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1建筑钢结构焊接技术特点及发展趋势前言建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用越来越广泛年。从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国，年钢铁消耗量已突破3亿吨，而其中钢结构的产量高达1.4亿吨，包括了能源、交通及基础设施等的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。到目前为止，我国已建成60多幢高层焊接钢结构建筑；大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用；桥梁钢结构方兴未艾；钢结构住宅在我国经过几年的深入研究和开发后，也已进入一个新的发展阶段。建筑钢结构设计愈来愈先进、施工技术愈来愈成熟，使建筑钢结构形成了以下特点：外观上，结构形状新颖独特，标新立异与众不同，体现了这个时代个性张扬的特点；材料的选用上，趋向于越来越多的应用；规模上，越来越多的超高层、大跨度世界级超大规模建筑在国内诞生；中央电视台大楼、上海国际金融中心、北京首都机场新航站楼、国家体育场“鸟巢”等典型的建筑钢结构焊接工程，充分说明了建筑钢结构已经步入了兴旺发达的成熟期。一、我国建筑钢结构焊接工程中的经典工程1)高层钢结构工程案例简介：央视新台址大楼，位于北京高度236m,51层，用钢量1.2万吨。中央电视台台址工程主楼由两座塔楼、裙房及基座组成，两层塔楼呈倾斜状，分别为51层、44层，总建筑面积40万平方米，顶部通过14层高的悬臂结构连为一体，悬挑70m，从侧面看呈扭曲的Z字形，为世界上单体钢结构用钢量最大的建筑物。上海国际金融中心，高度492m，101层，总用钢梁5.8万吨。本工程主楼高492m，地上101层，为世界第二高楼，总建筑面积377300㎡，主体结构为钢骨及钢筋混凝土混合结构。位于周边的巨型结构和中心核心筒塔楼手里体系的核心部分。22)大跨度空间钢结构工程案例简介：北京国家大剧院，平面尺寸212m×143m，北京国家大剧院主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧院、公共大厅和配套用房组成。外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20m，南北短轴为143.64m。建筑总高度为46.285m，地下最深处－32.50m，永钢6950吨，总建筑面积约为16.5万平方米，是世界上最大的穹顶建筑。椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙，网壳面积为3.5万平方米，没有立柱，全靠148根弧形钢承重，主桁架由60mm厚钢板组焊而成。北京国家体育场（“鸟巢”）平面尺寸332m×296m，北京体育场是北京2008奥运会主会场，其地面以上的平面呈椭圆形，长轴最大尺寸323.3m，短轴对大尺寸296.4m；建筑屋盖顶面为双向圆弧构成的鞍形曲面，最高点高度为68.5m，最低点为42.8m；屋盖中部的洞口长度为190m，宽度为124m；其放射状混凝土框架结构与环绕它们并形成主屋盖的空间钢结构完全分离。空间钢结构由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，与顶面和立面交织形成体育场整体的“鸟巢”造型，可容纳观众9.1万人，用钢4.19万吨，国家体育场钢结构工程中采用Q460厚板，为舞阳钢厂生产的产品，厚度可以达到110mm，在国内建筑钢结构工程应用，尚属首例。3二、从“鸟巢”钢结构焊接工程看建筑钢结构焊接技术的特点及发展方向1建筑钢结构焊接方式通常有以下几种：①SMAW（焊条电弧焊），主要用于钢结构制作中辅助焊缝的焊接；②SAW（埋弧焊），主要用于钢结构制作中主焊缝的焊接工作；③GMAW（CO2实心焊丝气体保护焊），主要用于现场安装工程、制作工程的主、次焊缝的焊接；④FCAW-G(CO2药芯焊丝气体保护焊)，主要用于现场安装工程、制作工程主、次焊缝的焊接；⑤ESW（电渣焊），主要用于BOX构件筋板的焊接；⑥SW、SW-P（栓钉焊），主要用于劲性构件的栓钉焊和楼层板的穿透焊。2“鸟巢”钢结构焊接工程中全部采用了上述方式，在现场的安装过程中主要采用以下14种技术：⑴Q460焊接性试验研究新技术；⑵大规模采用电加热预（后）热技术；⑶厚板采用SMAW-GMAW-FCAW-G复合新工艺技术；⑷大面积采用仰焊技术；⑸GMAW、FCAW-G大流量防风技术；⑹钢结构低温焊接技术；⑺铸钢及其异种钢焊接技术；⑻防止冷、热裂纹技术；⑼层状撕裂防止和处理技术；⑽特殊焊缝处理技术；⑾焊接机器人（FCAW-SS）焊接技术的应用；⑿钢筋T形焊接街头压力埋弧焊新工艺；⒀复杂钢结构应力应变控制技术；⒁特殊钢结构合拢技术。3“鸟巢”钢结构焊接工程所用的14项焊接技术是十分典型的，基本代表了建筑钢结构焊接技术的发展方向，以此为线索，来阐述建筑钢结构焊接技术的发展，找出其中带方向性和规律性的东西，供工作中参考。41)新钢种焊接性试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点2004年，低合金高强钢Q420在北京新保利大厦工程成功使用。经过两年的发展，目前国内已有数个钢结构工程使用高强钢，如国家体育场使用国产Q460钢，最大板厚110mm；国家游泳中心（水立方）工程使用国产Q420钢，中央电视台新台址工程更是使用了Q390、Q420、Q460级别钢，高强钢在建筑钢结构中的广泛应用，带动了高强钢焊接技术的发展。据查，Q460钢在我国第一次大规模生产和使用，也是世界首次使用厚度为110mm，总重为750t的工程；因此焊接性试验方法具有极大的推广应用价值，特别是在我国新钢种不断出现的今天，应当引起我们的高度重视。由于钢结构体系设计的需要，在重要性建筑钢结构焊接工程中采用了新一代高强钢种，这些钢种同传统钢种有很大的区别，掌握和研究新钢种的焊接性是一件十分重要和困难的工作。因此采用新工艺、新的运条手法进行施焊势在必行，否则将给工程带来损失。建筑钢结构用高强钢性能获得途径:合金强化、组织强化（如淬火+回火）、控轧控冷工艺（TMCP）、淬火+自回火控制轧制（QCT）。新的炼钢工艺，促进了新一代钢种的诞生。新一代钢种的焊接性同传统钢种有较大的区别，了解和掌握这方面的知识是焊接性研究的最基础的工作。2)厚板焊接将成为建筑钢结构的主要焊接技术随着钢板厚度的增加，焊接难度大大增加。在我国现行标准GB/T1591-1994《低合金高强度结构钢》和YB4104-2000《高层建筑结构用钢板》中，规定钢板厚度最大仅为100mm，不仅仅可以看到厚板在生产和焊接上的难度，而且看出远远落后于建筑钢结构焊接工程的发展速度。1.厚板焊接破口的设计2.预热、后热采用远红外电加热技术3.组合焊接新工艺4.多层多道接头错位焊接新工艺3)低温焊接技术得到大规模的推广我国冬季覆盖的范围大，建筑钢结构焊接工程冬季施工备受焊接界人士的关注。钢结构焊接工程能否在冬季施工？有没有临界施工焊接的最低温度？历来是5学术界和工程界致力解决的难题。根据美国国家标准AWSD2006《钢结构焊接规范》规定，—20℃为停止焊接的温度，但又申明采取了相应措施仍然可以焊接。我国JGJ—2002《建筑钢结构焊接技术规程》规定，焊接作业区环境温度低于0℃时，应根据钢材、焊材制定适当的措施；而日本建筑学会JASS6《钢结构工程》规定的最低施焊温度为—5℃。这些标准各不相同的规定说明：各国有各国的具体情况，没有统一的“临界焊接温度”的定义，只能根据具体情况，做出适合于客观环境的正确决策。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中，有1万吨以上的钢结构要在冬季完成焊接施工，根据工程现实，我们认为：冬季施焊的临界温度不能只从钢材、焊材的承受能力来规定，而必须从人、机、料、法、环五大管理要素来确定，不能简单从事。根据这一基本思想，国家体育馆“鸟巢”组织了很大规模的低温焊接试验，收到很好的成效，制订了《国家体育馆钢结构低温焊接规程》，确定了—15℃为停止施焊的温度。建筑钢结构冬季施焊，必然为项目带来巨大的直接经济效益，为抢夺工期赢得十分宝贵的时间。因此，国家体育馆“鸟巢”钢结构焊接工程中的低温焊接技术、规程、经验、必然被广大工程界所接受，必将得到大面积的推广应用。4)仰焊技术大规模的推广在建筑钢结构行业中，“尽量避免仰焊”几乎成了行业规范。然而作为一种焊接技术，它的存在是客观的，是不可避免的。以前人们对仰焊技术认识不深，过分地强调了仰焊的难度，而忽视它的优越性，对仰焊技术采取了封杀的态度，这是不可取的。封杀仰焊技术的实质是理论上的混淆和对应用技术的了解，因而造成了对仰焊技术“谈虎色变”的局面。5)同焊接常见裂纹作斗争是焊接技术的长期工作在建筑钢结构焊接工程中，由于焊接引起的各种裂纹统称为焊接裂纹（包括没有提到的层状撕裂）。焊接裂纹在焊接金属HAZ中都有可能发生，是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生的最危险缺陷。焊缝裂纹既可能在焊接过程中产生，也可能在焊接完成后的相当时间内产生，有极大的隐蔽性和破坏性，是建筑钢结构焊接工程首先要防范的缺陷。6建筑钢结构焊接工程中，焊接裂纹的产生主要有三种形式：复杂钢结构体系中的热裂纹；冷裂纹；厚板工程中的层状撕裂。建筑钢结构焊接工程主要的三种裂纹形式、产生机理、判据、防止方法。建筑钢结构焊接工程裂纹的产生原因很多，涉及到焊接工程的全过程，涉及到管理和技术两大方面，同时也涉及到管理者和操作工。人的知识水平的科学与否的状态决定了这一项工作的长期性，所以，建筑钢结构焊接工程同焊接裂纹作斗争是一项长期技术工作。6)铸钢及其异种钢的焊接将会成为建筑钢结构焊接工程中的又一个重点铸钢节点因其特有的性能：如良好的加工性能、复杂多样的建筑造型；在一些大跨度空间桁架结构中开始逐步推广使用，特别在处理复杂的交汇节点上，铸钢节点有着得天独厚的优势。在大型体育场馆、会展中心开始大规模使用。然而，铸钢节点也有先天不足：由于铸钢一般碳当量较高，尤其是S、P杂质难以控制，铸钢组织晶粒粗大，导致铸钢的焊接性较差，对焊接工艺要求较高。加上我国目前没有相关的技术标准指导工程，更加大了铸钢节点施工难度。铸钢节点的焊接要点是：控制热输入量，尽量减少对母材供货状态的破坏，减少焊接应力、防止焊接氢致裂纹的产生。因此，在工程中注意了以下三个重点。1)采用远红外电加热技术，准确控制预热、层间、后热温度，使整条焊缝受热均匀。具体指标：预热大于等于150℃；层间温度小于等于250℃；后热250～300℃保温1h后缓冷。2)无论铸钢同Q460，还是Q345焊，一旦开始焊接，整条焊缝必须连续焊完，中途不得停顿。3)焊接工程结束后，应当立即进行“紧急后热”，并保温缓冷。完全有理由相信，随着铸钢节点日益大规模的应用，国家体育场铸钢焊接技术会得到更进一步的推广应用，我国的相关技术标准也会应运而生，那么，铸钢的焊接技术将会更加成熟、更加可靠。7)钢结构体系初始应力的控制将成为焊接技术的又一主攻方向“鸟巢”钢结构焊接工程有两个十分重要的工序：合拢、卸载。在建筑钢结构领域内，第一次明确提出了合拢的概念。合拢实在规定的温度范围内、严格按照设计要求进行的焊接工程，主要目的7是使“鸟巢”全系统应力尽量均衡的重要技术步骤。带临时支撑的钢结构体系转换成封闭稳定钢结构体系的过程叫合拢，使钢结构形成封闭稳定系统的焊缝叫合拢焊缝。真正形成“鸟巢”钢结构系统初始应力的工序是卸载，带有临时支撑的钢结构稳定系统，转换成自承重稳定系统的过程叫卸载。卸载是对“鸟巢”钢结构系统焊缝质量的最终检验。在本钢结构焊接工程不希望焊缝的应力集中，不希望焊接应力尽量均衡，对具体焊缝而言，不希望出现很大变形，影响观感质量，更不希望存在很大的焊接残余应力而影响钢结构系统安全。通过合理的焊接顺序，科学的焊接规范，加上严格的全面质量管理，基本实现了此钢结构系统应力、应变均衡的目的，安全达到了设计要求。三、小结步入成熟的我国建筑钢结构，焊接技术必定向多元化方向发展。制作和安装工程各有侧重，各施工、制作单位情况各有不同，因此带来的技术发展方向也不相同。但是，提高工程质量、降低工程成本、价值工程，合理的性价比，确保安全和工期，肯定是我国焊接界的共同追求。“鸟巢”钢结构焊接工程为焊接技术的发展提供了千载难逢的机会，把我国的焊