多高层劲性砼柱钢骨螺柱焊接制作施工工法

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*****有限责任公司（WJGF--）多高层劲性砼柱钢骨螺柱焊接制作施工工法2010年6月第23页共23页 编制人员一览表姓名职称职务签字编制审核审批会签日期：2010年6月第23页共23页 目录1.前言42.工法特点43.适用范围54.工艺原理65.施工工艺流程及操作要点66.原材料与机械设备107.质量控制128.安全措施149.环境保护措施1511.工程应用实例16第23页共23页 多高层劲性砼柱钢骨螺柱焊接制作施工工法************1.前言多高层劲性钢骨砼柱，钢骨部分和砼的传力有焊接与钢骨上的螺柱完成，本文主要讨论，钢骨制作中的螺柱焊接制作工艺；螺柱焊接技术最早(1915～1918)由英国工程师HaroldMartin提出，主要用于解决造船中固定大量的螺柱紧固件。20世纪30年代，当时处于二战时期的英国、美国船舶战舰毁坏严重，出于战争需要，急需在短时期内新造或修复大量舰船，作为造船技术之一的螺柱焊接技术在美国人TedNelson的进一步研究下就应运而生并得到普遍应用。它利用螺柱本身作为金属电极，通过短时间的电弧燃烧使螺柱和母材同时熔化，然后将螺柱压入熔池，冷却后形成焊接接头。这是一种短时高效的全截面焊接方法，在船舶修造中主要用于固定焊接螺柱紧固件。随着工业技术的不断发展,除造船外,螺柱焊接方法也逐渐开始在其他领域得到应用，如炉窑保温层挂件、汽车螺柱、建筑锚栓等。现就螺栓焊接在建筑钢结构工程中的应用工艺技术做一点介绍。我司在多个工程施工的基础上，通过技术创新、工法提炼，逐步完善了工艺，编制了《多高层劲性砼柱钢骨螺柱焊接制作施工工法》，取得了较好的社会效益和经济效益。2.工法特点螺柱焊接技术在建筑工程中的应用是伴随着钢、混凝土组合结构的发展而发展的。钢、混凝土组合结构中第23页共23页 ,两种不同材性的物质组合充分发挥了钢的抗拉特性和混凝土的抗压特性,作为两者组合的连接件——锚栓对组合作用的发挥起着二个重要作用.一是防止钢、混凝土水平位移的抗剪切作用，二是防止钢、混凝土垂直剥离的抗掀起作用。传统的锚栓做法费工耗时,焊接量大时质量得不到保证,而采用螺柱焊接技术,不但实现了标准作业(抗剪圆柱头栓钉为标准件供应)，而且是短时高效的全截面焊接方法,效率高(4～8个/min)，质量可靠。由于螺柱焊接技术具有以上的优点,因而在钢、混凝土组合结构中,抗剪圆柱头栓钉焊接逐渐成为主流的锚固方式。需要说明的是,从焊接技术本身的发展历史来讲,短时高效的全截面焊接方法通称为螺柱焊接技术,而在建筑钢结构工程应用中,螺柱焊接技术主要用于焊接固定圆柱头建筑栓钉,在这一特定场合,我们又将螺柱焊接技术称为栓钉焊接技术或简称栓钉焊。1.适用范围随着钢结构的大量推广使用,螺柱焊也被广泛采用,主要用于以下三个方面:(1)抗剪连接件:主要用于钢骨+钢筋混凝土组合柱、梁及组合楼板的抗剪连接件,如大跨公路铁路桥梁、市政立交桥、高层钢结构建筑等。(2)栓钉锚固件:用于预制混凝土墙、柱埋设件的锚固件;现浇混凝土堤岸等包角锚固件;混凝土墙、柱座及牛腿垫板锚固件等;(3)栓钉墙体、壳体、罐壁的固定件:可供做轻型保温、隔音墙体的固定件,如高炉、电站等。其形式有叉型栓钉、伞型栓钉、弯钩栓钉等。第23页共23页 1.工艺原理4.1原理它利用螺柱本身作为金属电极，通过短时间的电弧燃烧使螺柱和母材同时熔化，然后将螺柱压入熔池，冷却后形成焊接接头。这是一种短时高效的全截面焊接方法。在建筑工程中,我们把剪力钉的焊接方法统称为拉弧式螺柱焊,简称螺柱焊。2.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程电弧螺柱焊实际上就是一个杆与板或其他型体的电弧压力焊过程。由于电容储能螺柱焊功率有限，只适于小直径杆件的瞬时快速焊接，对较大直径杆件则用电弧螺柱焊，其焊接流程如图5.1-1所示。图5.1-1（螺柱焊接流程示意图）整个焊接循环过程包括如下几个阶段：第23页共23页 第一阶段：准备；剪力钉外套瓷环保护圈,其端部与母材表面接触;第二阶段：提起引弧；接通电流后,在瞬间大电流下接触点被熔化,在小间隙处产生电弧,随后电弧被提升,拉弧至稳定燃弧状态;第三阶段：电弧熔化金属形成熔池；在焊接阶段,电弧稳定燃烧,螺柱端部和母材表面被高温电弧熔化。第四阶段：压下并挤出熔池的熔化金属，螺柱向母材表面送进,熔融的螺柱和母材顶锻在一起;。第五阶段：停压断电形成焊缝；顶锻结束后,部分熔化金属被挤出,在陶瓷保护圈的约束下冷凝形成角焊缝。第六阶段：冷却结晶完成焊接螺柱拉弧焊接过程其中值得注意的地方是：为方便引弧，加引弧结或将杆件待焊端部加工成带锥度和小接触面；为了使电弧气流压力阻止空气侵入，要采用与杆件直径相匹配并经过干燥的陶瓷环，气流和飞溅金属一起由陶瓷环的空间排出，在压下后约束焊缝成形。5.2施工工艺特点5.2.1栓钉的预加工为了便于引弧，通常把栓钉端头长6mm内加工成120°的圆锥形、在尖端3mm内加工成φ4的圆柱，其他尺寸按设计要求，最好在栓钉制造时一并完成。5.2.2瓷环选用瓷环应与栓钉尺寸相匹配，并保证一定公差。瓷环应保持干燥清洁，使用前要进行120°的烘干，并对其高温强度、抗电弧特性和线膨胀系数都有一定要求。第23页共23页 图5.2-1（螺柱焊接用陶瓷环示意图）5.2.3焊接工艺参数的选择焊接工艺参数按栓柱直径选择，初选可参考表进行表5.2.3-1，表5.2.3-2列出了常用直径栓钉的焊接参数，初选后可通过工艺试验进行适当调整，最后投入施工。5.2.4焊接电流I、焊接时间t在非穿透焊焊接工艺中,提升高度(也可以认为是电弧长度)波动较小,电弧电压基本保持不变,一般为40V左右,因此电弧能量W=U×I×t主要由焊接电流I和焊接时间t第23页共23页 决定。电弧能量绝大部分用于熔化螺柱和母材,其余损失的能量为螺柱、母材的热传导损失、热辐射损失、飞溅损失等。对于一定直径的螺柱其要求的输入能量是一定的,其对应关系见下5.2.4-1。对于一定直径的螺柱,在电弧电压40V基本不变时,焊接电流I和焊接时间t变化关系见下5.2.4-2。焊接电流I决定了母材焊接熔池的大小,根据理论计算和实际能量损失,工程计算为:焊接电流I=(70～90)×φ图5.2.4-1图5.2.4-25.2.5提升高度H、伸出长度L一定的提升高度是为了保证螺柱引弧后的稳定燃烧,提升高度H过大时,电弧长度长,电弧不稳,易产生漂移和磁偏吹；提升高度H过小时,电弧长度短,熔滴过渡时易产生短路、断弧。对于一定直径的螺柱其对应的提升高度H见图5.2.5-1。断电熄弧断磁后,伸出长度L主要决定了螺柱下送的速度和顶锻力,伸出长度L过大时,弹簧预压缩量大,使提升高度减少,下送的速度和顶锻力加大,此时可通过调节弹簧阻尼来控制下送的速度,减少飞溅;伸出长度L第23页共23页 过小时,弹簧预压缩量小,螺柱下送动力小,造成螺柱插入不足。一般而言,伸出长度L≥螺柱的熔化长度S。提升高度H、伸出长度L与螺柱直径φ的关系见下图5.2.5-2。图5.2.5-1图5.2.5-21.原材料与机械设备6.1螺柱焊焊接材料1998年冶金工业部建筑研究总院经多年研究,主编了国家标准《无头焊钉》(GB10432-89)、《圆柱头焊钉》(GB10433-89),焊钉材质为Q235,钢号为ML15低碳镇静钢,其化学成分和机械力学性能见表6.1-1、表6.1-2,主要用于钢结构抗剪件、锚固件,规格为<13、16、19、22、25mm五种。第23页共23页 6.2螺柱焊焊接设备目前,在建筑钢结构上应用的螺柱焊机主要有以下几种:（1）通过电阻分档变流的螺柱焊机。（2）通过移相触发控制,电流连续可调的硅整流式螺柱焊机(可分为全控桥式和半控桥式)。（3）逆变式螺柱焊机。目前,我国生产的螺柱焊机可焊螺柱直径(3～25)mm,而国外同类型焊机最大可焊直径已达<32mm,特别是大直径(≥<22mm)电弧螺柱焊机,因为大型钢结构工程,如钢质桥梁和钢结构高层建筑都很需要这种大型焊机。焊枪:焊枪的基本结构见图6.2-1。第23页共23页 图6.2-1焊枪是螺柱焊机的执行机构,它的参数调节形式主要有提升高度分档调节、伸出长度滑杆调节、下送阻尼弹簧调节等。目前中国生产建筑螺柱焊机主要以电阻分流式焊机为主。1.质量控制　　目前非穿透焊技术已经比较成熟,焊接质量稳定。影响焊接质量的因素主要有:（1）焊接设备:主电源、电缆长度、焊枪;（2）焊接栓钉:材质、加工尺寸精度、表面清洁程度;（3）工艺参数:栓钉伸出长度、提升高度、焊接电流、焊接时间;（4）施工条件:天气、水、锈、油、油漆等;（5）操作人员:各种焊接位置的适应性。第23页共23页 一般来说,选定了焊接设备和焊接栓钉后,按推荐的焊接工艺参数进行焊接工艺评定试验,评定结果合格,则认为操作人员培训合格,焊接工艺可用于实际生产。在实际焊接过程中,只要保证施焊处母材表面的清洁度(打磨除锈),其他焊接参数保持不变,大量焊接时均能保证焊接工艺参数的一致性,焊接质量稳定,合格率达95%以上。栓钉质量验收可分为两部分:外观检查和弯曲试验,焊接工作告一段落后,应按标准进行自检验，自检合格后,写出自检报告,并附工艺参数试验报告,最后由甲方组织专门质检小组进行总检。总检合格后方可进行下一步工序。7.1外观检查，外观检验包括如下几个部分7.1.1：焊缝形状螺柱必须完全插入至熔池,冷却后在螺柱周围形成完整连续的焊缝,任何焊肉欠缺或间断都是不允许的。需要指出的是,焊脚高度的大小并不是质量检查的要点,一个均匀、连续、无缺陷的焊脚,其焊脚高度大小对质量的影响是无关紧要的。7.1.2：焊缝外观焊缝外观呈灰白色光泽。熔池保护不足会导致表面出现麻点和气孔。7.1.3：焊后长度测量螺柱焊后长度比订货长度小2～5mm,如果焊接工艺参数不变,则焊后实际长度波动值为±1mm,通过测量焊后长度就可间接地评价焊接工艺参数的变化和螺柱焊接质量的好坏。外观检查合格后,对栓钉进行1%的抽样打弯检验,弯曲角度为15°第23页共23页 ,若焊缝无裂纹,则认为合格,否则应再从同批工件中抽样2%进行弯曲检验,若全部通过则为合格,否则应对整批栓钉进行逐根检验。7.2弯曲检验外观检查合格后,还应按比例2%～5%进行弯曲检验。如下图所示,利用锤子锤击螺柱和在螺柱上加套管来进行弯曲检验,当弯曲至60°时,如果焊缝及周边热影响区无裂纹,则弯曲检验合格。7.3纠正措施焊缝外观检查时发现的焊肉不足或焊脚不连续,允许通过其他合适的焊接方法(手工电弧焊、气体保护焊)来进行焊补。焊补后的焊脚高度估算值h=1/4×螺柱直径。1.安全措施8.1安装工人进场必须进行三级教育，特殊工种操作人员必须持证上岗。8.2在梁、柱安装时，操作部位要搭设操作平台，钢构架的四周临边也搭好防护栏杆。构架上要搭设走道，严禁在钢梁上行走或操作，高空作业的人员必须系好安全带。8.3施工用的电动机械和设备均须接地，不允许使用破损的电线和电缆，严防设备漏电。第23页共23页 8.4高空作业时，不准往下往外丢铁块等杂物，应上下传递。8.6施工时还应注意防火，焊接作业时在施焊处要采取隔离措施，防止焊渣坠落伤人或引燃其它物品，焊接作业完成后对高温的垫板或钢筋头不得乱丢乱放，应及时冷却处理。施工现场要配备足够的灭火器及水源。1.环境保护措施9.1钢柱在地工现场进行拼接作业时，如毗邻居民社区，不允许在中午12时至下午2时及夜间进行施工，其他时段施工时应告知社区居委会，并贴出告示，同时确保施工噪声符合：GB12523—1990《建筑施工场界噪声限值》要求。9.2吊装作业面距离道路、住宅楼及公共场所较近时，吊装作业时，注意尽量远离以上区域，并设置并警戒线，派专人进行警戒，疏导行人远离吊装作业区域。9.3现场焊接时，做好焊渣的回收工作，防止焊渣高空坠落伤人。尽量不在夜间进行焊接作业，减少光污染。2.效益分析随着我国国际化程度的不断加深与国际接轨的程度不断深入，国外的建筑结构特点也在不知不觉之中影响着我国房屋建筑，尤其是在高层建筑的发展上，我国紧跟国际脚步，一大批国际化超高层建筑都在紧锣密鼓的建设中，无论是在民用、商用高层建筑中，还是工业用大跨度，高负载建筑，钢、混结构都越发体现出其特有的结构特点，得到了越来越广泛的应用。第23页共23页 近年来，我国已把钢、混结构在住宅建筑上推广应用作为建筑业的一场产业革命。1999年，经原国家经贸委批准，将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点，并正式被列入国家重点技术创新项目，钢结构住宅由此引起各界广泛关注。钢混结构，超高层结构劲性柱结构的广泛使用使得螺柱焊技术应用越来越广泛,在劲性柱结构中，采用螺柱焊接技术是一种可靠、快速、安全而经济的施工技术,缺了它,在现代化的组合结构中固定大量的圆头剪力钉是不可想象的。传统的焊接方式，存在诸如焊接效率低，焊缝质量难以保证，焊材材料损耗大等的缺陷；而采用本工法中所介绍的新型螺柱焊接技术后，制作工时缩短到了原本的三分之一，焊缝得到充分的熔透保证，因采用螺柱本身作为电极，基本上不需要使用其他的焊丝焊剂，大大降低了螺柱焊接直接成本，尤其在大规模钢构件的制作中，更能充分体现其节能、质量和经济效益。施工中只要注意一些简单的基本原则就可避免产生缺陷,采用这些基本原则为应用者随时进行质量管理提供了方便。1.工程应用实例实例1：广西体育中心工程总占地1147亩，总建筑面积达19.8万平方米。工程包括体育场、体育馆、游泳跳水馆以及现代化的网球中心。广西体育中心一期主体育场主体结构工程分为土建部分工程（含看台、斜柱曲梁、混凝土劲性柱建设）、钢结构及屋面工程；我公司负责钢结构分项工程中的劲性混凝土柱内型钢柱的制作部分。本工程螺柱的焊接量大，总计24万根，焊接采用以上介绍的螺柱焊接工艺，焊接效率高，取得了较好的焊接效果。实例2：第23页共23页 广西科技馆是广西壮族自治区成立50周年大庆重点献礼项目，于2006年3月3日立项，2006年12月28日开工建设，2008年12月5日建成开馆。占地面积14655㎡，总建筑面积38988㎡，总投资约2.5亿元，我公司负责钢结构分项工程中的劲性混凝土柱内型钢柱的制作部分。实例3：广东京信电力集团有限公司，南海发电一厂二期2×300MW“热电联供”机组燃煤机组扩建项目，供热机组替代改造工程主厂房1#、2#机加热器平台、楼面钢梁采用了螺柱栓钉焊施工；我公司负责钢结构分项工程中的螺柱栓钉焊施工。第23页共23页 附图：图（1）正在进行螺柱焊接图（2）已经焊接好的螺柱（陶瓷环未敲掉）第23页共23页 图（3）螺柱和磁环图（4）已焊接好螺柱的腹板（南宁体育馆劲性柱）第23页共23页 图（5）一段已焊接好螺栓柱劲性钢混柱内钢柱（南宁体育馆劲性柱）图（6）螺柱焊机第23页共23页 图（7）螺柱焊机图（8）螺柱焊枪第23页共23页 图（9）敲碎陶瓷环后的螺柱焊缝特写图（10）正在安装中的科技馆劲性柱第23页共23页 图（11）正在安装中的科技馆劲性柱图（12）正在安装中的科技馆劲性柱第23页共23页