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钢结构主楼核心筒钢板剪力墙焊接关键技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:1-中国工程建设焊接协会;2-浙江精工钢结构(集团)有限公司   作者:/戴为志1 王 垒2
建筑钢结构超高层建筑钢板剪力墙焊接工程,是行业一大难题:由于超高层建筑钢板剪力墙结构刚性约束大,焊缝所受到的拘束应力很大,在焊接过程中容易形成裂纹或者产生很大的形变,所以在焊接界对钢板剪力墙的评价是:“非变即裂”。钢板剪力墙焊接技术较复杂,目前掌握该项技术实质的单位和个人并不多。本文用实际工程的第一手资料,介绍了焊接钢板剪力墙的焊接关键技术。
       建筑钢结构超高层建筑钢板剪力墙焊接工程, 是行业一大难题,目前掌握该项技术实质的单位和个人并不多,天津诺德英蓝国际金融中心主楼核心筒钢板剪力墙焊接关键技术,不仅获得良好的工程质量和各方好评,而且为建筑钢结构焊接工程提供了可以借鉴的宝贵经验,树立了榜样。
 
1    天津诺德英蓝国际金融中心主楼核心筒钢板剪力墙概况
        天津诺德英蓝国际金融中心工程结构主要分为主塔楼、东裙房和北裙房三个部分。本项目建筑地上为64层,地下为4层。塔楼结构采用双重抗侧力结构体系:钢结构巨型框架+钢结构伸臂桁架+钢筋混凝土核芯筒,以抵抗风和地震产生的水平作用力。结合建筑的设备层与避难层,设置钢结构伸臂桁架与钢结构环形桁架。巨柱与环形桁架间在平面的角部区域设置了钢结构次框架。该工程设计采用了多种钢结构典型节点,钢板剪力墙焊接坡口的设计具有典型意义,因此是本文阐述重点。

        钢板剪力墙工程现场焊接分为两种情况:1) 钢板剪力墙钢板与钢板竖向对接焊接为立焊焊缝;2)每层钢板剪力墙分段之间是纵向对接为横向焊缝。

        钢板剪力墙的板厚分为40mm和20mm两种。外圈钢板剪力墙钢板厚度为40mm,内圈十字方向剪力墙钢板厚度为20mm。现场钢板墙对接纵、横向焊缝要求为全熔透,钢板剪力墙封闭之后形成封闭矩形稳定结构,由于封闭框架刚度很大,所焊焊缝承受极大的拉应力,因此对焊接工艺要求很高,如果所采用的工艺不合理,将会造成焊接裂纹的产生,所以有很大难度。

        钢板剪力墙是封闭稳定结构,由于框架是H 型钢制作,所以刚度很大,其封闭体内焊缝承受极大的拉应力;除此之外,钢板剪力墙两端存在框架刚度不对称的情况,给焊接工程带来极大的困难。
 
2    钢板剪力墙竖向对接焊接顺序
        钢板剪力墙焊接成功的关键是焊接顺序和坡口的设计,这是在钢板剪力墙焊接失败工程案例后得出的结论。

2.1    总体焊接顺序
        第一层剪力墙钢板构件吊装到位后,连接锚栓。剪力墙钢板构件之间连接板固定,然后进行第二次剪力墙钢板及暗柱吊装。吊装完成后进行第一层剪力墙钢板构件之间纵缝立焊焊接。第三层剪力墙钢板构件全部吊装就位后进行第二层与第一层剪力墙钢板构件之间的横向焊缝焊接。

        为了减小构件焊接变形,采用多层多道错位焊接技术,焊接顺序原则上先焊接焊缝两端刚性相差不多的焊缝,对于钢柱两侧的对称焊缝采用同时对称的焊接顺序。对于两根钢柱直接单片剪力墙的两道焊缝,采用先焊接一端焊缝(同时对另一端焊缝加强临时固定),等焊缝冷却至常温后焊接另一端焊缝。

2.2    钢板剪力墙层间横焊焊缝
        层间钢板剪力墙横向焊缝水平从中间往两边分段退焊,同时对称焊接顺序是从中间向两端推进,按图1所标顺序图号进行分段退焊。

2.3    剪力墙钢板层间对接立焊焊缝
        钢板剪力墙纵焊缝立焊难度最大,根据钢板剪力墙结构型式和焊缝的布置,将整个焊缝分成八个部分进行分部焊接,如图2所示:1、2、3三个部分相对独立,焊接顺序根据后文细部焊接原则焊接。4、5、6、7、8五个部分首先焊接两段对称部分4、5,然后焊接4、5之间连接部分6,最后焊接7、8部分,见图2。



 
2.4    第一部分(图3)焊接顺序
        按图3所标焊接顺序进行焊接,其中“焊接顺序1”为对称施焊。


 
2.5    第二部分(图4)焊接顺序
        按图4顺序进行焊接。
2.6   第三部分(图5)焊接顺序
        按图5按所标焊接顺序进行焊接,其中“焊接顺序1”为对称施焊。
        第一道焊缝焊接完成后,等待焊缝完全冷却到常温,再进行焊缝2的焊接。
2.7    第四部分和第五部分(图6)焊接顺序
        按图6顺序进行焊接。第四和第五部分,剪力墙分段基本对称,焊接顺序相同,下面只介绍第四部分焊接顺序。
2.8    第六部分(图7)焊接顺序


 
        按图7所标顺序进行焊接。其中标注1为立柱对称施焊。焊接完成后,再焊其它焊缝,按1~6的顺序焊接。
        一般规定:一道焊缝焊接完成后,等待焊缝完全冷却到常温,再进行后续焊缝的焊接。
2.9    第七部分(图8)焊接顺序
        按图8所标顺序进行焊接。
2.10    第八部分(图9)焊接顺序
        按图9所标顺序进行焊接。
 

 
3    钢板剪力墙焊接失败的教训和成功的经验
        在钢板剪力墙的施工中,通过现场有效控制,保证结构安全;
        施工追求的钢结构系统理想的初始应力状态最终目标就是:安装和焊接所产生的应力应变完全符合设计的技术要求,并且最大程度的均匀化。因为钢结构系统的初始应力是直接涉及结构安全与否的重要指标,这也是本工程钢板剪力墙焊接的原则;

        在严格执行本文所述焊接顺序的前提下,焊缝应力应变的大小,取决于焊缝的设置和坡口的大小,对此,有很多经验教训值得总结。

3.1    焊接坡口的选择不合理,系统不仅变形大而且出现热裂纹
        由于现场焊接条件和认识水平的限制,本工程第一节柱及剪力墙基本已经加工制作完成(见图10所示),钢板剪力墙现场焊接连接坡口全部为单面坡口反面加垫板全熔透。板厚为40mm的钢板剪力墙对接,按常规焊缝焊接,焊接完成后结构钢柱和钢板墙的变形很大,而且出现热裂纹。

        单向坡口是在型式构件反面不宜焊接的场合中使用,由于坡口的截面积是双向X型同角度坡口的2倍,其收缩应力应变大大增加,加上结构型式十分特殊,因此给钢板剪力墙系统带来很多应力应变的不利因素。为此,险些造成焊接工程停产。

3.2    不合理焊接坡口处理技术要点
        焊接的应力应变大小取决于焊缝坡口截面积,因此,首先要解决好这一难题。应用堆焊技术,减少坡口截面积。
        对于已经加工完成的构件,现场焊接采用以下方法减小焊接变形。
3.2.1    竖向堆焊焊缝的焊接顺序(如图11)
3.2.2    横向焊接顺序(如图12)
3.2.3    增加系统约束,减少系统形变


 
        钢板剪力墙有较严格的尺寸公差,在大量焊接之后会产生很大的变形而导致焊接失败,根据焊接应用技术理论,增加系统约束可以有效的防止变形。为此,对单面不合理坡口加强约束,如图13所示。

        按所规定的焊接顺序,应用多层多道错位焊接技术,按图13加强体系进行不合理单向坡口焊接获得成功。

3.3    成功的经验和推荐的技术要点
        双面对称K型坡口不仅大大地减少了焊缝截面积,减小了熔敷金属,而且大大地减少了应力应变,同时采用增加约束控制焊接变形,是钢板剪力墙焊接成功的关键技术,推荐双面K型坡口及加强,见图14所示。

        工程实践中坡口留1~2mm间隙,第一道焊接采用单面焊双面成形或两侧对称焊接,两人对称焊接允许错位2~3mm。然后两侧对称同时焊接,见图15所示。

        由于采用了双面K型坡口并附加约束,按本文所述焊接顺序进行焊接十分顺利,焊接应力应变完全在控制之中。
 

 
4    其它技术要点
        针对本工程大部分剪力墙分段竖向焊缝全部为立焊,焊接过程中尽量减小焊接过程中的摆动。摆动范围SMAW≤3倍焊条直径。GMAW摆动范围在15~20mm之间,现场横焊不得有摆动。

4.1    不能对称施焊的焊缝
        两根暗柱之间只有一块剪力墙钢板,剪力墙钢板与两侧暗柱焊缝严禁对称施焊。应先焊接一边,待其温度降至常温后再焊另一侧焊缝。

4.2    能对称施焊的焊缝
        同一根暗柱两侧对称有剪力墙钢板对接的,应同时对称焊接两侧钢板剪力墙对接焊缝。

4.3    需要增加刚性约束的焊缝
        焊接边柱时,因边柱只有一侧连接,另一侧无法加固,采用在边柱与内柱之间增加一侧加劲板,加劲板规格为PL30×200,通长布置见图16所示。
 
 
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