大连期货大厦钢结构低温焊接施工技术

　　中图分类号：TU74文献标识码： A

　　

　　

　　0.工程背景

　　钢结构工程中的低温焊接技术历来是学术界、工程界共同关注的课题。尤其是在近年来国内建筑钢结构行业的飞速发展和大量应用下，钢结构在低温环境下的施工被提到了相当高的位置，引起了各方面的高度关注。国内各大钢结构施工企业、各大科研院所都投入了相当大的人力、物力资源研究、解决低温环境下施工技术尤其是对焊接质量所造成的直接影响。在国内外建筑钢结构发展过程中，因为焊接质量控制不好所造成的焊接质量的下降甚至造成不安全隐患，甚至是因此所引起的安全事故不断发生，而由于环境所引起的焊接质量缺陷又是相当重要的一个方面。因此，国外内在此领域内的研究、试验力度不断加强。下面以大连期货大厦钢结构工程为例，对低温环境下的钢结构焊接技术进行简要的分析。

　　1.工程简介

　　大连期货大厦位于大连市沙河口区，主体结构为242.8m高的超高层建筑钢结构工程，工程总建筑面积为13.15万平方米，是目前东北地区已建成的结构最高的甲级写字楼。由于本工程地处渤海湾，受陆地气候和热带海洋气候的综合影响较为严重。根据大连市常年气象预报，大连市每年11月底至第二年3月15日为冬季施工期，其中11月底至12月31日为初冬期，该期间平均气温在-5℃~+5℃之间，极端最低温度为-13℃；1月1日~2月底为寒冬期，平均气温为?5℃~-10℃之间，极端气温为-19℃，该期间为冬施最不利时期；3月1日~3月15日为冬末期，平均气温在-5℃~+8℃之间，极端最低温度为-15℃，主要受北风寒流影响，会出现温差较大的特殊时段。而自2008年9月份至2009年6月份为大连期货主体结构施工阶段，钢结构安装贯穿了整个低温的冬季时段。

　　本工程塔楼由钢筋混凝土筒体和钢结构外框架组成，横剖面为44.55m×44.55m的正方形，外框结构共设置42根由口1000×600×30×30、口800×600×30×30、口900×600×24×24、□600×600×24×24等多种截面规格组成的箱型钢柱，单根钢柱最重11.3吨；核芯筒混凝土内设12根H型钢劲性钢骨柱，为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材质组成H型钢梁主要分为以下几种规格：H800×300×14×18、H1000×300×18×20、H600×350×18×22、H800×200×14×14、H800×300×14×18；钢柱对接口采用全熔透焊缝焊接，钢柱与钢梁采用单面坡口焊接，所有对接口焊缝均为一级熔透焊，现场的焊接量较大。

　　2.低温焊接破坏机理

　　大量焊接钢结构失效事故表明，低温是导致脆断的主要原因，特别是结构中存在着缺陷（缺口效应）则脆断效应更严重。当温度低于材料的临界转变温度时，在远小于σs的作用下，钢材的σs提高并接近于σb，出现完全无屈服的断裂。这就是进行低温焊接试验的根本原因。试验结果给我们带来了很多启示，也我们冬季施工提供了理论依据和操作指南。很多低温试验是相当成功的，为我们在工程施工过程中提供了可靠的理论及技术支持，为焊接工艺评定方案的编制提供了比较可靠的试验数据。

　　经过实验室的研究、分析，低温环境对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断，其脆断机理受温度下降的速率变化而变化，主要归纳为以下几点：

　　（1）低温焊接条件下，焊缝的冷却速度较常温比较速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度随之粗大，因此冷裂纹的敏感性也相应增加。

　　（2）在结构拘束度很大的前提下，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝的偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。

　　（3）冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，使冷裂纹的效应增加。延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。

　　（4）低温下发生脆断的可能性增加，当构件的工作温度低于材料的脆性转变温度的情况下，在拉应力和焊接残余应力共同作用下，结构的静载强度大幅度的降低，极大可能在远低于材料的σs点的外力作用下发生脆断。

　　3.大连期货大厦低温焊接措施

　　由于我国特殊的地理环境及近年来建筑钢结构行业的快速发展，越来越多的钢结构施工尤其是钢结构焊接都要经历冬季比较漫长的低温焊接过程。通过大量的试验和分析、研究，人们逐渐总结出了一套低温焊接质量控制的要领。首先，为了消除焊接应力对施工质量造成的影响，在高层钢结构焊接过程中，通常情况下都遵循从中心向四周扩展，采用结构对称、节点对称的焊接顺序。平面上采用从结构中心开始向四周对称扩展焊接，为减小焊接应力所造成的损害，同一根构件的两端不得同时进行施焊，不得从结构外圈向中心焊接，并在安装过程中预留焊缝收缩量。

　　其次，在低温环境下进行焊接施工时，不但要有严密的焊接防护措施，还必须采用焊前大范围加热的方法来消除不经焊前加热即进行焊接时母材与焊缝区的强烈温差，避免造成母材与焊接接头产生裂纹。焊前严格加热，施焊过程中保证持续、稳定并且较高的层间温度，全过程地执行窄道焊、有规律地采用左、右交替焊道可以有效的控制焊接裂纹的产生。

　　根据以上低温焊接质量控制要领，在大连期货大厦工程中，采取了如下焊接质量保障措施。

　　1） 钢柱焊接防护

　　焊接钢柱对接口时，在对接口下设置全封闭的操作操作平台（详见图1、2）。平台底部密铺脚手板后，采用石棉布铺垫于脚手板上，以防止焊接火花掉落伤人。操作平台四周采用防风、防火布搭设防风、雨顶蓬，当雨、雪天气时，顶蓬与钢柱连接处使用锡箔胶纸粘贴密实，防止雨、雪水渗透至焊缝上影响焊缝质量。

　　

　　图1 钢柱对接口防风棚示意图

　　

　　图2 钢柱对接口防风棚现场照片

　　2） 钢梁焊接防护

　　在风速超过8m/s，焊接钢梁节点时，在节点处设置焊接防风、防雨雪、防火花飞溅的局部防风罩和防风棚。局部防风罩用永久磁铁固定在焊缝两侧，两端可设置端板，以不影响焊接操作为原则，确定其间距，根据焊工的实际需要随时调整位置（如图3所示）。防风棚设置在迎风靠近焊缝的位置，施工人员在另外一侧挂篮内进行焊接作业。

　　

　　图3 防风罩示意图

　　

　　图4 钢梁防风棚现场设置照片

　　3） 低温焊接的温度控制

　　焊前预热：预热是防止冷裂纹的有效措施，预热的目的主要是为了增加热循环的低温参数t100，使之有利于氢的充分扩散溢出。预热温度的选择视施焊环境温度、钢材强度等级、焊件厚度或坡口形式，焊缝金属中扩散氢含量等因素而定。预热温度过高，一方面恶化了施工环境，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，产生冷裂，同时会使板状铁素体形成，因此不是预热温度越高越好。根据《建筑钢结构焊接技术规程》中对于钢材最低预热温度规定Q345GJDδ=60mm最低预热温度为80℃，Q345Dδ=20mm可以不预热但需要烘干焊接区域内的水分。

　　大连期货大厦工程，由于中厚板数量较少，因此当焊接作业区环境温度低于0℃时，我们采用氧-乙炔中性火焰对钢柱焊接节点整体加热，对钢梁施焊焊缝加热，预热范围在焊接坡口两侧150mm范围内。预热时火焰离钢板保持大于50mm距离，并来回移动，使钢板均匀受热至预热温度。预热温度参见下表1。

　　表1： 焊缝预热温度表（℃）

　　钢材

　　牌号 接头最厚部件的板厚t（mm）

　　 ≤25 25＜t≤40 40＜t≤60 60＜t≤80 t＞80

　　Q235 36 36 80 100 120

　　Q345 36 80 100 120 160

　　层温控制：低温焊接因焊接区域温度冷却失散较常温快，易产生脆硬组织不利于焊缝质量。焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在90℃~130℃之间，每个焊接接头应一次性焊完。施焊前，注意收集气象预报资料，预计恶劣天气即将到来，应放弃施焊。若焊缝已开焊，要抢在恶劣天气来临前至少焊完板厚的1/3方能停焊；且严格做好够热处理和防护措施，当重新焊接时应先预热后再进行焊接，重新焊接预热温度、时间相对延长。

　　表2： 焊缝层间温度控制参数表（℃）

　　钢材

　　牌号 接头最厚部件的板厚t（mm）

　　 40＜t≤60 60＜t≤80 t＞80

　　Q345 100 100～200 140～200

　　焊后热处理：在负温下焊接完成后，在焊缝两侧150mm范围内用两把烤枪烘烤来进行焊后热处理，加热温度在180~200℃之间，保持在1小时左右，加热后立即采取保温措施，使焊缝缓慢冷却至环境温度。

　　焊后缓冷处理：当焊接焊缝后热达到要求后，采用石棉布加保温棉双重多层保温，需包裹密实，确定保温时间达到缓冷效果。

　　4）远红外预热技术

　　目前比较先进的预热、保温技术就是远红外电加热技术，由于此技术采用了较先进的电脑控制，具有稳定性强、温度控制精准等特点，因此在近年来重大工程无论是制作还是安装过程中均得到了比较广泛的应用。尤其是对δ≥36mm的焊缝和重要焊接节点采用电加热，可以有效的保证焊缝的预热（后热）温度的均匀和准确性，对防止焊接裂纹的产生和控制应力应变起到积极的作用，特别在冬季施工中电加热起到了不可替代的作用。

　　

　　图5 电加热设置图

　　

　　图6 焊后缓冷设置图

　　4.低温焊接保障制度

　　1）焊工在正式焊接前，必须具备个人防寒用品，包括棉鞋、帽子、护膝、手套等，必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。尽量较少因人为因素对焊接质量造成的影响；

　　2）下雪天气及雪后，进行高空焊接作业，通道应设专人及时清扫，特别扫除薄冰，以保证焊工的安全通行和保存焊工体力。在施焊前对焊接区域必须用氧-乙炔中性火焰进行预热，消除水汽对焊接质量的影响；

　　3）焊机应尽量集中摆放在可移动的焊机防护棚内，防护棚内应设置加热设备，使焊机在正温状态下工作；

　　4）使用前，气瓶应尽可能集中存放，在气瓶存放棚应设有加热装置，确保气体随用随有。气瓶在使用时，应放置在焊机棚内，实现正温管理，单机使用时，气瓶必须采取加热保温措施，采用电热毯加热外包岩棉或其它保温材料进行保温保证液态气正常气化，使保护气体稳定通畅；

　　5）冬季施工采用接触式测温仪控制预热、后热及层间温度，环境温度使用普通温（湿）度计监控；

　　6）保护气体应使用纯度为99.9％的CO2气体，以保证焊接接头的抗裂性能；

　　7）按要求对焊条进行烘焙、保温，严格执行焊材的使用、管理制度。焊条必须按标准进行烘干，烘干次数不得超过2次，在空气中的暴露时间不得超过2小时；

　　8）药芯焊丝使用过程中应采取防潮措施，焊机上的焊丝防护罩必须保持完好，未用完的焊丝应及时送回焊材库，防止受潮；

　　9）尽量选用国内最新研制的防风焊丝，减少空气流动对焊缝质量造成的影响。

　　5.结束语

　　在大连期货钢结构工程的整个冬季施工过程中，我们通过严格按照公司焊接研究所通过大量的低温焊接试验和施工经验总结并编制的焊接工艺评定报告和低温焊接技术规程组织施工。本工程焊缝总长5723.45米，在整个工程的焊接质量自检、第三方检测中，一次自检探伤合格率达到98％以上，返修合格率100％，本工程最终被评为钢结构金奖。

　　通过本工程，我们对于低温焊接施工技术主要归纳为以下几个方面，供同行参考：

　　1、根据工程结构的特点，合理编排焊接顺序，减少焊接残余应力；

　　2、在施焊过程中，钢材本身应实现正温（即要采用各种不同的预热方式提高焊缝周围小环境温度），选择合适的预热方式；

　　3、采取焊后紧急保温缓冷措施，减少因气温骤降所造成的焊接裂纹。

　　

　　

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