宁波财富中心超高层钢结构的焊接技术和质量控制

陈雨　徐晨　李红标

摘要： 质量控制从整个项目阶段可分为钢构件制作阶段与现场控制阶段，本文结合宁波财富中心钢结构施工实践，主要介绍了超高层钢结构焊接的施工技术及质量控制要点。

关键词：宁波财富中心；焊接；大型钢结构；质量控制

1、工程简介

宁波，一个发展中港口的城市；宁波财富中心，成为宁波三江口建筑群中单体规模最大、建筑高度最高的建筑，将成为三江口乃至宁波的地标建筑之一。它地处甬江东岸，南邻惊驾路，东衔江东北路，西接滨江大道，与宁波书城比邻，与老外滩、美术馆隔水相望。作为宁波市“中提升”战略重点项目和宁波市重点工程建设项目，宁波财富中心项目总用地面积约2.5万平方米，设计总建筑面积138632平方米，地下3.8万平方米，总层数地上37层、地下2层，建筑高度188米。 同时，幕墙采用单元式幕墙工艺也是宁波首次。在大楼里面，还特别设计了10.5米双层挑高大堂，8部锋速电梯，1500平方米顶层俱乐部。同时，在大楼外部还设置了1071个停车位。钢结构部分合计约10000吨。

焊接质量可以说是钢结构工程质量控制的的重点之一。

2、本工程焊接特点及难点

办公楼结构钢材基本以低合金钢（Q345）为主。该金属在超高层钢结构中应用比较普遍，焊接性能良好。整个结构高度达187米，超高空环境条件下对焊工操作影响很大。高空风速较大，并且贯穿于现场焊接全过程，尤其是对气体保护焊的影响较大。所有结构构件都为倾斜构件，焊接接头基本呈全位置状态，对焊工操作水平要求高。构件截面大。钢管立柱尺寸从Φ1100×28～Φ600×14；桁架构件尺寸从800×300×16×24～650×300×10×16；钢梁最大构件尺寸800×300×14×25。因此，现场焊接量比较大。焊接效率将直接影响到钢结构安装进度，可以说整个工程进度与焊接进度是息息相关。由于结构形式特殊，又呈環闭状，加上安装精度要求高，焊接收缩引起的结构变形不可忽视，必须有针对性的研究和对策措施。

3、宁波气候特点对现场焊接的影响

宁波属于亚热带季风气候，根据宁波市近几年气象资料分析，常年平均气温18.2℃，最热7月平均气温28℃，最冷一月平均气温3.6℃；极端最高气温40.6℃，极端最低气温零下4℃，年平均相对湿度78%。宁波虽近二十五年来未出现十级以上大风，但在多风季节，仍将给结构吊装带来相当的风险。正常年景，3～6月份湿度大且雨量充沛，因此，焊接操作区域的防风、防雨措施至关重要。

4、焊接方法、材料

4.1 焊接方法

本工程现场焊接母材强度等级为Q345B、Q235B。根据现场焊接特点，并结合工程实际，拟采用CO2药心焊丝气体保护焊和焊条手工电弧焊相结合的焊接方法。选用CO2药心焊丝气体保护焊进行焊接，一是熔敷速度高，其熔敷速度为手工焊条的2～3倍，熔敷效率可达90%以上；二是气渣联合保护，电弧稳定、飞溅少、脱渣易、焊道成型美观；第三，对电流、电压的适应范围广，焊接条件设定较为容易。同时由于焊条手工焊简便灵活，适应性强，将作为辅助焊接方法。

4.2 焊接材料

4.2.1 焊接材料选用。焊接材料采用氢含量较低的焊材。焊接材料的选用原则与母材强度等强。焊条选用：Q235——E4327（J427）；Q345——E5015（J507）；

焊丝选用：TWE-711（药心焊丝Φ1.2）（天泰）（针对Q345），保护气体为CO2，纯度99.98%（露点≤-40℃）。

4.2.2焊材复验。对所有应用于本工程的焊接材料按生产批号进行成分、性能的复验，复验到由国家技术质量监督部门认可的质量监督检测机构进行。

4.2.3焊材管理。焊材须有质保书，应该按类别、牌号、规格、批号等分类堆放，并有明确标志。堆放场地应保持通风、干燥。

4.2.4焊材使用。焊条按使用说明书进行烘焙、保温，并做好烘焙记录。

焊工领用焊条时，须存放在保温筒内，且每次焊条不得超过4小时的使用量。超过4小时，应重新烘焙。焊条重复烘干次数不宜超过2次；严禁使用受潮焊条。

药心焊丝启封后，应尽快用完，不得超过两天时间。当天多余焊丝应用薄膜封包，存放在室内。

二氧化碳气瓶必须装有预热干燥器。

4.3、焊工资质要求

焊工应具有相应的合格证书，包括ZC、AWS所颁发资格证书，并在有效期内。焊工应具备全位置焊接水平。严禁无证上岗，或者低级别焊高级别。

由于工程结构高度高，在超高空环境下，对焊工的素质提出了更高的要求。所以还必须针对性进行高空焊接培训，从而适应现场环境需要，提高焊接质量。

4.4焊接工艺措施

采用多层多道焊，控制层间温度不低于预热温度，但不宜超过150℃。采用直流反接（DC+）。焊丝伸出长度控制在20mm左右。保护气体流量20～25L/min。焊条打底焊使用不大于Φ4mm的焊条，根部焊道厚度不超过6mm。焊缝构成由坡口面到中间。

4.5焊接工艺评定

在工程正式施焊前，根据不同的焊接方法、焊接材料、焊接位置、预热要求以及坡口类型等等，按照JGJ81-2002进行工艺评定试验，确定合适的焊接参数，作为焊接工艺规程的依据。制定出具体的焊接工艺规程后，将要求焊工严格执行，不得随意改变工艺参数。

4.6焊前准备

焊接区操作脚手平台搭设良好，保证安全的前提下平台高度及宽度应有利于焊工操作舒适、方便，并应有防风措施。由于CO2气体保护焊焊枪线较短，考虑将焊机及送丝机置于操作平台上。操作平台是针对钢管柱、桁架、隅撑节点焊接而专门设计。焊工配置一些必要的工具，比如：凿子、榔头、刷子以及砂轮机等。焊把线应绝缘良好，如有破损处要用绝缘布包裹好，以免拖拉焊把线时与母材打火。焊接设备应接线正确、调试好，正式焊接前宜先进行试焊，将电压、电流调至合适的范围。检查坡口装配质量。应去除坡口区域的氧化皮、水份、油污等影响焊缝质量的杂质。如坡口用氧-乙炔切割过，还应用砂轮机进行打磨至露出金属光泽。

4.7 焊接预热

预热是防止低合金高强钢焊接氢致裂纹的有效措施，可以控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区（HAZ）中淬硬马氏体的产生，降低HAZ硬度，同时还可以降低焊接应力，并有助于氢的逸出。预热温度的确定与钢材材质、板厚、接头形式、环境温度、焊接材料的含氢量以及拘束度都有关系。宁波当地的温度对于焊接温度的保持是比较好的，根据母材性能结合我们以往在宁波一些工程的施工经验，对于Q345钢材，40～50mm的板厚，预热温度80～100℃左右。预热主要采用电加热和氧—乙炔火焰加热方法，预热范围为坡口及坡口两侧不小于板厚的1.5倍宽度，且不小于100mm。测温点应距焊接点各方向上不小于焊件的最大厚度值，但不得小于75mm处。

4.8 焊接顺序

①构件接头的现场焊接，应符合下列要求：完成安装流水区段内的主要构件的安装、校正、固定；确定构件接头的焊接顺序，绘制构件焊接顺序图按规定顺序进行现场焊接。②接头的焊接顺序，平面上应从中部对称地向四周扩展，竖向可采取有利于工序协调、方便施工、保证焊接质量的顺序。③构件的焊接顺序图应根据接头的焊接顺序绘制，并应列出顺序编号，注明焊接工艺参数。多层梁焊接应遵守先焊顶层梁、后焊底层梁，再焊次顶层梁、次层梁，柱对接焊缝可先焊亦可后焊：

5、焊接变形及应力控制

5.1、焊接变形控制

5.1.1 焊接变形的种类。根据变形后的外观形状可将钢结构焊接变形分为横向变形、角变形、挠曲变形等，造成变形的原因有焊接方法、工艺手段等，其中最常见的变形有横向、纵向挠曲以及角变形等。

5.1.2 焊接变形的原因分析。根据不同类型的焊接变形，可将原因概况为以下两个主要方面：第一、由于温度应力造成不均膨胀而形成的变形，这是由于在焊接过程中构件受热不均匀造成的；第二、由于残余应力而产生的变形，当构件受热不均引起的温度。应力使构件产生塑性变形而在温度逐渐恢复到室内温度的过程中会产生新的内应力，使构件发生变形。

5.1.3焊接变形的控制策略。根据焊接变形的原因分析：我们可以有重点的对焊接过程加以控制，从而将变形收缩量控制针对焊接过程中焊接变形的最小范围内。通过选择合理的焊接方式来加以控制。

在本工程中，焊接变形控制的关键是核心筒环梁焊接后的收缩引起整个环向内收缩，致使平面尺寸超过设计值；外围钢管柱的接头焊接收缩引起的竖直方向的结构变形。焊接变形控制是一个综合控制过程，与整个结构安装顺序、测量控制、焊接工艺措施都紧密相关。

5.2 焊接应力控制

采用合适的焊接坡口，减少焊接填充量；构件安装时不得强行装配，致使产生初始装配应力；采用合理的焊接顺序，对称焊、分段焊；先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头，在尽可能小的约束下焊接；预先合理设置收缩余量；同一构件两端不同时焊接；保证预热，对层间温度的有效控制，降低焊接接头的约束度，减少焊接热影响区范围，可降低焊接接头的焊接残余应力；采取高效的CO2焊接方法，可减少焊接道数，降低焊接变形和残余应力；通过有效的工艺和焊接控制，防止或降低焊接接头的返修，可避免焊接接头应力增加；采取焊后缓冷或后热，使接头在冷却时能有足够塑性和宽度均匀消除焊接收缩，降低残余应力峰值和平均值，达到降低焊接残余应力的目的。必要时采用烘烤和超声波震动的方法进一步达到消减残余应力的目的。

6、焊接质量检查及缺陷返修

6.1 焊接质量检查

焊接质量检查包括外观和无损检测，外观检查按照JGJ81-2002规范执行。无损检测（UT）按照GB11345和设计文件执行，一级焊缝100%检验，二级焊缝抽检比例根据设计和规范规定，并且在焊后24小时检测。对UT检测有疑问，在有条件的地方辅以RT检测。

6.2 焊接缺陷返修

焊缝表面的气孔、夹渣用碳刨清除后重焊。母材上若产生弧斑，则要用砂轮机打磨后，必要时进行磁粉检查。焊缝内部的缺陷，根据UT对缺陷的定位，用碳刨清除。对裂纹，碳刨区域两端要向外延伸至各50mm的焊缝金属。返修焊接时，对于厚板，必须按原有工艺进行预热、后热处理。预热温度应在前面基础上提高20℃。焊缝同一部位的返修不宜超过两次。如若超过两次，则要制定专门的返修工艺并报请监理工程师批准。

7、焊接操作注意事项

7.1 防风措施

焊接作业区风速：手工电弧焊时不得超过8m/s，CO2气体保护焊不得超过2m/s，否则应采取防风措施。利用焊接操作平台，将平台做成基本封闭状态，就能有效防止大风对焊接的影响。在操作防护栏四周用阻燃型材料封闭，防雨、防风。

7.2 防雨、防湿措施

焊接需要连续施焊，而宁波天气多变，如又适逢雨季，必将影响焊接施工。为此，我们采取专门防雨措施。由于操作平台做成全封闭，这样，焊接点可避免直接淋雨。但雨水可顺着管子流淌进焊接区，造成焊接区淬火。我们在焊接区上方做一个防雨棚，围绕管子最上部四周采用防水材料堵住，使雨水不致流淌下去。寧波地区春夏季节湿度较大，而湿度大于85%时，焊接易产生连续气孔等缺陷。故在密封条件较好的部位如操作平台处，采取局部除湿措施，以保证顺利施焊。

8 结语

以上对高层钢结构焊接技术和质量控制的讨论，目的是结合本工程实际情况为其他类似的工程钢结构施工和监理单位能够提供参考，从中受到启发，从而不断提高钢结构施工质量。

参考文献：

1、中华人民共和国国家标准 《钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001》 中国计划出版社

2、中华人民共和国国家标准 《钢结构焊接规范 GB50661-2011》 中国建筑工业出版社

3、宁波财富中心钢结构工程施工组织设计