲效應(yīng)同殘留在金屬中的氫含量成正比。

〔4〕低溫下發(fā)生脆斷的可能性增加，當(dāng)構(gòu)件的工作溫度低于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度的情況下，在拉應(yīng)力和焊接剩余應(yīng)力共同作用下，結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度大幅度的降低，極大可能在遠(yuǎn)低于材料的σs點(diǎn)的外力作用下發(fā)生脆斷。

3.大連期貨大廈低溫焊接措施

由于我國(guó)特殊的地理環(huán)境及近年來(lái)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速開(kāi)展，越來(lái)越多的鋼結(jié)構(gòu)施工尤其是鋼結(jié)構(gòu)焊接都要經(jīng)歷冬季比擬漫長(zhǎng)的低溫焊接過(guò)程。通過(guò)大量的試驗(yàn)和分析、研究，人們逐漸總結(jié)出了一套低溫焊接質(zhì)量控制的要領(lǐng)。首先，為了打消焊接應(yīng)力對(duì)施工質(zhì)量造成的影響，在高層鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，通常情況下都遵循從中心向四周擴(kuò)展，采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱、節(jié)點(diǎn)對(duì)稱的焊接順序。平面上采用從結(jié)構(gòu)中心開(kāi)始向四周對(duì)稱擴(kuò)展焊接，為減小焊接應(yīng)力所造成的損害，同一根構(gòu)件的兩端不得同時(shí)進(jìn)行施焊，不得從結(jié)構(gòu)外圈向中心焊接，并在安裝過(guò)程中預(yù)留焊縫收縮量。

其次，在低溫環(huán)境下進(jìn)行焊接施工時(shí)，不但要有嚴(yán)密的焊接防護(hù)措施，還必須采用焊前大范圍加熱的辦法來(lái)打消不經(jīng)焊前加熱即進(jìn)行焊接時(shí)母材與焊縫區(qū)的強(qiáng)烈溫差，防止造成母材與焊接接頭產(chǎn)生裂紋。焊前嚴(yán)格加熱，施焊過(guò)程中保證持續(xù)、穩(wěn)定并且較高的層間溫度，全過(guò)程地執(zhí)行窄道焊、有規(guī)律地采用左、右交替焊道可以有效的控制焊接裂紋的產(chǎn)生。

根據(jù)以上低溫焊接質(zhì)量控制要領(lǐng)，在大連期貨大廈項(xiàng)目中，采取了如下焊接質(zhì)量保障措施。

1〕鋼柱焊接防護(hù)

焊接鋼柱對(duì)接口時(shí)，在對(duì)接口下設(shè)置全封閉的操作操作平臺(tái)〔詳見(jiàn)圖1、2〕。平臺(tái)底部密鋪腳手板后，采用石棉布鋪墊于腳手板上，以避免焊接火花掉落傷人。操作平臺(tái)四周采用防風(fēng)、防火布搭設(shè)防風(fēng)、雨頂蓬，當(dāng)雨、雪天氣時(shí)，頂蓬與鋼柱連接處使用錫箔膠紙粘貼密實(shí)，避免雨、雪水滲透至焊縫上影響焊縫質(zhì)量。

圖1鋼柱對(duì)接口防風(fēng)棚示意圖

圖2鋼柱對(duì)接口防風(fēng)棚現(xiàn)場(chǎng)照片

2〕鋼梁焊接防護(hù)

在風(fēng)速超過(guò)8m/s，焊接鋼梁節(jié)點(diǎn)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置焊接防風(fēng)、防雨雪、防火花飛濺的部分防風(fēng)罩和防風(fēng)棚。部分防風(fēng)罩用永久磁鐵固定在焊縫兩側(cè)，兩端可設(shè)置端板，以不影響焊接操作為原那么，確定其間距，根據(jù)焊工的實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)整位置〔如圖3所示〕。防風(fēng)棚設(shè)置在頂風(fēng)靠近焊縫的位置，施工人員在另外一側(cè)掛籃內(nèi)進(jìn)行焊接作業(yè)。

圖3防風(fēng)罩示意圖

圖4鋼梁防風(fēng)棚現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置照片

3〕低溫焊接的溫度控制

焊前預(yù)熱：預(yù)熱是避免冷裂紋的有效措施，預(yù)熱的目的主要是為了增加熱循環(huán)的低溫參數(shù)t100，使之有利于氫的充沛擴(kuò)散溢出。預(yù)熱溫度的選擇視施焊環(huán)境溫度、鋼材強(qiáng)度等級(jí)、焊件厚度或坡口形式，焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量等因素而定。預(yù)熱溫度過(guò)高，一方面惡化了施工環(huán)境，另一方面在部分預(yù)熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應(yīng)力，產(chǎn)生冷裂，同時(shí)會(huì)使板狀鐵素體形成，因此不是預(yù)熱溫度越高越好。根據(jù)?建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》中對(duì)于鋼材最低預(yù)熱溫度規(guī)定Q345GJDδ=60mm最低預(yù)熱溫度為80℃，Q345Dδ=20mm可以不預(yù)熱但需要烘干焊接區(qū)域內(nèi)的水分。

大連期貨大廈項(xiàng)目，由于中厚板數(shù)量較少，因此當(dāng)焊接作業(yè)區(qū)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，我們采用氧-乙炔中性火焰對(duì)鋼柱焊接節(jié)點(diǎn)整體加熱，對(duì)鋼梁施焊焊縫加熱，預(yù)熱范圍在焊接坡口兩側(cè)150mm范圍內(nèi)。預(yù)熱時(shí)火焰離鋼板保持大于50mm距離，并來(lái)回移動(dòng)，使鋼板均勻受熱至預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度參見(jiàn)下表1。

表1：焊縫預(yù)熱溫度表〔℃〕

鋼材

牌號(hào)接頭最厚部件的板厚t〔mm〕

≤2525＜t≤4040＜t≤6060＜t≤80t＞80

Q235363680100120

Q3453680100120160

層溫控制：低溫焊接因焊接區(qū)域溫度冷卻失散較常溫快，易產(chǎn)生脆硬組織不利于焊縫質(zhì)量。焊接時(shí)，焊縫間的層間溫度應(yīng)始終控制在90℃~130℃之間，每個(gè)焊接接頭應(yīng)一次性焊完。施焊前，注意收集氣象預(yù)報(bào)資料，預(yù)計(jì)惡劣天氣即將到來(lái)，應(yīng)放棄施焊。假設(shè)焊縫已開(kāi)焊，要搶在惡劣天氣來(lái)臨前至少焊完板厚的1/3方能停焊；且嚴(yán)格做好夠熱處理和防護(hù)措施，當(dāng)重新焊接時(shí)應(yīng)先預(yù)熱后再進(jìn)行焊接，重新焊接預(yù)熱溫度、時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。

表2：焊縫層間溫度控制參數(shù)表〔℃〕

鋼材

牌號(hào)接頭最厚部件的板厚t〔mm〕

40＜t≤6060＜t≤80t＞80

Q345100100～200140～200

焊后熱處理：在負(fù)溫下焊接完成后，在焊縫兩側(cè)150mm范圍內(nèi)用兩把烤槍烘烤來(lái)進(jìn)行焊后熱處理，加熱溫度在180~200℃之間，保持在1小時(shí)左右，加熱后立即采取保溫措施，使焊縫遲緩冷卻至環(huán)境溫度。

焊后緩冷處理：當(dāng)焊接焊縫后熱到達(dá)要求后，采用石棉布加保溫棉雙重多層保溫，需包裹密實(shí)，確定保溫時(shí)間到達(dá)緩冷效果。

4〕遠(yuǎn)紅外預(yù)熱技術(shù)

目前比擬先進(jìn)的預(yù)熱、保溫技術(shù)就是遠(yuǎn)紅外電加熱技術(shù)，由于此技術(shù)采用了較先進(jìn)的電腦控制，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、溫度控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)，因此在近年來(lái)重大項(xiàng)目無(wú)論是制作還是安裝過(guò)程中均得到了比擬廣泛的應(yīng)用。尤其是對(duì)δ≥36mm的焊縫和重要焊接節(jié)點(diǎn)采用電加熱，可以有效的保證焊縫的預(yù)熱〔后熱〕溫度的均勻和準(zhǔn)確性，對(duì)避免焊接裂紋的產(chǎn)生和控制應(yīng)力應(yīng)變起到積極的作用，特別在冬季施工中電加熱起到了不可替代的作用。

圖5電加熱設(shè)置圖

圖6焊后緩冷設(shè)置圖

4.低溫焊接保障制度

1〕焊工在正式焊接前，必須具備個(gè)人防寒用品，包括棉鞋、帽子、護(hù)膝、手套等，必須具備較長(zhǎng)時(shí)間抵制嚴(yán)寒的能力和防滑能力。盡量較少因人為因素對(duì)焊接質(zhì)量造成的影響；

2〕下雪天氣及雪后，進(jìn)行高空焊接作業(yè)，通道應(yīng)設(shè)專人及時(shí)打掃，特別掃除薄冰，以保證焊工的平安通行和保留焊工體力。在施焊前對(duì)焊接區(qū)域必須用氧-乙炔中性火焰進(jìn)行預(yù)熱，打消水汽對(duì)焊接質(zhì)量的影響；

3〕焊機(jī)應(yīng)盡量集中擺放在可移動(dòng)的焊機(jī)防護(hù)棚內(nèi)，防護(hù)棚內(nèi)應(yīng)設(shè)置加熱設(shè)備，使焊機(jī)在正溫狀態(tài)下工作；

4〕使用前，氣瓶應(yīng)盡可能集中寄存，在氣瓶寄存棚應(yīng)設(shè)有加熱裝置，確保氣體隨用隨有。氣瓶在使用時(shí)，應(yīng)放置在焊機(jī)棚內(nèi)，實(shí)現(xiàn)正溫管理，單機(jī)使用時(shí)，氣瓶必須采取加熱保溫措施，采用電熱毯加熱外包巖棉或其它保溫材料進(jìn)行保溫保證液態(tài)氣正常氣化，使愛(ài)護(hù)氣體穩(wěn)定通暢；

5〕冬季施工采用接觸式測(cè)溫儀控制預(yù)熱、后熱及層間溫度，環(huán)境溫度使用普通溫〔濕〕度計(jì)監(jiān)控；

6〕愛(ài)護(hù)氣體應(yīng)使用純度為99.9％的CO2氣體，以保證焊接接頭的抗裂性能；

7〕按要求對(duì)焊條進(jìn)行烘焙、保溫，嚴(yán)格執(zhí)行焊材的使用、管理制度。焊條必須按規(guī)范進(jìn)行烘干，烘干次數(shù)不得超過(guò)2次，在空氣中的暴露時(shí)間不得超過(guò)2小時(shí)；

8〕藥芯焊絲使用過(guò)程中應(yīng)采取防潮措施，焊機(jī)上的焊絲防護(hù)罩必須保持完好，未用完的焊絲應(yīng)及時(shí)送回焊材庫(kù)，避免受潮；

9〕盡量選用國(guó)內(nèi)最新研制的防風(fēng)焊絲，減少空氣流動(dòng)對(duì)焊縫質(zhì)量造成的影響。

5.結(jié)束語(yǔ)

在大連期貨鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的整個(gè)冬季施工過(guò)程中，我們通過(guò)嚴(yán)格按照公司焊接研究所通過(guò)大量的低溫焊接試驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并編制的焊接工藝評(píng)定報(bào)告和低溫焊接技術(shù)規(guī)程組織施工。本項(xiàng)目焊縫總