復雜空間鋼結構焊接技術

在大跨鋼結構的建設項目中開始使用一些全新的焊接節點形式 , 采用低合金結構鋼 、鑄鋼等材料 , 應用埋弧焊 、二氧化碳氣體半自動保護焊等焊接工藝方法。工程中使用了大量大截面熱軋型鋼 , 由鋼結構制作廠制作的厚板 、超厚板焊接組合型鋼和復雜空間焊接節點。這些焊接節點使用的板厚、 型材截面大、材料的含碳量高、強度高 , 節點形狀復雜 , 焊接拘束度大 、應力高 , 采用的焊接工藝方法多種多樣、 技術新且難度大。

1 　鋼結構現場焊接的難點和流程

(1) 焊接接頭截面形式多樣 　對不同板厚、不同截面的節點焊接 , 必須采取不同的焊接工藝 , 進行良好的焊接變形控制 , 消除焊接殘余應力 , 才能使焊縫質量得到有效保證 。

(2) 鋼構件材質多樣 , 焊接工藝參數確定困難。

(3) 鋼結構焊接條件較復雜 　不同工程有不同的焊接環境 , 復雜的焊接環境增大了焊工的操作難度和焊縫成形保養難度 。

鋼結構現場焊接中常用的焊接方法有手工電弧焊、二氧化碳氣體半自動保護焊 、氣體保護電弧焊 , 其中使用效果較好的是二氧化碳氣體半自動保護焊 。現場焊接的工藝流程如圖 1 所示。

2、管結構 、異種材質 、多角度全位置焊接技術

2.11工程概述

深圳文化中心黃金樹為樹枝結構 , 如圖 2 所示 。鑄鋼節點與相連無縫鋼管的異種鋼材對接焊是本工程的關鍵環節 , 也是整個鋼結構施工焊接領域的一大難點 , 主要表現在以下幾方面 :(1) 多角度全位置焊接

鑄鋼件體形復雜 , 最多是10 個鋼管以不同的空間角度匯交 , 須頻繁變化焊接位置及焊接參數 , 焊接空間位置狹窄 , 焊接要求一次成功 , 不返修。

(2) 異種鋼材焊接 鋼鑄件材質為 ZG2875 2 485H ,無縫鋼管材質為 Q345B, 屬異種鋼材焊接 , 焊接接頭存在化學不均勻性及由此引起的力學性能不均勻性 、界面組織不穩定性 、應力應變復雜性等突出問題 。

(3) 不等壁厚的大直徑管 2管結構對接焊鑄鋼件鋼管規格為 350mm × 40mm 、 450mm × 40mm, 無縫鋼管規格為 350mm × 19mm 、 450mm × 22mm 。

( 4 ) 焊接變形難控制 　結構中各鋼鑄節點與無縫鋼管相互聯系 , 焊接約束較多 , 每個接頭焊接變形會影響多根相聯構件 。

( 5 ) 焊接接頭易出現裂紋等質量問題 　焊接冷卻過程中 , 特別是 Q345 鋼材在熱影響區容易形成淬火組織 , 使近縫區的硬度提高 , 塑性下降 , 導致焊后發生裂紋 , 鋼鑄件接頭必須連續完成 , 一氣呵成。

2 1 2 　多角度全位置焊接技術

鑄鋼節點與無縫鋼管進行現場高空多角度全位置焊接。所謂全位置 , 指每個對接口的圓形焊縫都須進行四面圍焊 , 焊工要經常變換焊接位置及焊接工藝參數 , 逐步完成仰焊、仰立焊、立焊、立平焊 、平焊等操作 。所謂多角度 , 指鑄鋼節點的每個伸出鋼管和相應無縫鋼管的對接面呈各種不同的空間角度 , 焊工施焊時須考慮因傾角大小的差異所帶來的熔池成形的差異而變換工藝參數 , 才能達到每個接頭施焊均勻、 焊縫和母材充分熔合等要求 。

2 1 2 1 1 　優化節點設計

利用有限元計算單元應力分布及荷載 2位移曲線 ,最終選用半空心半實心節點 , 既減輕節點自重 , 也降低了節點鑄造及焊接難度 。

樹枝節點桿件較多 , 構件分布較集中 , 為給焊工的焊接操作提供空間 , 桿件外壁最小間距設計為 300mm,當相鄰桿件夾角較小時 , 桿件長度超過 2m, 桿件外壁間距按 ≥ 150mm 設計。

由于對接鋼管是不同壁厚的 , 焊縫連續性較差 , 故坡口形式設計為帶襯板 V 形坡口 , 如圖 3 所示 。此坡口形式可減少焊縫斷面 , 減小根部與面縫部收縮差 , 防止由于焊接應力過度集中在近面縫區產生撕裂現象 。

2 1 2 1 2 　焊前試驗、現場焊接工藝評定

通過 1 ∶ 1 節點模型對鑄件與樹枝桿件進行多參數圖 3 　節點設計模擬焊接與試驗檢測 , 確定最佳的焊接參數及工藝措施 , 嚴格保障現場焊接接頭的焊縫致密度、 力學性能指標及外觀達到設計與規范要求。

2 1 2 1 3 　全面的焊接各環節質量控制提高節點的空間定位精度 , 并特制接頭抱箍將節點分枝與無縫鋼管連接 , 采用 4 點定位焊方法進行固定。

焊前沿焊縫中心兩側 100mm 內進行全位置均勻預熱 , 當預熱溫度、預熱范圍均達到預定值后 , 恒溫 20 ～30min ; 焊接過程中盡量保持連續施焊 , 始終控制焊縫的層間溫度在 120 ～ 150 ℃ ; 焊后用氧 2乙炔中性焰在焊縫兩側各 100mm 內進行全方位均勻烘烤 , 使溫度控制在 200 ～ 250 ℃ , 然后用至少 4 層石棉布緊裹并用扎絲捆緊 , 保溫至少 4h , 以抑制接頭冷裂紋等缺陷的發生 。

全過程采用紅外線測溫儀感應測溫。按《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB11345 2 89 對焊縫進行超聲波無損檢測 , 對重要承力節點跟蹤復測 , 確保焊接質量滿足設計要求。

2 1 2 1 4    細致的根部、填充層及面層焊接焊接根部時 , 在至焊口的最低處中心線 10mm 處起弧至管口的最高處中心線超過 10mm 左右止 , 完成半個焊口的封底焊 , 另一半焊在前半部分焊縫上起弧至前半部分結束焊縫收弧 , 完成整個管口的封底焊接 。焊接填充層采用小 8 字方式 , 仰焊部位時采用小直徑焊條 , 仰爬坡時電流逐漸增大 , 在平焊部位再次增大電流密度 , 在坡口邊適當停頓 , 以便于焊縫金屬與母材的充分熔合 。面層焊接選用小直徑焊條、 適中的電流、電壓值并在坡口邊熔合時間稍長 ; 對垂直與斜固定口嚴格執行多層多道焊 , 以控制線能量的增加。

2 1 3 　黃金樹整體焊接變形控制主要采取控制黃金樹各節點、 各節點各分枝 、各分枝各接頭的焊接順序等措施進行整體焊接變形控制。

2 1 3 1 1 　節點焊接順序的控制采用局部熱矯正來改變主焊管的x , y , z 指向 , 使之在無外力約束條件下完成與鑄鋼節點的首次接駁來逐層消化黃金樹軀干部的變形 。施工順序從內向外 ,先單獨后整體 , 平面力求對稱施焊 , 合理分解約束力 ,使焊接應力自由釋放 , 從根本上減少焊接變形。

2 1 3 1 2 　節點各分枝的焊接順序控制2005 No. 10 鮑廣鑒等 : 復雜空間鋼結構焊接技術按先焊收縮量較大節點、后焊收縮量較小節點的原則 , 先焊粗桿 ( 熱輸量大) ,再焊細桿 , 平面力求對稱施焊 , 以控制各分枝先焊后焊所帶來的焊接收縮差 , 將收縮差對節點分枝空間三維坐標的影響控制在最低限度。因復雜枝狀節點的空間定位不可避免地存在誤差 , 因此焊前進行精確復測 , 記錄焊前節點各分枝的偏值 , 根據測量報告 , 進一步優化調整節點每個分枝焊接順序 , 從而達到控制整體焊接變形的目的。

2 1 3 1 3 　接頭全位置焊接順序的控制

為使焊接過程中焊口不同位置的熔池形狀成形更合理 , 按仰焊 →仰立焊 →立焊 →立平焊 →平焊的順序施工 , 按天芯線分 2 個半圓分層多道對稱施焊來控制接頭水平方向焊接變形( 見圖 4) ; 預先通過試驗分析 ,得出上 、下管壁間存在的收縮差值 , 采取了節點安裝標高預先抬高 2 ～ 3mm 的措施抵消接頭垂直方向焊接變形 ; 采取中性火焰后熱反彎 , 上部加熱面積小 , 下部加熱面積大 , 從而恢復接頭位置 , 進行接頭反變形控制 。

3 　特殊環境下國產厚板焊接技術

3 1 1 　工程難點

廈門國際會展中心主體鋼結構為 81m × 81m 均布
的 48 根十字形勁性柱、箱形柱及 H 型鋼梁組合的鋼框
架結構。 鋼柱選用國產 SM490B 2 Z25 鋼板 , 焊接類型為
對接焊。 現場焊接的特點難點主要有 :

(1) 采用超厚截面國產鋼材鋼柱最大板厚達75mm, 翼緣板厚普遍大于 50mm, 鋼材 Z 向性能差 , 易產生層狀撕裂現象 。

(2) 焊接節點集中 　單根柱牛腿連接節點多達 12個 , 并 有 大量 的 空中 組拼 連 續 梁 焊 接 , 梁 最 大 跨 度27m, 最大懸挑上下弦梁長 35m, 焊接變形控制難度大 。

(3) 焊接環境惡劣 　工程地處沿海 , 屬多暴雨 、多臺風地區 , 空氣濕度大 , 焊縫不易成型和保養 。

3 1 2 　主要焊接工藝

3 1 2 1 1 　現場焊接模擬試驗

組織焊接 QC 組 , 以多種不同的焊接形式模擬現場工況和環境條件 , 分析各種焊接參數工況與焊件機械性能之間的關系 , 找出施工中的不穩定因素和可行的防治方法 。

3 1 2 1 2 　防風雨措施

每個焊接節點搭設由多道箍柱梁管架和多道橫豎管架組成的牢固防護棚 , 并采用雙層彩條布、 1 層厚帆布進行密閉 , 配合以牢固捆綁在架管上的多塊腳板和密鋪石棉布或層板 , 切實做好防風雨工作。

3 1 2 1 3 　科學合理的超厚板接頭焊接技術

針對鋼框架結構的節點分布特點 , 通過從內向外 ,從上到下 , 先焊收縮量較大節點 、后焊收縮量較小節點 , 先單獨后整體的合理焊接順序 , 有效地分解了拘束力 , 從根本上減少撕裂源。

對箱形、十字形柱 2柱焊接時 , 由 2 名作業習慣相近的焊接技工 , 同時、對稱、勻速焊接 , 并盡量保持連續施焊 , 減少施焊過程的焊接應力 , 防止層狀撕裂。針對空中組拼大梁焊接接頭極易產生層狀撕裂的現象 , 焊前每條焊縫全部加裝特厚特長襯板和引入引出板 , 以延緩接頭溫度散失的時間 , 延長焊工在進入正式焊縫前的調整和適應時間 , 使之能將收弧段更有效地引出焊縫區。采用對稱交叉的焊接方法 , 確保翼緣與腹板交叉部位的充分熔合。

31214、嚴密的后熱及保溫措施、 無損檢測

采用大功率烤槍沿焊縫中心兩側各 150mm 范圍內均勻加熱至 250 ℃后 , 用至少 2 層 3mm 厚、 1 000mm 長的石棉布圍裹并扎緊 , 再密閉焊接專門設計的牢固防護棚。 100 % 的焊后無損檢測使焊接接頭受控 , 配合以對重要接頭的代表性延時多批次檢測 , 嚴格制約層狀撕裂現象的發生。

4 　巨型薄壁箱形截面焊接技術

4 1 1 　工程概述

深圳會展中心鋼屋蓋采用大跨度巨型雙箱梁與箱形檁 條 縱 橫 交 叉的 桁 架 結 構 , 單 箱 梁 截 面 2 1 6m ×1 1 0m , 腹板最薄至 12mm, 檁條截面 1 1 0m × 0 1 5m, 箱梁、檁條材質為 Q235 或 Q345 。現場焊接的主要焊縫形式有箱形主梁 2箱形主梁、箱形檁條 2箱形檁條的全熔透對接焊縫 , 焊縫為一級 , 安裝焊縫約 25 萬余延米 , 主要采用半自動二氧化碳氣體保護焊進行施工焊接 。現場焊接難點主要體現在以下方面 :

(1) 接頭焊縫長而板壁薄 , 焊接時箱形截面幾何尺寸不易保持 　薄板儲熱功能低、散熱功能卻高 , 極易導致剛加熱投入正式焊接的接頭局部先行進入縮變。

(2) 同時存在縱橫向箱形截面焊接接頭 　必須嚴格控制焊接變形 , 保證雙箱梁的平行度與垂直度 , 才能使各檁條牛腿與軸間長檁條正確對接。

4 1 2 　主要焊接工藝

(1) 焊接順序 心螺絲固定 , 當桁架繞下弦中心左右旋轉到設計角度α時, 水準管氣泡剛好居中 , 說明傾角調整到位 。桁架傾角調整誤差控制高差在 ± 3mm 以內。

(3) 南、北懸挑段桁架定位測量南、北懸挑段桁架的定位測量 , 是在桁架定位軸線的延長線上架設經緯儀 , 控制懸挑端點東西向偏差 , 傾斜角用角度尺控制 , 南北向偏差由對接節點處的軸線控制 , 標高直接以鋼尺垂直量距確定。

(4) 桁架間距控制胎架上組裝的二拼桁架 , 隨時檢查相鄰上弦和下弦或相應節點的空間距離 , 與計算得到的跨度值比較 ,調整間距 , 控制相鄰 2 榀桁架間距誤差在 ± 5mm 以內。安裝支點位置的次桁架 , 跨間鋪設連接壓型鋼板 , 或采用型鋼對拉措施 , 使二拼桁架連接形成穩定體。

5 1 2 1 4 　變形觀測

(1) 桁架下撓變形觀測 　每榀桁架組裝完畢后 , 在下弦四等分點位置設 3 個觀測點 , 進行第 1 次標高觀測 , 并作好詳細記錄 , 待桁架脫離胎架后 , 進行第 2 次標高觀測 , 并與第 1 次觀測記錄比較 , 可知桁架下撓值。

(2) 滑移胎架豎向 、傾斜變形觀測 　根據胎架設計計算 , 胎架柱沿豎向的最大位移 6mm, 側向位移 1mm 。經實測 , 首次吊裝前后標高下降 8mm, 在桁架標高整體預提時考慮豎向位移量。 胎架組裝后側向偏南 15mm,但一直偏向一邊 , 說明由安裝偏差引起 , 滑移胎架的側向穩定性較好。

5 1 3 　經驗總結

廣州新白云機場航站樓鋼屋蓋安裝 , 采用桁架組裝整體往內側平面移動、 整榀桁架標高預提、采光帶懸挑端點標高的二次變化處理、 滑移到位前準確預報滑移距離偏差等一系列定位測控技術 , 確保了桁架順利滑移通過預埋螺栓支座頂 , 南北桁架在中間順利對接，準確就位在設計位置。

6 　結語

大跨度空間鋼結構測控形式多樣 , 從傳統簡單的安裝定位到實時動態的三維測控 , 測量工具由吊線錘開始逐步發展到光學儀器、 激光儀、全站儀。現在 , GPS全球衛星定位技術也已開始應用到建筑施工領域。滑移施工的實時動態測控、 枝狀空間構件的制作與安裝定位、大型三維空間管桁架的測控技術成功應用于工程實踐 , 標志著我國建筑業工程測量技術水平邁上了一個新臺階 。