螺柱焊工艺在全钢结构和轻质隔墙体系 建造中的应用

在超高层建筑设计时常采用钢结构，内部墙体构造则使用轻钢龙骨隔墙，轻钢龙骨与钢结构通常利用强力射钉、转接件或抱梁抱柱的形式进行连接。这种连接方式需要投入角钢或钢件等较多的配套材料，施工操作步骤和质量控制环节较多，因此成本高和施工时间长，同时大量的材料浪费和焊接也严重影响环保。为提高钢结构和轻钢龙骨隔墙连接质量，同时起到降本增效的作用，在钢结构和轻钢龙骨隔墙体系中创新性地引入螺柱焊连接技术。螺柱焊是通过极短暂电流将钢构件表面熔融后与螺柱焊接，从而用螺母把轻钢龙骨与钢结构有效连接。1、工程概况北京市朝阳区东三环北京商务中心（CBD）核心区Z12地块项目地上45层，总建筑高度216 m，总建筑面积约18万㎡，建成后将成为泰康集团总部办公基地5A级金融办公大楼。该工程地上塔楼为钢支撑–钢核心筒体系，地上墙体全部采用轻钢龙骨隔墙，外部为玻璃幕墙，地上均为装配式构件。该工程地上为纯钢结构，用钢量3.3万t，隔墙全部采用轻钢龙骨隔墙，隔墙面积约11万㎡。钢柱、钢斜撑等用钢型号为Q390GJC、Q390C，钢梁用钢型号为Q345C（GJ）、Q235C。隔墙轻钢龙骨有C形、CH形、方钢等，壁厚为0.8 mm和1 mm。隔墙面板为石膏板、水泥压力板等。轻钢龙骨隔墙和钢结构的连接包括与钢柱的连接、与钢梁的连接和与钢斜撑的连接。通常两者之间的连接采用强力射钉、角钢转接件或抱梁抱柱的形式，而本工程则引入螺柱焊工艺，其典型的连接方式如图1所示。图1龙骨与钢柱连接示意2、螺柱焊工艺原理在钢结构施工时，为了保证钢结构和混凝土的有效连接，协同发挥作用，常会在钢构件表面焊接一些栓钉，通过栓钉将钢构件和混凝土构件浇筑成为一个整体。根据该工艺，在轻钢龙骨隔墙与钢结构连接时，采用类似点焊的方式也能实现有效连接，由此产生了在建筑施工中的螺柱焊工艺。螺柱焊机一般分为电容储能式螺柱焊机和拉弧式螺柱焊机。在工程实践中，经过性能对比和试验模拟，现场比较适合采用焊接时间短、熔池浅的储能式螺柱焊机。焊机工作时，通过电容放电所提供焊接所需的能量，使螺柱和钢构件之间出现很短时间的电弧，电弧熔化工件表面和螺柱顶端的少量金属，随后螺柱浸入熔池，熔化金属迅速冷却，形成焊接接头。之后用于螺柱对应型号的螺母将弹性条和轻钢龙骨固定于钢构件，上述步骤完成后再进行后续龙骨、岩棉及墙板的安装操作。3、螺柱焊施工的控制要点轻钢龙骨隔墙和钢结构连接的整体工艺流程为：施工准备→深化设计→测量放线→基层处理→焊机预热→螺柱焊接→过程检测→防火涂料修补→轻钢龙骨安装→一侧隔墙面板安装→岩棉板安装→隐蔽检验→另一侧隔墙面板安装→后续隔墙安装→验收。其中，螺柱焊工艺主要指焊机预热、焊接和检测3个过程。虽然螺柱焊相对于其他工艺来说质量容易控制，但仍然需要注意把控好施工要点才能保证工程履约的顺利实现。螺柱焊工艺的要点包括以下几方面。（1）设备和材料选择：螺柱焊机、螺柱焊钉等材料应进行选择，螺柱焊机性能应保证焊接时间在3 ms之内，无需保护气体，同时熔池深度约0.1 mm，防止对钢构件造成伤害。螺柱焊钉选择碳钢镀铜螺钉，其直径应根据设计要求或试验数据确定，对于轻钢龙骨隔墙而言，一般选择直径为6 mm或8 mm的螺钉即可满足受力要求。（2）样板和试验：螺柱焊在大范围正式投入使用前，应制作样板，并取样进行相关力学等试验，在所得的力学数据符合设计要求方可正式施工。（3）深化设计：应根据轻钢龙骨隔墙体系的构造和设计受力的要求，确定螺柱焊钉的间距，深化螺柱焊钉排布。原则上螺柱焊钉按照600 mm间距设置基本能满足设计要求，针对边角处、门洞口、电梯井道等特殊位置的隔墙，由于形状不规则或受力较大时，螺柱焊钉的间距按照不大于600 mm的要求进行排布（图2）。图2螺柱焊钉位置深化排布示意（4）焊机预热：螺柱焊机一般需充电1~3 s预热后方可进行焊接，具体预热的时间和方法应根据焊机说明书进行操作。（5）样板制作：正式焊接作业前应先行进行试焊作业。焊接时，应保持焊枪垂直于钢结构表面，焊枪静止不动，直到焊接完全结束，最后垂直于钢构件表面的方向把焊枪拿开。当间歇期间温度降低后可以继续焊接下一个焊钉。（6）力学试验：在制作完成的样板上进行取样，送交有资质的实验室进行力学试验，得出的数据与膨胀螺栓连接受力数值进行对比，如果力学数据比后者大，则满足设计要求。根据工程实践，一般螺柱抗拉拔力不小于5 kN则可满足要求。（7）现场质量检测：由于没有针对螺柱焊钉施工质量成熟的检测规范和方法，在实际生产过程中可以参考钢结构栓钉焊接的检测方法，具体要求为：按螺柱焊总数1%进行抽查，且不应少于10个。检查时将螺柱焊钉弯曲30°用角尺检查和观察检查，以无裂纹和松动为合格。4工程应用效果朝阳区东三环北京商务中心区（CBD）核心区Z12地块项目于2016年1月开始施工，2017年11月主体结构封顶，2018年9月完成核心筒隔墙施工。该工程所有轻质隔墙龙骨与钢结构均采用螺柱焊工艺连接，单层的连接点数量约1 800个，45层共计81 000个连接点。在纯钢结构和轻钢龙骨隔墙体系中采用螺柱焊连接工艺与转接件、包梁包柱等工艺相比，操作简便、施工效率高、质量能够有效保证、且焊接作业少、安全性高、投入成本低，特别是针对轻钢龙骨和钢构件连接点数量众多的情况，该工艺优点突出，能大幅缩减工程总体工期，具有良好的经济效益。在本工程中，与传统转接件的连接方式相比，采用螺柱焊连接工艺节省工期21 d，产生效益约24.3万元。螺柱焊工法焊接时间短、接触面小，与传统焊接相比，大幅减少有害气体和光污染，对环保和绿色施工意义重大。螺柱焊能够提高工效，使工程尽快投入运营、尽早发挥工程价值。该工艺已顺利通过北京市科技成果鉴定，并获得实用新型专利，对于新技术推广和应用起到积极作用。5、结论螺柱焊工艺能广泛应用于钢结构与轻钢