中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘要：本文結(jié)合深圳京基蔡屋圍金融中心工程伸臂桁架核心筒處大型厚壁鑄鋼件的使用，對鑄鋼件節(jié)點設(shè)計、焊接特點等問題進(jìn)行了探討，提出鑄鋼節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化方案，有效避免鑄鋼件本體撕裂；針對鑄鋼件的焊接難點，考慮材料、焊接順序、工藝參數(shù)等因素對焊接質(zhì)量的影響，對焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，制定合理的工藝技術(shù)措施，使得大型厚壁鑄鋼件在超高層建筑結(jié)構(gòu)中得以成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：大型厚壁鑄鋼件 鑄鋼節(jié)點 超高層 焊接特點 工藝技術(shù)措施
1 引言
正在建設(shè)中的京基金融中心工程（圖1）位于深圳市繁華中心區(qū)，占地面積達(dá)4.6萬平方米，地下四層，地上98層，結(jié)構(gòu)總高度達(dá)446米；其結(jié)構(gòu)平面為矩形，采用框架核心筒加伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，沿高度方向設(shè)有4個加強(qiáng)層，配有伸臂桁架及巨型斜撐桁架，其中37~38層、55~59層加強(qiáng)層核心筒內(nèi)筒柱與桁架連接節(jié)點部位有兩軸線因連接桿件傾斜角度大，受力復(fù)雜，設(shè)計采用了鑄鋼節(jié)點（圖2）。該鑄鋼節(jié)點分別與伸臂桁架、箱型鋼柱、剪力墻內(nèi)鋼板及連梁焊接，與之連接鋼板厚度為60~130mm，涉及鋼材材質(zhì)包括Q345B、Q345GJC、Q420GJC等。
圖1京基金融中心
圖2鑄鋼節(jié)點
鑒于鑄鋼節(jié)點應(yīng)用于本工程荷載較大、受力復(fù)雜的關(guān)鍵部位，加上鑄鋼材料固有的一些缺點，因此鑄鋼節(jié)點的設(shè)計及焊接工藝顯得尤為重要，可靠與否直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全。
2 工程鑄鋼件特點及焊接難點分析
（1）鑄鋼節(jié)點部位多個桿件交匯，與之連接桿件均為厚板構(gòu)件，其中伸臂桁架弦桿使用的鋼板最厚，最大為130mm，材質(zhì)為低合金高強(qiáng)鋼Q420GJC，焊接熔敷量大，焊接殘余應(yīng)力大；
（2）鑄鋼件勻質(zhì)性差，結(jié)構(gòu)較軋制鋼板疏松，厚度方向受力較弱，不能用厚度方向性能Z向指標(biāo)對鑄鋼件衡量；
（3）厚度60~130mm的鋼板焊接于鑄鋼件的表面，過大的焊接收縮應(yīng)力增大了鑄鋼件厚度方向?qū)訝钏毫褍A向，一旦出現(xiàn)此結(jié)果，修復(fù)將很困難；
（4）鑄鋼件晶粒粗大，如果焊接材料、焊接工藝不當(dāng)，容易產(chǎn)生冷裂紋；
（5）鑄鋼件由于本身生產(chǎn)特點決定了晶間存在低熔點偏析，且雜質(zhì)較多，高的熱應(yīng)力作用情況下可能導(dǎo)致鑄鋼件內(nèi)部熱裂紋；
（6）鑄鋼件本身存在疏松氣孔，焊接過程中內(nèi)部氣體的分解，增加了熔池中氣體的成分，易產(chǎn)生氣孔；
（7）鑄鋼節(jié)點分支桿件多，個別桿件相對于柱身存在雙向的傾斜角度，空間定位困難，增加了制作精度控制難度。
3 鑄鋼節(jié)點設(shè)計與節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化
鑄鋼焊接節(jié)點設(shè)計計算時，鑄鋼受力計算截面為與之連接的鋼板對應(yīng)的截面積，材質(zhì)、節(jié)點構(gòu)造如不滿足規(guī)范條件，將會給鑄鋼節(jié)點的制作和受力帶來極大風(fēng)險，給結(jié)構(gòu)安全帶來嚴(yán)重隱患，所以節(jié)點的設(shè)計不僅需滿足承載能力要求，同時還應(yīng)考慮鑄造、制作及焊接工藝方面的要求，因此要充分考慮以下幾個方面：
（1）明確鑄鋼件化學(xué)成分、機(jī)械性能、熱處理要求及驗收標(biāo)準(zhǔn)等。
本工程鑄鋼節(jié)點鑄鋼件材質(zhì)G20Mn5QT，按《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS 235：2008標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行控制，主要性能指標(biāo)屈服強(qiáng)度Rp0.2≥300MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=500-650MPa，延伸率A≥22%，沖擊功AKV（20℃）≥60。
為保證良好的焊接性能，鑄鋼件化學(xué)成分滿足下表規(guī)定（見表1）：
表1鑄鋼件G20Mn5QT化學(xué)成分
（2）鑄鋼節(jié)點與其他構(gòu)件連接時，受拉控制為主的焊縫連接應(yīng)采用對接全熔透焊縫；在節(jié)點構(gòu)造上，要盡量避免鑄鋼本體直接與構(gòu)件T形焊透連接，采用鑄鋼本體伸出臺階與厚板部件連接，伸出的臺階壁厚不得急劇變化，其壁厚變化斜率應(yīng)小于1:5。
（3）鑄鋼節(jié)點細(xì)部設(shè)計應(yīng)避免尖角或直角，且有利于氣體的排出。
4 焊接工藝技術(shù)
由于伸臂桁架鑄鋼節(jié)點焊接熔敷量大，焊接后易產(chǎn)生焊接變形，焊接應(yīng)力可能導(dǎo)致裂紋；采取合理的焊接工藝措施，從根本上減小或消除焊接問題誘因是保證鑄鋼節(jié)點質(zhì)量關(guān)鍵所在。
4.1 焊前鑄鋼件檢查控制
為確保鑄鋼件接頭的焊接質(zhì)量，焊接之前對鑄鋼件母材焊接接頭的臺階部位150mm區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為：GB7233-87《鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評級方法》，質(zhì)量等級為II級。
對變截面或交接部分以及接頭的坡口面，按GB9444采用磁粉表面探傷，II級合格。
4.2 焊接方法與焊接材料選擇
（1） 焊接方法選擇上，采用埋弧自動焊或?qū)嵭竞附zCO2氣體保護(hù)焊。 按《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS235：2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鑄鋼件與構(gòu)件母材碳當(dāng)量基本相同時，按與構(gòu)件母材相同技術(shù)要求選擇焊材。
（2）Q345B、Q345GJC與G20Mn5QT焊接，焊材選用H10Mn2/SJ101或ER50-G。
（3）Q420GJC與G20Mn5QT焊接，設(shè)計受力計算按構(gòu)件母材鋼板的截面積計算，選用焊材應(yīng)滿足Q420GJC機(jī)械性能要求，選用焊材為H10Mn2A/SJ101。
4.3 焊接模擬試驗及工藝評定試驗
焊接鑄鋼件與桿件的連接接頭，正式施焊前進(jìn)行焊接模擬試驗，初步確定接頭的焊接變形量，根據(jù)變形偏差，確定焊接順序。
進(jìn)行必要工藝評定試驗，獲取真實的實驗數(shù)據(jù)，確定合理的工藝參數(shù)，以保證接頭焊縫的致密度，力學(xué)性能指標(biāo)及外觀達(dá)到設(shè)計與規(guī)范要求。
本工程鑄鋼焊接節(jié)點示意圖描述見圖3
圖3鑄鋼焊接節(jié)點
按此鑄鋼件焊接節(jié)點，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）要求，考慮焊接方法及焊接位置，主要進(jìn)行以下鑄鋼件焊接工藝評定，見表2及圖4~5：
焊接工藝評定列表
4.4 焊接方案與實施
根據(jù)焊接工藝試驗結(jié)果，確定焊接工藝如下：
（1）. 鑄鋼母材不開坡口，減小熔合比，減小鑄鋼材料粗晶雜質(zhì)向焊縫區(qū)過渡。
（2）. 嚴(yán)格控制鑄鋼件母材的預(yù)熱溫度，要求達(dá)到150--200℃，預(yù)熱應(yīng)沿焊縫中心兩側(cè)各100mm以內(nèi)進(jìn)行全方位均勻加熱，當(dāng)預(yù)熱溫度范圍均達(dá)到預(yù)定值后，持續(xù)20-30分鐘，溫度的測試須在距坡口80-100mm處進(jìn)行，采用遠(yuǎn)紅外測溫儀測試。層間溫度應(yīng)保持最低預(yù)熱溫度，但最高不應(yīng)超過250℃。
（3）. 嚴(yán)格控制焊接材料的儲存、烘焙、發(fā)放、空氣中暴露等要求，避免焊接材料受潮后，造成焊縫中氫含量增加。
（4）. 在滿足根部焊道尺寸情況下，可選擇適中的規(guī)范進(jìn)行焊接，應(yīng)避免受熱條件不足及散熱較快而產(chǎn)生焊道裂紋，加強(qiáng)對根部焊道的檢驗，確認(rèn)無缺陷后方可進(jìn)行填充焊道和蓋面焊道的焊接，填充焊道和蓋面焊道亦采用小電流、快速度、多層、多道焊接工藝措施，特別是靠近鑄鋼件的坡口邊，應(yīng)盡可能選稍小規(guī)范焊接。焊接工藝參數(shù)見表3
表3 焊接工藝參數(shù)
（5）. 焊后立即進(jìn)行后熱保溫處理，后熱應(yīng)在焊縫兩側(cè)各100mm處全方位均勻加熱，加熱方式采用電腦溫控電加熱或火焰加熱。后熱溫度應(yīng)為200--300℃，溫度測量距焊縫中心線50mm處進(jìn)行，溫度達(dá)到后不少于兩層石棉布緊裹并用扎絲捆緊，保溫時間不少于2小時，確保接頭區(qū)域達(dá)到環(huán)境溫度后方能拆除。
（6）. 采用磁粉探傷方法檢查焊縫及焊縫周圍是否存在焊接裂紋。
4.5 焊接要求及焊接順序控制
圖6鑄鋼節(jié)點焊接形式
該節(jié)點焊接中，除首先保證焊接接頭的質(zhì)量外，還要重點控制焊接變形，從根本上減小焊接拘束，保證焊接應(yīng)力
釋放自由，防止應(yīng)力約束過大導(dǎo)致節(jié)點連接部位尺寸偏差及裂紋產(chǎn)生。
圖6中焊縫1、2均為厚板焊接，焊縫加強(qiáng)高較大，焊接時，注意焊縫外觀成型，焊縫表面略凹，且宜與母材
表面平滑過度，以減小焊趾部位應(yīng)力集中。
焊縫1與2由兩名焊工同時對稱施焊，焊縫1因桿件存在傾斜角度，考慮變形方向，焊接時先焊上部焊縫。對
稱施焊的焊縫1、2焊至焊縫高度的1/3后，翻身焊接下部焊縫，焊至焊縫高度的2/3后，再次翻身焊接上部焊縫至
完成，然后翻身焊接完成下部焊縫。
通過上述工藝技術(shù)措施，本工程8個鑄鋼節(jié)點所有焊縫焊接取得成功，經(jīng)第三方檢測，焊縫超聲波探傷合格
率達(dá)100%。同時各連接桿件定位尺寸偏差均在尺寸公差控制范圍內(nèi)。
5 結(jié)束語
（1）通過對鑄鋼節(jié)點構(gòu)造設(shè)計優(yōu)化，有效避免焊接過程中鑄件本體層狀撕裂。
（2）通過試驗與研究，對大型鑄鋼件焊接施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其得以成功應(yīng)用于超高層建筑中。
參考文獻(xiàn)
[1]. 鮑廣鰹《鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與實例》中國建筑工業(yè)出版社 2005.3
[2].《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 CECS235：2008 中國計劃出版社
[3]. 陳祝年 《焊接工程師手冊》北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2002.1
作者簡介： 陳東昱：女，1971年10月，寶鋼鋼構(gòu)有限公司技術(shù)中心 焊接工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝研究
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