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龙骨隔墙的连接，不会对钢构件产生损伤，且质量可靠，能在很大程度上节约工期，成本方面也比传统工艺有所降低，同时减少了焊接废气排放和辅料的使用，对环境保护有积极作用。该工艺有力地推动了轻钢龙骨隔墙体系在钢结构中的应用，为以后同类工程施工提供可借鉴的宝贵经验。