重（chóng）型熱軋H型鋼在大跨（kuà）度（dù）桁架和鋼梁中的焊接應用

一

前言

洛陽科（kē）技館工程中，五（wǔ）層樓蓋結構采用大跨度鋼桁架空間結（jié）構（gòu），桁架（jià）為H型（xíng）截麵雙層桁（héng）架，跨度54m，交叉處桁（héng）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（wéi）70mm。這種重型熱軋H型鋼（gāng）在國內首次應用於大跨度公共建築的主體結構（gòu）。

在超高層或超大跨度（dù）的公共（gòng）建築中，建築的結構設計往（wǎng）往通過各種複雜（zá）的空間結構來實現，而重型熱軋H型（xíng）鋼的應用可以獲（huò）得（dé）更優化（huà）的結構性（xìng）能。與焊接H型鋼相比，熱軋H型鋼具有更標準（zhǔn）的截麵（miàn）尺寸和更好的材（cái）料性能，大大減（jiǎn）少了焊接和焊縫檢（jiǎn）測的工作量，為現場施工提供了便利。目前，熱軋H型鋼在國內鋼結構（gòu）工程中的使（shǐ）用（yòng）量相對（duì）較少，主（zhǔ）要用於工業建築（zhù）領域[1]，在民用建築領域還有較大的發展空間。

2

390GJC重型熱軋H型（xíng）鋼技術指標

2.1機械性能和化（huà）學成（chéng）分（fèn）

Q390GJC鋼的力（lì）學性能見表（biǎo）1。從表1可以看出，該材料具有較高的（de）屈服強度和抗拉強度（dù），以及較高的安全儲備。從鋼材的斷麵收縮性能可以看出，所（suǒ）選重型熱（rè）軋（zhá）H型鋼在縮口（kǒu）區的應力狀態下（xià）產生的最（zuì）大塑性變形優於普通鋼材，且滿（mǎn）足厚度方向的抗撕裂性。

Q390GJC鋼的化學成分見表2。從表2可以看出，鋼中加入（rù）了V、Ti、Nb等合金元素（sù），V+Ti+Nb = 0.1%，碳當量CEV=0.45%，焊接（jiē）裂紋敏感性指（zhǐ）數Pcm=0.275%。從以上指標可（kě）以看出，鋼材（cái）具有優異的抗裂性，對焊接冷裂紋具有良好的敏感性，但在焊接（jiē）工程中需要（yào）嚴格控製預熱和層間溫度，焊後（hòu）進行保溫處理[2]。

2.2焊接材料的特性（xìng）

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

三

焊接工藝

3.1焊（hàn）接方法和（hé）設備

焊接開始前，根據本工程390GJC鋼焊接施工的特點，按照GB 50661—2011《鋼結構焊接規範》[3]進行了工藝評定試驗，確定了焊接方法、焊接材料、焊道、坡口形式和預熱溫度等基本信息。為了確定切實（shí）可行（háng）的工藝參數和焊接措施，選擇現場有代（dài）表性的母材和焊絲，由專（zhuān）業焊工在相同的環境條件下進行焊接。焊接（jiē）完成後，對其進行測試，並出（chū）具焊接工藝評定報告。

工程結構主要是外露構件。根據現場施工條（tiáo）件和鋼材的（de）焊接性能，焊接采用CO2藥（yào）芯（xīn）焊絲氣體保護焊。這種方法熔（róng）敷效率高，速度是焊（hàn）條電弧焊的（de）2 ~ 3倍，而且焊接時更穩定，容易排渣，飛濺少，焊縫成形更美觀。在現場焊接過程中，更適合現場用電環境（jìng），具有較寬的焊接電流和電（diàn）弧電（diàn）壓條件。根據鋼材的材（cái）料性能和H型鋼的厚度，確定焊接時預熱溫度為80℃，層間溫度≤200℃。焊接前應用砂輪打磨坡口，焊道之間清除焊渣（zhā）和飛濺物。主要焊接參（cān）數見表5。

3.2焊接接頭的結構

焊接接頭主要是單麵V型槽，如圖1所示。溝槽采用切割機加工，角磨機研磨。在對接接頭和丁字接頭的兩端安（ān）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（néng）相近的板材，焊後用氣（qì）割切割平整。

根據15G909-1—2015《鋼（gāng）結構連（lián）接構造（zào）圖(焊接連（lián）接)》[4]，確定了本工程H型鋼上下翼緣焊接孔的倒角結（jié）構，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（hàn）縫，更容易在熱（rè）影響（xiǎng）區形成應力集中。因此，過焊孔的大小和加工質量（liàng）對焊接質量影響很大。過焊孔的R角（jiǎo）半徑這次要控製（zhì）在45mm。

3.3焊接質量控製

(1)焊接質量要求（qiú）

本工程H型鋼構件拚（pīn）接接（jiē）頭上下100mm範圍內，框架梁柱節點翼緣上下600mm範圍內，要求全熔透焊接，焊縫等級為一級；其他（tā）坡口焊縫質量等級為二級；部分（fèn）坡口焊縫和部分附加對接（jiē）焊縫（féng）的質量等級為三級；角焊縫按三級進行檢驗。應檢測100%的焊縫表麵缺陷，不得（dé）有裂紋和焊瘤等缺陷。當重型（xíng）熱軋H型鋼用於組裝焊接時，可以隻考慮組裝接頭。與焊接H型鋼相比，重型熱軋H型鋼為整體鑄造結（jié）構，結構更可（kě）靠，內應力更小，對結構更有利。

焊（hàn）接前，檢查焊接現場條件是否滿足焊接（jiē）工（gōng）藝評定試驗結果的要求，尤（yóu）其是（shì）焊絲（sī）和保護氣體。由於焊接（jiē）溫度較低，焊前預熱和焊後保（bǎo）溫措施應嚴格按照評定標準進行[5]。在焊接過程中，應（yīng）在電弧試驗板上對焊接電流和電弧電壓進行比較和調試，以確保它們滿足工藝評定的要（yào）求（qiú）。

(2)焊（hàn）接順序

本工程重型熱軋H型鋼（gāng）的焊接主要是桁架構（gòu）件現場組裝焊縫的焊接。在確（què）定焊接順序時，主要以（yǐ）焊接變形最小為原則。采（cǎi）用對稱焊接。先焊接變形大的部（bù）分，焊接時熱量均衡，減少焊接應（yīng）力的（de）不利影響。焊接順序如下（xià）:①先焊（hàn）接（jiē）主弦（xián）杆對接焊縫。②重新焊接斜腹杆和主弦杆之間的焊縫。③H型鋼的兩條焊縫不同時（shí）焊接。沿中間向（xiàng）兩側對稱跳焊，減少（shǎo）變形的發生。

(3)焊前預熱和保溫措（cuò）施

本工程采用熱軋H型（xíng）鋼的樓板桁架剛進入冬季施工。低溫焊接的低合金鋼采用焊前預熱和（hé）焊後熱處理措施，通過均衡加熱減少焊接變形和收縮[6]。焊後（hòu）預熱和熱處理的溫度應按焊接工藝評定的要求進行控製。電加熱主要用於焊前預熱和層間溫（wēn）度加熱。當板的厚度小於20毫米時，也可以使用火（huǒ）焰加熱。預熱溫度（dù）由接觸式熱電（diàn）偶溫度計（jì）測（cè）量。當焊接接頭兩端的鋼板厚度不同時（shí），預熱溫度由厚板決定。預熱時，在焊縫兩側加熱，加熱寬度大於待焊焊件厚度的1.5倍，需要> > 100mm。測量加熱區鋼材背（bèi）麵的溫（wēn）度，在電弧通過前，測量點距離焊接點（diǎn）≥75mm。根據不同的板厚，適當提高前預熱溫度，使整個板厚達到規定的預熱溫度。使用火焰加熱器時，正麵測（cè）量應在（zài）加熱（rè）停止後進行。層間溫度範圍的最低值與預熱溫度相同，最高值應滿足母材熱影響區不過熱的要求。焊接（jiē）層間溫度低於250℃。焊後進行脫氫熱處理，焊後立即加（jiā）熱（rè）至300 ~ 350℃。保溫時間按每（měi）25mm厚度≥1h確定。達到保溫時間後，裹（guǒ）上岩棉，慢（màn）慢冷卻。加熱、溫度（dù）測量方法（fǎ）和操作（zuò）人員（yuán）培訓要求與預熱相同。如果焊後修補焊縫，需要在焊補（bǔ）處進行預熱（rè），預熱溫度比正常（cháng）預熱（rè）溫度高50℃，預熱（rè）區域需要（yào）加寬，防止焊接裂紋。

根據現場（chǎng）施工（gōng）進度，鋼結（jié）構吊裝預計11月底完成。為了最大限度（dù）地減少溫度變化（huà）引起（qǐ）的結構內力和變形，大跨度位置（zhì）的節點焊接需要嚴格控製環境溫度，應在天氣晴朗的中午前後，此時氣溫接近城市年平均氣溫。在其（qí）他環境中，當環（huán）境風速大於2m/s時，應采用適當的防風措施或抗風焊機；當（dāng）環境風速> 8m/s或相對濕度≥80%時，應停止露天焊接。

四

常（cháng）見焊接問（wèn）題（tí）及解決方法

4.1焊縫檢查方法

根（gēn）據GB 50205—2020《鋼結構工程（chéng）施（shī）工質量驗收標準》[7]和GB 50661—2011《鋼（gāng）結構焊接規範》[3]進行焊縫檢驗，其中全熔透的（de）一級焊縫全部采用超聲波或射線檢測，二級焊（hàn）縫按20%抽樣檢測。焊縫檢驗時，按相同焊接條件下的焊縫數量計算百分比，熱軋H型鋼對接焊縫周圍的母（mǔ）材也要進行檢驗。焊縫檢查時注意焊縫表（biǎo）麵是否出現裂紋、氣孔、咬邊和焊高不足（zú），並（bìng）記錄下來（lái）。內部缺陷采用超聲波檢測，檢查焊縫是否有（yǒu）夾渣（zhā）、未（wèi）熔合、未焊透等缺陷。

4.2焊（hàn）接裂紋及預防措施

在焊接構件的施工過程中，焊接（jiē）裂紋（wén）是最難處理的缺陷。當裂紋輕微時，可以修複；裂紋嚴重時，隻能報廢該部件。焊接裂紋包括以下類型（xíng）:弧坑或焊（hàn）腳（jiǎo）或焊根裂紋、焊縫或熔合線或熱影響區裂紋、表麵或內部貫穿裂紋、分（fèn）層撕裂等[8]。本（běn）工程樓層桁（héng）架采用整體（tǐ）提升的施工方法。吊裝（zhuāng）前後，針對上述問題，對整個（gè）焊縫進（jìn）行（háng）檢查。經檢查發現，樓層（céng）桁架組裝焊接前期未發現裂紋缺陷。然而，在（zài）組裝基（jī）本成型後，由於桁架內應力隨著組裝過程不斷變（biàn）化，重型（xíng）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（duì）現場700多個過（guò）焊孔進行檢查時，發現了（le）5條從過焊孔延伸至腹板的裂紋，裂紋長度均小於50mm。及（jí）時鑽好止裂孔後，對（duì）這些裂紋進行修補，並對主焊縫所有疑似裂紋位置進行（háng）磁粉和（hé）超聲波檢測，對焊縫兩側500mm範圍內進行（háng）二次打磨，並對母材（cái）進（jìn）行檢測（cè），未發現相關缺陷。

發現焊縫裂紋出現的位置相（xiàng）同，都在熱（rè）軋H型鋼（gāng）的下翼緣與腹板交界處，且都是坡口側裂紋。由於熱軋H型鋼上（shàng）翼緣（yuán）存在過（guò）焊孔，不容易形（xíng）成應力集中。另（lìng）一方（fāng）麵，下翼緣更靠近平焊槽側腹板與翼（yì）緣之間的焊縫（féng），更容易在（zài）熱影響區形成（chéng）應力集中。對比其他無焊縫裂紋的桁架位置，發現（xiàn）有質（zhì）量問題的下翼緣焊接孔R角半徑較小，加工質量偏差較大。裂紋（wén）產生區域如圖3所示。

對於重型（xíng）熱軋H型鋼的焊接，要嚴格執行預定的焊接結構措施，設置標準坡口和過焊接頭。對於小角度、窄間隙的焊接坡（pō）口（kǒu），容易（yì）造成焊縫成形係數過小的問題，應避免這種坡口。焊接過程中應盡量減少焊接應力對型鋼的影響，焊接材料的化學成分應與焊接母材相匹（pǐ）配，控製焊接過程中（zhōng）的電流和速度，焊前應加強（qiáng）預熱，以減緩冷卻（què）結晶時（shí）焊縫的冷卻速度。通過製定合理的焊接順序，可以在較小的約束程（chéng）度下完成大部分焊（hàn）縫的焊（hàn）接，從而使焊縫的收縮和張力最小（xiǎo）化。同時（shí），焊接後必須（xū）對焊縫進行脫氫處（chù）理，降低焊縫中的氫含量，從而有（yǒu）效（xiào）減少冷裂紋的發生[4]。

4.3加固措（cuò）施

(1)焊縫表麵缺陷

主要表現為焊（hàn）縫表麵的未焊透、咬邊、裂紋、電弧擦傷、根部縮孔、夾渣（zhā）、接頭不良和氣孔，大部分（fèn）缺陷肉眼可直接發現。但不同等級焊縫的質量要（yào）求會有所不同，裂紋的大小通常通過磁粉或滲透探傷來確（què）定。對於焊縫（féng）表麵缺（quē）陷的處理，通（tōng）常采（cǎi）用磨床（chuáng）打磨或鏟、鑽、銑等方法進行改善；針對焊縫尺寸不達標或弧坑未（wèi）填（tián）滿的問題，采用補焊進行處理。對於焊縫（féng）表麵出現裂紋的問題，需要采取碳弧氣刨的方法（fǎ）去除裂紋，重新焊接，從而（ér）修複裂紋[9]。

(2)內部缺陷

對於檢查後發現的內部（bù）缺陷，需要確認修補部位的長度和深度，並附上修補計劃。修複（fù）前用砂（shā）輪或碳弧氣刨去除修複部位的滲碳層，露出純金屬光澤，便於仔細檢查裂紋去除是否徹底。如果焊縫長度過長（zhǎng），可以分段剝離。當修補部位的焊（hàn）接中斷時，必須采（cǎi）取後加熱或相應的保溫措施。返修（xiū）部位再次焊接時，首先要進（jìn）行無損檢測，確認無裂紋後才能進行補焊[5]。如果返修時的預熱溫度高於原焊時的預熱溫度，且（qiě）正反麵處於同一位置，則不允許返修超過兩次。焊接後仍需重新（xīn）檢驗。如果修複（fù）仍不合格，必須重新編寫修（xiū）複方案，並在調查（chá）原因後重新進行修複。焊接（jiē）後，如果檢查合格，應詳細準備施工記錄和無損檢測報告等（děng）相（xiàng）關資料，以（yǐ）便存（cún）檔。在焊接過（guò）程中變形的部件可以通過≤900℃的加熱進行矯正，使部件恢複正常。如果同時進行熱（rè）矯正和機械矯正，一定要注意避免藍脆，並且要（yào）注意（yì）加熱後的緩冷。

(3)過焊孔裂紋的處理

當焊接孔裂（liè）紋延（yán）伸至翼緣時，認為翼緣鋼板厚度（dù）較厚，結構部分更重要（yào）[10]，需要換板；當焊接孔裂紋延伸至腹板時，考慮到腹板厚度較薄，結構部分的重要性相對較小，可采用裂紋修補方法。

根據GB 50661—2011《鋼結構焊接（jiē）規（guī）範》的相關要求，準確（què）確定裂紋的起止點，並在起止點鑽（zuàn）直徑為12 ~ 16mm的止裂孔，徹底清除裂紋。同時（shí）在腹板一側加一塊規格為20mm×200mm×300mm的加強板(見圖4)，另一側加工成側傾角（jiǎo）> 10°的坡口，碳弧氣刨後（hòu）清理滲碳層。然後根（gēn）據全熔透對接焊縫的要求（qiú），將溫度調整到100 ~ 150℃進行預（yù）熱，采用低氫焊接進行焊接。焊接後，需要進行超聲（shēng）波和磁粉檢（jiǎn）測。檢驗合格後，需要在焊縫位（wèi）置粘貼膠帶進行保護，方便使用防火塗料後仍能觀察到。

五

結束語

與焊接H型鋼相比，重型熱軋H型鋼在工程中的應用不僅大大增加了工程施工的便利性，降低（dī）了加工（gōng）成本，而且（qiě）使結構的內應力（lì）更小，質量更可（kě）靠（kào）。大跨度樓蓋桁架中，重型熱軋H型鋼的材料性能和力學（xué）性能滿足設計要求。在焊接工程中，應按（àn）焊接（jiē）工藝評定的要求執（zhí）行所有的標準和規定，並對坡口開口和過焊接頭進行規範。由於重型熱軋（zhá）H型鋼的應用涉及大量厚板（bǎn）焊接，焊前預熱和焊後保溫應嚴格執行工藝要求。焊接後應進行（háng）無損檢測，並對缺陷製定合理的修補和加固措施，以保證桁架的焊接質量。