一

前言

洛陽科技館工程中，五層樓蓋結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁架空間結(jié)構(gòu)，桁架為H型截面雙層桁架，跨度54m，交叉處桁架最大跨度75m。鋼材選用重型熱軋H型鋼，牌號為Q390GJC，最大厚度為70mm。這種重型熱軋H型鋼在國內(nèi)首次應(yīng)用于大跨度公共建筑的主體結(jié)構(gòu)。

在超高層或超大跨度的公共建筑中，建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往通過各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而重型熱軋H型鋼的應(yīng)用可以獲得更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)性能。與焊接H型鋼相比，熱軋H型鋼具有更標(biāo)準(zhǔn)的截面尺寸和更好的材料性能，大大減少了焊接和焊縫檢測的工作量，為現(xiàn)場施工提供了便利。目前，熱軋H型鋼在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工程中的使用量相對較少，主要用于工業(yè)建筑領(lǐng)域[1]，在民用建筑領(lǐng)域還有較大的發(fā)展空間。

2

390GJC重型熱軋H型鋼技術(shù)指標(biāo)

2.1機(jī)械性能和化學(xué)成分

Q390GJC鋼的力學(xué)性能見表1。從表1可以看出，該材料具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，以及較高的安全儲備。從鋼材的斷面收縮性能可以看出，所選重型熱軋H型鋼在縮口區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的最大塑性變形優(yōu)于普通鋼材，且滿足厚度方向的抗撕裂性。

Q390GJC鋼的化學(xué)成分見表2。從表2可以看出，鋼中加入了V、Ti、Nb等合金元素，V+Ti+Nb = 0.1%，碳當(dāng)量CEV=0.45%，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.275%。從以上指標(biāo)可以看出，鋼材具有優(yōu)異的抗裂性，對焊接冷裂紋具有良好的敏感性，但在焊接工程中需要嚴(yán)格控制預(yù)熱和層間溫度，焊后進(jìn)行保溫處理[2]。

2.2焊接材料的特性

根據(jù)390GJC鋼的材料成分，選擇低氫含量的焊接材料，保證與母材強(qiáng)度相當(dāng)。項(xiàng)目現(xiàn)場選用T492T1-1C1A藥芯焊絲，保護(hù)氣體為純度為99.98%(露點(diǎn)≤-40℃)的CO2。焊絲的化學(xué)成分見表3，熔敷金屬的機(jī)械性能見表4。

三

焊接工藝

3.1焊接方法和設(shè)備

焊接開始前，根據(jù)本工程390GJC鋼焊接施工的特點(diǎn)，按照GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[3]進(jìn)行了工藝評定試驗(yàn)，確定了焊接方法、焊接材料、焊道、坡口形式和預(yù)熱溫度等基本信息。為了確定切實(shí)可行的工藝參數(shù)和焊接措施，選擇現(xiàn)場有代表性的母材和焊絲，由專業(yè)焊工在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行焊接。焊接完成后，對其進(jìn)行測試，并出具焊接工藝評定報(bào)告。

工程結(jié)構(gòu)主要是外露構(gòu)件。根據(jù)現(xiàn)場施工條件和鋼材的焊接性能，焊接采用CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。這種方法熔敷效率高，速度是焊條電弧焊的2 ~ 3倍，而且焊接時更穩(wěn)定，容易排渣，飛濺少，焊縫成形更美觀。在現(xiàn)場焊接過程中，更適合現(xiàn)場用電環(huán)境，具有較寬的焊接電流和電弧電壓條件。根據(jù)鋼材的材料性能和H型鋼的厚度，確定焊接時預(yù)熱溫度為80℃，層間溫度≤200℃。焊接前應(yīng)用砂輪打磨坡口，焊道之間清除焊渣和飛濺物。主要焊接參數(shù)見表5。

3.2焊接接頭的結(jié)構(gòu)

焊接接頭主要是單面V型槽，如圖1所示。溝槽采用切割機(jī)加工，角磨機(jī)研磨。在對接接頭和丁字接頭的兩端安裝引弧板和引出板。在焊條電弧焊或半自動焊中，尺寸一般為50mm×30mm×t(t為板材厚度)，自動焊中一般為120 mm× 80 mm× t，選用與H型鋼母材性能相近的板材，焊后用氣割切割平整。

根據(jù)15G909-1—2015《鋼結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造圖(焊接連接)》[4]，確定了本工程H型鋼上下翼緣焊接孔的倒角結(jié)構(gòu)，如圖2所示。熱軋H型鋼下翼緣平焊坡口的腹板更靠近翼緣連接焊縫，更容易在熱影響區(qū)形成應(yīng)力集中。因此，過焊孔的大小和加工質(zhì)量對焊接質(zhì)量影響很大。過焊孔的R角半徑這次要控制在45mm。

3.3焊接質(zhì)量控制

(1)焊接質(zhì)量要求

本工程H型鋼構(gòu)件拼接接頭上下100mm范圍內(nèi)，框架梁柱節(jié)點(diǎn)翼緣上下600mm范圍內(nèi)，要求全熔透焊接，焊縫等級為一級；其他坡口焊縫質(zhì)量等級為二級；部分坡口焊縫和部分附加對接焊縫的質(zhì)量等級為三級；角焊縫按三級進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)檢測100%的焊縫表面缺陷，不得有裂紋和焊瘤等缺陷。當(dāng)重型熱軋H型鋼用于組裝焊接時，可以只考慮組裝接頭。與焊接H型鋼相比，重型熱軋H型鋼為整體鑄造結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更可靠，內(nèi)應(yīng)力更小，對結(jié)構(gòu)更有利。

焊接前，檢查焊接現(xiàn)場條件是否滿足焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果的要求，尤其是焊絲和保護(hù)氣體。由于焊接溫度較低，焊前預(yù)熱和焊后保溫措施應(yīng)嚴(yán)格按照評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5]。在焊接過程中，應(yīng)在電弧試驗(yàn)板上對焊接電流和電弧電壓進(jìn)行比較和調(diào)試，以確保它們滿足工藝評定的要求。

(2)焊接順序

本工程重型熱軋H型鋼的焊接主要是桁架構(gòu)件現(xiàn)場組裝焊縫的焊接。在確定焊接順序時，主要以焊接變形最小為原則。采用對稱焊接。先焊接變形大的部分，焊接時熱量均衡，減少焊接應(yīng)力的不利影響。焊接順序如下:①先焊接主弦桿對接焊縫。②重新焊接斜腹桿和主弦桿之間的焊縫。③H型鋼的兩條焊縫不同時焊接。沿中間向兩側(cè)對稱跳焊，減少變形的發(fā)生。

(3)焊前預(yù)熱和保溫措施

本工程采用熱軋H型鋼的樓板桁架剛進(jìn)入冬季施工。低溫焊接的低合金鋼采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理措施，通過均衡加熱減少焊接變形和收縮[6]。焊后預(yù)熱和熱處理的溫度應(yīng)按焊接工藝評定的要求進(jìn)行控制。電加熱主要用于焊前預(yù)熱和層間溫度加熱。當(dāng)板的厚度小于20毫米時，也可以使用火焰加熱。預(yù)熱溫度由接觸式熱電偶溫度計(jì)測量。當(dāng)焊接接頭兩端的鋼板厚度不同時，預(yù)熱溫度由厚板決定。預(yù)熱時，在焊縫兩側(cè)加熱，加熱寬度大于待焊焊件厚度的1.5倍，需要> > 100mm。測量加熱區(qū)鋼材背面的溫度，在電弧通過前，測量點(diǎn)距離焊接點(diǎn)≥75mm。根據(jù)不同的板厚，適當(dāng)提高前預(yù)熱溫度，使整個板厚達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度。使用火焰加熱器時，正面測量應(yīng)在加熱停止后進(jìn)行。層間溫度范圍的最低值與預(yù)熱溫度相同，最高值應(yīng)滿足母材熱影響區(qū)不過熱的要求。焊接層間溫度低于250℃。焊后進(jìn)行脫氫熱處理，焊后立即加熱至300 ~ 350℃。保溫時間按每25mm厚度≥1h確定。達(dá)到保溫時間后，裹上巖棉，慢慢冷卻。加熱、溫度測量方法和操作人員培訓(xùn)要求與預(yù)熱相同。如果焊后修補(bǔ)焊縫，需要在焊補(bǔ)處進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度比正常預(yù)熱溫度高50℃，預(yù)熱區(qū)域需要加寬，防止焊接裂紋。

根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度，鋼結(jié)構(gòu)吊裝預(yù)計(jì)11月底完成。為了最大限度地減少溫度變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，大跨度位置的節(jié)點(diǎn)焊接需要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度，應(yīng)在天氣晴朗的中午前后，此時氣溫接近城市年平均氣溫。在其他環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于2m/s時，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)措施或抗風(fēng)焊機(jī)；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速> 8m/s或相對濕度≥80%時，應(yīng)停止露天焊接。

四

常見焊接問題及解決方法

4.1焊縫檢查方法

根據(jù)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[3]進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)，其中全熔透的一級焊縫全部采用超聲波或射線檢測，二級焊縫按20%抽樣檢測。焊縫檢驗(yàn)時，按相同焊接條件下的焊縫數(shù)量計(jì)算百分比，熱軋H型鋼對接焊縫周圍的母材也要進(jìn)行檢驗(yàn)。焊縫檢查時注意焊縫表面是否出現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊和焊高不足，并記錄下來。內(nèi)部缺陷采用超聲波檢測，檢查焊縫是否有夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。

4.2焊接裂紋及預(yù)防措施

在焊接構(gòu)件的施工過程中，焊接裂紋是最難處理的缺陷。當(dāng)裂紋輕微時，可以修復(fù)；裂紋嚴(yán)重時，只能報(bào)廢該部件。焊接裂紋包括以下類型:弧坑或焊腳或焊根裂紋、焊縫或熔合線或熱影響區(qū)裂紋、表面或內(nèi)部貫穿裂紋、分層撕裂等[8]。本工程樓層桁架采用整體提升的施工方法。吊裝前后，針對上述問題，對整個焊縫進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，樓層桁架組裝焊接前期未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。然而，在組裝基本成型后，由于桁架內(nèi)應(yīng)力隨著組裝過程不斷變化，重型熱軋H型鋼的R角位置受到較大焊接應(yīng)力的影響。因此，在對現(xiàn)場700多個過焊孔進(jìn)行檢查時，發(fā)現(xiàn)了5條從過焊孔延伸至腹板的裂紋，裂紋長度均小于50mm。及時鉆好止裂孔后，對這些裂紋進(jìn)行修補(bǔ)，并對主焊縫所有疑似裂紋位置進(jìn)行磁粉和超聲波檢測，對焊縫兩側(cè)500mm范圍內(nèi)進(jìn)行二次打磨，并對母材進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷。

發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋出現(xiàn)的位置相同，都在熱軋H型鋼的下翼緣與腹板交界處，且都是坡口側(cè)裂紋。由于熱軋H型鋼上翼緣存在過焊孔，不容易形成應(yīng)力集中。另一方面，下翼緣更靠近平焊槽側(cè)腹板與翼緣之間的焊縫，更容易在熱影響區(qū)形成應(yīng)力集中。對比其他無焊縫裂紋的桁架位置，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題的下翼緣焊接孔R角半徑較小，加工質(zhì)量偏差較大。裂紋產(chǎn)生區(qū)域如圖3所示。

對于重型熱軋H型鋼的焊接，要嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)定的焊接結(jié)構(gòu)措施，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)坡口和過焊接頭。對于小角度、窄間隙的焊接坡口，容易造成焊縫成形系數(shù)過小的問題，應(yīng)避免這種坡口。焊接過程中應(yīng)盡量減少焊接應(yīng)力對型鋼的影響，焊接材料的化學(xué)成分應(yīng)與焊接母材相匹配，控制焊接過程中的電流和速度，焊前應(yīng)加強(qiáng)預(yù)熱，以減緩冷卻結(jié)晶時焊縫的冷卻速度。通過制定合理的焊接順序，可以在較小的約束程度下完成大部分焊縫的焊接，從而使焊縫的收縮和張力最小化。同時，焊接后必須對焊縫進(jìn)行脫氫處理，降低焊縫中的氫含量，從而有效減少冷裂紋的發(fā)生[4]。

4.3加固措施

(1)焊縫表面缺陷

主要表現(xiàn)為焊縫表面的未焊透、咬邊、裂紋、電弧擦傷、根部縮孔、夾渣、接頭不良和氣孔，大部分缺陷肉眼可直接發(fā)現(xiàn)。但不同等級焊縫的質(zhì)量要求會有所不同，裂紋的大小通常通過磁粉或滲透探傷來確定。對于焊縫表面缺陷的處理，通常采用磨床打磨或鏟、鉆、銑等方法進(jìn)行改善；針對焊縫尺寸不達(dá)標(biāo)或弧坑未填滿的問題，采用補(bǔ)焊進(jìn)行處理。對于焊縫表面出現(xiàn)裂紋的問題，需要采取碳弧氣刨的方法去除裂紋，重新焊接，從而修復(fù)裂紋[9]。

(2)內(nèi)部缺陷

對于檢查后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷，需要確認(rèn)修補(bǔ)部位的長度和深度，并附上修補(bǔ)計(jì)劃。修復(fù)前用砂輪或碳弧氣刨去除修復(fù)部位的滲碳層，露出純金屬光澤，便于仔細(xì)檢查裂紋去除是否徹底。如果焊縫長度過長，可以分段剝離。當(dāng)修補(bǔ)部位的焊接中斷時，必須采取后加熱或相應(yīng)的保溫措施。返修部位再次焊接時，首先要進(jìn)行無損檢測，確認(rèn)無裂紋后才能進(jìn)行補(bǔ)焊[5]。如果返修時的預(yù)熱溫度高于原焊時的預(yù)熱溫度，且正反面處于同一位置，則不允許返修超過兩次。焊接后仍需重新檢驗(yàn)。如果修復(fù)仍不合格，必須重新編寫修復(fù)方案，并在調(diào)查原因后重新進(jìn)行修復(fù)。焊接后，如果檢查合格，應(yīng)詳細(xì)準(zhǔn)備施工記錄和無損檢測報(bào)告等相關(guān)資料，以便存檔。在焊接過程中變形的部件可以通過≤900℃的加熱進(jìn)行矯正，使部件恢復(fù)正常。如果同時進(jìn)行熱矯正和機(jī)械矯正，一定要注意避免藍(lán)脆，并且要注意加熱后的緩冷。

(3)過焊孔裂紋的處理

當(dāng)焊接孔裂紋延伸至翼緣時，認(rèn)為翼緣鋼板厚度較厚，結(jié)構(gòu)部分更重要[10]，需要換板；當(dāng)焊接孔裂紋延伸至腹板時，考慮到腹板厚度較薄，結(jié)構(gòu)部分的重要性相對較小，可采用裂紋修補(bǔ)方法。

根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的相關(guān)要求，準(zhǔn)確確定裂紋的起止點(diǎn)，并在起止點(diǎn)鉆直徑為12 ~ 16mm的止裂孔，徹底清除裂紋。同時在腹板一側(cè)加一塊規(guī)格為20mm×200mm×300mm的加強(qiáng)板(見圖4)，另一側(cè)加工成側(cè)傾角> 10°的坡口，碳弧氣刨后清理滲碳層。然后根據(jù)全熔透對接焊縫的要求，將溫度調(diào)整到100 ~ 150℃進(jìn)行預(yù)熱，采用低氫焊接進(jìn)行焊接。焊接后，需要進(jìn)行超聲波和磁粉檢測。檢驗(yàn)合格后，需要在焊縫位置粘貼膠帶進(jìn)行保護(hù)，方便使用防火涂料后仍能觀察到。

五

結(jié)束語

與焊接H型鋼相比，重型熱軋H型鋼在工程中的應(yīng)用不僅大大增加了工程施工的便利性，降低了加工成本，而且使結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力更小，質(zhì)量更可靠。大跨度樓蓋桁架中，重型熱軋H型鋼的材料性能和力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。在焊接工程中，應(yīng)按焊接工藝評定的要求執(zhí)行所有的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，并對坡口開口和過焊接頭進(jìn)行規(guī)范。由于重型熱軋H型鋼的應(yīng)用涉及大量厚板焊接，焊前預(yù)熱和焊后保溫應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求。焊接后應(yīng)進(jìn)行無損檢測，并對缺陷制定合理的修補(bǔ)和加固措施，以保證桁架的焊接質(zhì)量。