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大型铸钢件在超高层建筑结构中的应用
发布时间:2013-1-24 23:23:31 | 人感兴趣 | 评分:3 | 收藏:
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鉴于铸钢节点应用于本工程荷载较大、受力复杂的关键部位,加上铸钢材料固有的一些缺点,因此铸钢节点的设计及焊接工艺显得尤为重要,可靠与否直接关系到整体结构的安全。

2  工程铸钢件特点及焊接难点分析
      (1)铸钢节点部位多个杆件交汇,与之连接杆件均为厚板构件,其中伸臂桁架弦杆使用的钢板最厚,最大为130mm,材质为低合金高强钢Q420GJC,焊接熔敷量大,焊接残余应力大;
      (2)铸钢件匀质性差,结构较轧制钢板疏松,厚度方向受力较弱,不能用厚度方向性能Z向指标对铸钢件衡量;
      (3)厚度60~130mm的钢板焊接于铸钢件的表面,过大的焊接收缩应力增大了铸钢件厚度方向层状撕裂倾向,一旦出现此结果,修复将很困难;
      (4)铸钢件晶粒粗大,如果焊接材料、焊接工艺不当,容易产生冷裂纹;
      (5)铸钢件由于本身生产特点决定了晶间存在低熔点偏析,且杂质较多,高的热应力作用情况下可能导致铸钢件内部热裂纹;
      (6)铸钢件本身存在疏松气孔,焊接过程中内部气体的分解,增加了熔池中气体的成分,易产生气孔;
      (7)铸钢节点分支杆件多,个别杆件相对于柱身存在双向的倾斜角度,空间定位困难,增加了制作精度控制难度。

3 铸钢节点设计与节点构造优化
      铸钢焊接节点设计计算时,铸钢受力计算截面为与之连接的钢板对应的截面积,材质、节点构造如不满足规范条件,将会给铸钢节点的制作和受力带来极大风险,给结构安全带来严重隐患,所以节点的设计不仅需满足承载能力要求,同时还应考虑铸造、制作及焊接工艺方面的要求,因此要充分考虑以下几个方面:
(1)明确铸钢件化学成分、机械性能、热处理要求及验收标准等。
  本工程铸钢节点铸钢件材质G20Mn5QT,按《铸钢节点应用技术规程》CECS 235:2008标准要求进行控制,主要性能指标屈服强度Rp0.2≥300MPa,抗拉强度Rm=500-650MPa,延伸率A≥22%,冲击功AKV(20℃)≥60。
    为保证良好的焊接性能,铸钢件化学成分满足下表规定(见表1):
 

表1铸钢件G20Mn5QT化学成分

 

(2)铸钢节点与其他构件连接时,受拉控制为主的焊缝连接应采用对接全熔透焊缝;在节点构造上,要尽量避免铸钢本体直接与构件T形焊透连接,采用铸钢本体伸出台阶与厚板部件连接,伸出的台阶壁厚不得急剧变化,其壁厚变化斜率应小于1:5。
(3)铸钢节点细部设计应避免尖角或直角,且有利于气体的排出。

4  焊接工艺技术
    由于伸臂桁架铸钢节点焊接熔敷量大,焊接后易产生焊接变形,焊接应力可能导致裂纹;采取合理的焊接工艺措施,从根本上减小或消除焊接问题诱因是保证铸钢节点质量关键所在。

4.1 焊前铸钢件检查控制
    为确保铸钢件接头的焊接质量,焊接之前对铸钢件母材焊接接头的台阶部位150mm区域进行超声波检测,检测标准为:GB7233-87《铸钢件超声波探伤及质量评级方法》,质量等级为II级。
    对变截面或交接部分以及接头的坡口面,按GB9444采用磁粉表面探伤,II级合格。
4.2 焊接方法与焊接材料选择
      (1) 焊接方法选择上,采用埋弧自动焊或实芯焊丝CO2气体保护焊。 按《铸钢节点应用技术规程》CECS235:2008标准规定,铸钢件与构件母材碳当量基本相同时,按与构件母材相同技术要求选择焊材。
      (2)Q345B、Q345GJC与G20Mn5QT焊接,焊材选用H10Mn2/SJ101或ER50-G。
      (3)Q420GJC与G20Mn5QT焊接,设计受力计算按构件母材钢板的截面积计算,选用焊材应满足Q420GJC机械性能要求,选用焊材为H10Mn2A/SJ101。
4.3 焊接模拟试验及工艺评定试验
       焊接铸钢件与杆件的连接接头,正式施焊前进行焊接模拟试验,初步确定接头的焊接变形量,根据变形偏差,确定焊接顺序。
      进行必要工艺评定试验,获取真实的实验数据,确定合理的工艺参数,以保证接头焊缝的致密度,力学性能指标及外观达到设计与规范要求。
本工程铸钢焊接节点示意图描述见图3
 


图3铸钢焊接节点

   按此铸钢件焊接节点,根据《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)要求,考虑焊接方法及焊接位置,主要进行以下铸钢件焊接工艺评定,见表2及图4~5:
 

焊接工艺评定列表

 

  4.4  焊接方案与实施
根据焊接工艺试验结果,确定焊接工艺如下:
  (1). 铸钢母材不开坡口,减小熔合比,减小铸钢材料粗晶杂质向焊缝区过渡。
  (2). 严格控制铸钢件母材的预热温度,要求达到150--200℃,预热应沿焊缝中心两侧各100mm以内进行全方位均匀加热,当预热温度范围均达到预定值后,持续20-30分钟,温度的测试须在距坡口80-100mm处进行,采用远红外测温仪测试。层间温度应保持最低预热温度,但最高不应超过250℃。
  (3). 严格控制焊接材料的储存、烘焙、发放、空气中暴露等要求,避免焊接材料受潮后,造成焊缝中氢含量增加。
  (4). 在满足根部焊道尺寸情况下,可选择适中的规范进行焊接,应避免受热条件不足及散热较快而产生焊道裂纹,加强对根部焊道的检验,确认无缺陷后方可进行填充焊道和盖面焊道的焊接,填充焊道和盖面焊道亦采用小电流、快速度、多层、多道焊接工艺措施,特别是靠近铸钢件的坡口边,应尽可能选稍小规范焊接。焊接工艺参数见表3
 

表3  焊接工艺参数

 

 (5). 焊后立即进行后热保温处理,后热应在焊缝两侧各100mm处全方位均匀加热,加热方式采用电脑温控电加热或火焰加热。后热温度应为200--300℃,温度测量距焊缝中心线50mm处进行,温度达到后不少于两层石棉布紧裹并用扎丝捆紧,保温时间不少于2小时,确保接头区域达到环境温度后方能拆除。
  (6). 采用磁粉探伤方法检查焊缝及焊缝周围是否存在焊接裂纹。

4.5  焊接要求及焊接顺序控制
 


图6铸钢节点焊接形式


该节点焊接中,除首先保证焊接接头的质量外,还要重点控制焊接变形,从根本上减小焊接拘束,保证焊接应力

释放自由,防止应力约束过大导致节点连接部位尺寸偏差及裂纹产生。
    图6中焊缝1、2均为厚板焊接,焊缝加强高较大,焊接时,注意焊缝外观成型,焊缝表面略凹,且宜与母材

表面平滑过度,以减小焊趾部位应力集中。
    焊缝1与2由两名焊工同时对称施焊,焊缝1因杆件存在倾斜角度,考虑变形方向,焊接时先焊上部焊缝。对

称施焊的焊缝1、2焊至焊缝高度的1/3后,翻身焊接下部焊缝,焊至焊缝高度的2/3后,再次翻身焊接上部焊缝至

完成,然后翻身焊接完成下部焊缝。

    通过上述工艺技术措施,本工程8个铸钢节点所有焊缝焊接取得成功,经第三方检测,焊缝超声波探伤合格

率达100%。同时各连接杆件定位尺寸偏差均在尺寸公差控制范围内。

5  结束语
(1)通过对铸钢节点构造设计优化,有效避免焊接过程中铸件本体层状撕裂。
(2)通过试验与研究,对大型铸钢件焊接施工技术进行优化,使其得以成功应用于超高层建筑中。

参考文献
[1]. 鲍广鲣《钢结构施工技术与实例》中国建筑工业出版社 2005.3
[2].《铸钢节点应用技术规程》 CECS235:2008 中国计划出版社
[3]. 陈祝年 《焊接工程师手册》北京 机械工业出版社 2002.1
作者简介: 陈东昱:女,1971年10月,宝钢钢构有限公司技术中心 焊接工程师,主要从事钢结构焊接工艺研究
 

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