目前超高层建筑转换钢结构多采用高强度超厚钢板桁架结构，在施工时，为保证高强度超厚钢板的焊接质量，控制桁架的焊接收缩变形，保证转换桁架的安装精度，对建筑的功能性和安全性极为重要。
1 项目概况
1.1钢桁架结构转换
某运营中心大楼总建筑面积8.2万m2，建筑高度152m，采用钢框架-核心筒结构，钢结构用钢量18650吨。框架悬空，仅在建筑四角设置4根巨型钢管柱。巨型管柱止于第7层，管柱顶端呈伞状。第7层为转换层，每根巨型管柱通过7根转换钢梁支撑由6~7层钢结构组成的外框转换钢桁架，并通过巨型变截面梁与核心筒转角连接。第7层以上结构为标准层，外框转换钢框架结构采用44根钢柱及主次梁。
7层及以下钢框架结构如图1所示，巨型圆管柱伞状结构如图2所示。
图1 7层及以下钢框架结构
图2 巨型圆柱顶伞状结构
外框6至7层转换钢桁架结构形式为空心桁架，由箱形钢筋组成，通过楼面梁与核心筒连接，并由4根巨型管柱支撑（图3）。
图3 外框6~7层转换钢桁架结构
1.2 节点形式
巨型圆形钢柱顶部呈伞状，连接8根变截面梁，因重量过大，在制作时沿长度方向劈成两截，运至现场后再连接起来。7根变截面梁在工厂内与外框架7层角架梁连接，现场连接。6至7层转换钢桁架上下弦之间的直腹板立柱也按高度劈成两截，与上下弦箱形杆件焊接，直腹立柱在上下弦连接后现场焊接。
伞形变截面梁与七层转角框架梁连接段如图4所示，伞形圆管柱顶部段如图5所示。
图4 伞形变截面梁与7层转角框架梁连接
图5 伞状圆柱顶段
1.3 焊接钢材
6-7层转换钢桁架总用钢量超过2000吨。上弦箱形构件(7层框架梁)最大截面尺寸为BOX-1500×1000×90×100，钢板材料为Q390GJC；上弦箱形梁最大截面尺寸为BOX-1000×1000×80×100，钢板材料为Q390GJC；箱形梁(6-7层之间柱)最大截面尺寸为BOX-700×600×90×90，钢板材料为Q420GJC。巨型圆柱连接的变截面梁中，宽腹板最大板厚可达120mm，钢板材料为Q390GJC。
根据设计要求，当钢板厚度t为40mm≤t<60mm时，z向性能要求为Z15；当60mm≤t<100mm时，z向性能要求为Z25；当t≥100mm时，z向性能要求为Z25。Z向性能要求为Z35。低合金高强度结构钢Q390GJ、Q420GJ，当t≥50mm时，必须以热轧正火状态交货。
2 安装焊接顺序
2.1 安装顺序
由于外框6层至7层转换钢桁架下部为悬吊结构，6层框架梁成为7层框架梁的下悬结构，外框桁架体积重量较大，巨型圆管钢柱顶部结构超重，外框转换钢桁架现场安装采用高空分散拼装方案，安装顺序为：巨型圆管钢柱分段吊装，柱顶分两段吊装→6层框架钢箱梁分段吊装→伞形变截面梁与7层转角框架梁连接并分段吊装→7层框架钢箱梁吊装。6层至7层转换钢桁架安装顺序如图6所示。
图6 6至7层转换钢桁架安装顺序
2.2 焊接顺序
6-7层转换钢桁架钢板厚、钢材强度高，焊接工作量巨大，整个转换层焊接重量约20吨，焊接应力与变形直接影响转换钢桁架的安装精度和结构安全性。
焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。热输入通过材料因素、制造因素和结构因素构成的内外部约束，影响热源周围的金属运动，产生焊接应力与变形。过大的焊接应力还会使焊接接头产生裂纹等严重有害缺陷。焊接结构的焊接应力与变形虽然无法完全避免，但二者互为因果，可根据实际需要灵活选择。通过采用适当的焊接顺序来减少焊接应力与变形。
高空散拼转换钢桁架的焊接原则为：（1）分层、分批、分块焊接；（2）先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头；（3）对称结构采取对称焊接，即相对较长焊缝分段去焊；（4）降低焊件刚度，为自由收缩创造条件。
转换钢桁架总体焊接顺序安排如下。
步骤1：分组依次对称焊接6层结构外框箱梁对接焊缝，同时安排焊接班组焊接7层伞状变截面组合梁与圆管柱对接接头。
第二步：分组采用对称跳焊法，对6层至7层之间的直腹柱对接焊缝进行焊接。
步骤3：分组按顺序对称焊接7层结构外框箱梁的对接焊缝。每侧焊接多个接头，留1个对接焊缝用于最后焊接。
第6层外框第6至7层柱及第7层外框的焊接顺序如图7所示。
（一）（二）
（三）
图7 转换钢架焊接顺序
（a）6层外框焊接；（b）6-7层立柱；（c）7层外框
3 高强度超厚板焊接工艺
3.1 焊接接头特点
2800×80巨型圆形钢柱顶部圆板尺寸为4800×110，下部圆板尺寸为4800×100。柱顶呈伞状，连接8根变截面梁，最大变截面梁为BH4200×1 000×120×110。现场焊接主要难点为：（1）钢板材料强度高，所用钢材为Q390GJC，按GB 50661-2011《钢结构焊接规范》为Ⅲ级钢，焊接难度等级为C级（较难）；（2）所有变截面BH梁上下翼板板厚均为100～110 mm，最大腹板厚度为120 mm，焊接难度等级为D级，为最高难度等级； （3）巨型圆管柱8根变截面梁的腹板对接焊缝每根长达4200mm，焊接应力较大，易产生开裂。 （4）巨型圆管柱伞状节点焊缝密集，焊接工作量大。
随着钢板厚度的增加，高强度特厚钢板焊接接头的淬硬性和冷裂倾向性增大；随着板厚的增加，焊缝熔敷金属增多，焊道中氢的积累增加了发生氢裂的危险性。收缩应力和焊接变形也相应增大。焊接冷裂纹（又称延迟裂纹）是焊接结构中最危险的缺陷。其三大诱发因素为淬硬组织、氢和应力集中。焊接时，这三类裂纹的诱发因素比较集中，必须采取合理的焊接工艺措施进行控制。
3.2 接头槽设计
对于厚钢板焊接，应选择合理的接头坡口形式，尽可能采用对称的X型、K型坡口，如果只能进行单面焊，则应在保证全焊透的情况下采用小坡口，以减少熔敷金属量，减少焊接收缩，从而减少焊接变形和残余应力。
变截面梁与巨型圆管柱顶现场接头槽设计如图8所示。
图8 变截面梁与巨型圆柱顶现场接头槽设计
3.3 焊接预热及层间温度控制
随着碳当量、板材厚度、组织约束、焊接材料含氢量的增加以及环境温度的降低，焊前预热温度需相应提高。焊接过程中会产生氢致裂纹。层间温度应控制不低于预热温度且不超过250℃，以防止焊缝及母材过热引起焊缝及母材过热脆化。温度控制见表1。
表1 现场焊接预热及层间温度控制 ℃
注：t为钢板厚度
3.4 焊接方法与焊接材料
低合金高强度钢对氢致开裂十分敏感，因此应优先采用低氢焊接材料或低氢焊接方法，只要CO2气体符合规范要求，熔敷金属中氢含量极低，具有良好的抗氢致开裂性能。
伞形节点现场焊接采用药芯CO2气体保护电弧焊（简称FCAW），属于低氢焊接方法，Q390GJC钢焊丝为天津产THY-51B级/1.2药芯焊丝，符合国家标准型号T492T1-1C1A。
转换钢桁架6~7层之间直腹柱Q420GJC钢钢结构钢梁变截面规定，现场对接焊丝配套，选用天津产THY-J552Ni-1级/1.2药芯焊丝，焊丝符合国标型号T553T1-1C1A-N2。
3.5接头焊接工艺及焊接顺序
考虑到正火或正火加回火钢对焊接热输入比较敏感，为保证焊接接头的韧性，不宜采用过大的焊接热输入。此类接头的焊接，应先焊承受拉应力的焊缝，再焊承受压应力的焊缝，最后焊承受剪应力的焊缝，使受拉焊缝产生预应力，将残余应力转变为受力均匀分布的焊缝；对对称结构应对称焊接，保证两侧热输入相同，以减少焊接变形；对长焊缝应分段退焊，以改变焊接应力的分布，降低残余应力峰值，减少变形。
伞形节点现场焊接工艺措施为：
（1）焊接时尽量避免侧向摆动和电弧焊，采用多层窄焊缝；
（2）对于较长的焊缝，应分段停止焊接，并在焊接停止期间采用保温棉包裹保温；
（3）厚板接头要求一次性焊接完成，为避免夜间停焊造成焊道多次预热的不利影响，厚板长焊缝均采用分段焊接。
（4）厚板双面坡口立焊时，先焊深坡口一侧至1/3处，再焊背面2～4层清根，然后两侧交替施焊，以控制厚板接头焊接变形。
伞形节点现场焊接为先焊变截面梁上翼板焊缝，再焊变截面梁下翼板焊缝，最后分段焊变截面梁腹板对接焊缝，伞形节点现场焊接顺序如图9所示。
（一）（二）
图9 伞状节点现场焊接顺序
（a）平面图；（b）三维视图
3.6焊后保温缓冷
焊后保温缓冷有利于焊缝中氢的扩散，防止厚板产生氢致裂纹，厚板焊接后必须立即用保温棉包裹焊缝，让焊缝缓慢冷却，也可采用后热除氢处理。
4 焊接施工管理
4.1焊接过程管理
（1）制定综合焊接施工方案，并获得批准；（2）按照GB 50661-2011《钢结构焊接规范》的要求，对拟采用的焊接工艺进行评定考试；（3）针对性地编制焊前/焊中、焊后各工序的质量检查指导书，做好交底工作；（4）焊接过程中检查各项焊接工艺技术措施的落实情况；（5）要求焊工汇报厚板焊缝预热/测温图像数据；（6）保证焊后UT探伤的合理延迟时间，避免漏检高强度、超厚板焊接中的延迟裂纹；（7）如需返修，返修前必须查明缺陷原因，并采取措施，防止重复返修产生裂纹。
4.2焊接设备及材料管理
（1）定期检查焊接设备，做好设备维护保养工作，提前对焊机电流表/电压表进行校准，保证设备处于正常的工作状态，确保焊接工艺参数符合焊接工艺要求； （2）焊接材料进场后应按规范要求重新进行试验，确保材料性能符合标准要求； （3）药芯焊丝应存放在现场仓库，使用前真空包装应完好，班次内未用完的焊丝应密封包装后回库，开封后应在24小时内用完。
4.3 焊工管理
（1）上岗前进行技术交底，焊接过程中发现问题钢结构钢梁变截面规定，及时组织工艺培训；（2）严格考核焊工技能，不符合技能标准者不得上岗，符合技能标准者须持证上岗；（3）现场焊接接头应按相应焊工编号、记录，落实和考核每个焊工的质量责任；（4）应选派工艺纪律好、沟通能力强、焊接经验丰富的资深焊工担任现场焊接督导，在生产过程中对焊工提供技术支持，指导、监督焊接工艺措施的落实。
4.4 环境措施
（1）制定雨季/冬季施工安装焊接工艺措施；
（2）落实节点焊接施工防风雨措施，在节点焊接位置安装标准化围护，为高空焊接提供防风雨保护。
5 结论
通过采取上述焊接工艺及施工管理措施，中国银联营业中心大厦转换钢桁架现场安装焊接工作顺利进行，且第三方无损检测结果合格并通过了现场质量验收。
摘自《建筑技术》2021年7月号 张兵
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