復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

在大跨鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)項(xiàng)目中開始使用一些全新的焊接節(jié)點(diǎn)形式 , 采用低合金結(jié)構(gòu)鋼 、鑄鋼等材料 , 應(yīng)用埋弧焊 、二氧化碳?xì)怏w半自動(dòng)保護(hù)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(jié)構(gòu)制作廠制作的厚板 、超厚板焊接組合型鋼和復(fù)雜空間焊接節(jié)點(diǎn)。這些焊接節(jié)點(diǎn)使用的板厚、 型材截面大、材料的含碳量高、強(qiáng)度高 , 節(jié)點(diǎn)形狀復(fù)雜 , 焊接拘束度大 、應(yīng)力高 , 采用的焊接工藝方法多種多樣、 技術(shù)新且難度大。

1 　鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接的難點(diǎn)和流程

(1) 焊接接頭截面形式多樣 　對(duì)不同板厚、不同截面的節(jié)點(diǎn)焊接 , 必須采取不同的焊接工藝 , 進(jìn)行良好的焊接變形控制 , 消除焊接殘余應(yīng)力 , 才能使焊縫質(zhì)量得到有效保證 。

(2) 鋼構(gòu)件材質(zhì)多樣 , 焊接工藝參數(shù)確定困難。

(3) 鋼結(jié)構(gòu)焊接條件較復(fù)雜 　不同工程有不同的焊接環(huán)境 , 復(fù)雜的焊接環(huán)境增大了焊工的操作難度和焊縫成形保養(yǎng)難度 。

鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接中常用的焊接方法有手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w半自動(dòng)保護(hù)焊 、氣體保護(hù)電弧焊 , 其中使用效果較好的是二氧化碳?xì)怏w半自動(dòng)保護(hù)焊 ?，F(xiàn)場(chǎng)焊接的工藝流程如圖 1 所示。

2、管結(jié)構(gòu) 、異種材質(zhì) 、多角度全位置焊接技術(shù)

2.11工程概述

深圳文化中心黃金樹為樹枝結(jié)構(gòu) , 如圖 2 所示 。鑄鋼節(jié)點(diǎn)與相連無縫鋼管的異種鋼材對(duì)接焊是本工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié) , 也是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工焊接領(lǐng)域的一大難點(diǎn) , 主要表現(xiàn)在以下幾方面 :(1) 多角度全位置焊接

鑄鋼件體形復(fù)雜 , 最多是10 個(gè)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(shù) , 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(zhì)為 ZG2875 2 485H ,無縫鋼管材質(zhì)為 Q345B, 屬異種鋼材焊接 , 焊接接頭存在化學(xué)不均勻性及由此引起的力學(xué)性能不均勻性 、界面組織不穩(wěn)定性 、應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜性等突出問題 。

(3) 不等壁厚的大直徑管 2管結(jié)構(gòu)對(duì)接焊鑄鋼件鋼管規(guī)格為 350mm × 40mm 、 450mm × 40mm, 無縫鋼管規(guī)格為 350mm × 19mm 、 450mm × 22mm 。

( 4 ) 焊接變形難控制 　結(jié)構(gòu)中各鋼鑄節(jié)點(diǎn)與無縫鋼管相互聯(lián)系 , 焊接約束較多 , 每個(gè)接頭焊接變形會(huì)影響多根相聯(lián)構(gòu)件 。

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

2 1 2 　多角度全位置焊接技術(shù)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)與無縫鋼管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高空多角度全位置焊接。所謂全位置 , 指每個(gè)對(duì)接口的圓形焊縫都須進(jìn)行四面圍焊 , 焊工要經(jīng)常變換焊接位置及焊接工藝參數(shù) , 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(jié)點(diǎn)的每個(gè)伸出鋼管和相應(yīng)無縫鋼管的對(duì)接面呈各種不同的空間角度 , 焊工施焊時(shí)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(shù) , 才能達(dá)到每個(gè)接頭施焊均勻、 焊縫和母材充分熔合等要求 。

2 1 2 1 1 　優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

利用有限元計(jì)算單元應(yīng)力分布及荷載 2位移曲線 ,最終選用半空心半實(shí)心節(jié)點(diǎn) , 既減輕節(jié)點(diǎn)自重 , 也降低了節(jié)點(diǎn)鑄造及焊接難度 。

樹枝節(jié)點(diǎn)桿件較多 , 構(gòu)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(shè)計(jì)為 300mm,當(dāng)相鄰桿件夾角較小時(shí) , 桿件長(zhǎng)度超過 2m, 桿件外壁間距按 ≥ 150mm 設(shè)計(jì)。

由于對(duì)接鋼管是不同壁厚的 , 焊縫連續(xù)性較差 , 故坡口形式設(shè)計(jì)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(yīng)力過度集中在近面縫區(qū)產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象 。

2 1 2 1 2 　焊前試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝評(píng)定

通過 1 ∶ 1 節(jié)點(diǎn)模型對(duì)鑄件與樹枝桿件進(jìn)行多參數(shù)圖 3 　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模擬焊接與試驗(yàn)檢測(cè) , 確定最佳的焊接參數(shù)及工藝措施 , 嚴(yán)格保障現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭的焊縫致密度、 力學(xué)性能指標(biāo)及外觀達(dá)到設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

2 1 2 1 3 　全面的焊接各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制提高節(jié)點(diǎn)的空間定位精度 , 并特制接頭抱箍將節(jié)點(diǎn)分枝與無縫鋼管連接 , 采用 4 點(diǎn)定位焊方法進(jìn)行固定。

焊前沿焊縫中心兩側(cè) 100mm 內(nèi)進(jìn)行全位置均勻預(yù)熱 , 當(dāng)預(yù)熱溫度、預(yù)熱范圍均達(dá)到預(yù)定值后 , 恒溫 20 ～30min ; 焊接過程中盡量保持連續(xù)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(cè)各 100mm 內(nèi)進(jìn)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(fā)生 。

全過程采用紅外線測(cè)溫儀感應(yīng)測(cè)溫。按《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》GB11345 2 89 對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波無損檢測(cè) , 對(duì)重要承力節(jié)點(diǎn)跟蹤復(fù)測(cè) , 確保焊接質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2 1 2 1 4    細(xì)致的根部、填充層及面層焊接焊接根部時(shí) , 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(gè)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(jié)束焊縫收弧 , 完成整個(gè)管口的封底焊接 。焊接填充層采用小 8 字方式 , 仰焊部位時(shí)采用小直徑焊條 , 仰爬坡時(shí)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(dāng)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(shí)間稍長(zhǎng) ; 對(duì)垂直與斜固定口嚴(yán)格執(zhí)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(jié)點(diǎn)、 各節(jié)點(diǎn)各分枝 、各分枝各接頭的焊接順序等措施進(jìn)行整體焊接變形控制。

2 1 3 1 1 　節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(nèi)向外 ,先單獨(dú)后整體 , 平面力求對(duì)稱施焊 , 合理分解約束力 ,使焊接應(yīng)力自由釋放 , 從根本上減少焊接變形。

2 1 3 1 2 　節(jié)點(diǎn)各分枝的焊接順序控制2005 No. 10 鮑廣鑒等 : 復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)按先焊收縮量較大節(jié)點(diǎn)、后焊收縮量較小節(jié)點(diǎn)的原則 , 先焊粗桿 ( 熱輸量大) ,再焊細(xì)桿 , 平面力求對(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)分枝空間三維坐標(biāo)的影響控制在最低限度。因復(fù)雜枝狀節(jié)點(diǎn)的空間定位不可避免地存在誤差 , 因此焊前進(jìn)行精確復(fù)測(cè) , 記錄焊前節(jié)點(diǎn)各分枝的偏值 , 根據(jù)測(cè)量報(bào)告 , 進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整節(jié)點(diǎn)每個(gè)分枝焊接順序 , 從而達(dá)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(gè)半圓分層多道對(duì)稱施焊來控制接頭水平方向焊接變形( 見圖 4) ; 預(yù)先通過試驗(yàn)分析 ,得出上 、下管壁間存在的收縮差值 , 采取了節(jié)點(diǎn)安裝標(biāo)高預(yù)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(fù)接頭位置 , 進(jìn)行接頭反變形控制 。

3 　特殊環(huán)境下國(guó)產(chǎn)厚板焊接技術(shù)

3 1 1 　工程難點(diǎn)

廈門國(guó)際會(huì)展中心主體鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 鋼柱選用國(guó)產(chǎn) SM490B 2 Z25 鋼板 , 焊接類型為
對(duì)接焊。 現(xiàn)場(chǎng)焊接的特點(diǎn)難點(diǎn)主要有 :

(1) 采用超厚截面國(guó)產(chǎn)鋼材鋼柱最大板厚達(dá)75mm, 翼緣板厚普遍大于 50mm, 鋼材 Z 向性能差 , 易產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)象 。

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

(3) 焊接環(huán)境惡劣 　工程地處沿海 , 屬多暴雨 、多臺(tái)風(fēng)地區(qū) , 空氣濕度大 , 焊縫不易成型和保養(yǎng) 。

3 1 2 　主要焊接工藝

3 1 2 1 1 　現(xiàn)場(chǎng)焊接模擬試驗(yàn)

組織焊接 QC 組 , 以多種不同的焊接形式模擬現(xiàn)場(chǎng)工況和環(huán)境條件 , 分析各種焊接參數(shù)工況與焊件機(jī)械性能之間的關(guān)系 , 找出施工中的不穩(wěn)定因素和可行的防治方法 。

3 1 2 1 2 　防風(fēng)雨措施

每個(gè)焊接節(jié)點(diǎn)搭設(shè)由多道箍柱梁管架和多道橫豎管架組成的牢固防護(hù)棚 , 并采用雙層彩條布、 1 層厚帆布進(jìn)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?qū)影?, 切實(shí)做好防風(fēng)雨工作。

3 1 2 1 3 　科學(xué)合理的超厚板接頭焊接技術(shù)

針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn) , 通過從內(nèi)向外 ,從上到下 , 先焊收縮量較大節(jié)點(diǎn) 、后焊收縮量較小節(jié)點(diǎn) , 先單獨(dú)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(duì)箱形、十字形柱 2柱焊接時(shí) , 由 2 名作業(yè)習(xí)慣相近的焊接技工 , 同時(shí)、對(duì)稱、勻速焊接 , 并盡量保持連續(xù)施焊 , 減少施焊過程的焊接應(yīng)力 , 防止層狀撕裂。針對(duì)空中組拼大梁焊接接頭極易產(chǎn)生層狀撕裂的現(xiàn)象 , 焊前每條焊縫全部加裝特厚特長(zhǎng)襯板和引入引出板 , 以延緩接頭溫度散失的時(shí)間 , 延長(zhǎng)焊工在進(jìn)入正式焊縫前的調(diào)整和適應(yīng)時(shí)間 , 使之能將收弧段更有效地引出焊縫區(qū)。采用對(duì)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(yán)密的后熱及保溫措施、 無損檢測(cè)

采用大功率烤槍沿焊縫中心兩側(cè)各 150mm 范圍內(nèi)均勻加熱至 250 ℃后 , 用至少 2 層 3mm 厚、 1 000mm 長(zhǎng)的石棉布圍裹并扎緊 , 再密閉焊接專門設(shè)計(jì)的牢固防護(hù)棚。 100 % 的焊后無損檢測(cè)使焊接接頭受控 , 配合以對(duì)重要接頭的代表性延時(shí)多批次檢測(cè) , 嚴(yán)格制約層狀撕裂現(xiàn)象的發(fā)生。

4 　巨型薄壁箱形截面焊接技術(shù)

4 1 1 　工程概述

深圳會(huì)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(jié) 構(gòu) , 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(zhì)為 Q235 或 Q345 ?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)接焊縫 , 焊縫為一級(jí) , 安裝焊縫約 25 萬余延米 , 主要采用半自動(dòng)二氧化碳氣體保護(hù)焊進(jìn)行施工焊接 ?，F(xiàn)場(chǎng)焊接難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面 :

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

(2) 同時(shí)存在縱橫向箱形截面焊接接頭 　必須嚴(yán)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(zhǎng)檁條正確對(duì)接。

4 1 2 　主要焊接工藝

(1) 焊接順序 心螺絲固定 , 當(dāng)桁架繞下弦中心左右旋轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)角度α?xí)r, 水準(zhǔn)管氣泡剛好居中 , 說明傾角調(diào)整到位 。桁架傾角調(diào)整誤差控制高差在 ± 3mm 以內(nèi)。

(3) 南、北懸挑段桁架定位測(cè)量南、北懸挑段桁架的定位測(cè)量 , 是在桁架定位軸線的延長(zhǎng)線上架設(shè)經(jīng)緯儀 , 控制懸挑端點(diǎn)東西向偏差 , 傾斜角用角度尺控制 , 南北向偏差由對(duì)接節(jié)點(diǎn)處的軸線控制 , 標(biāo)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(shí)檢查相鄰上弦和下弦或相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的空間距離 , 與計(jì)算得到的跨度值比較 ,調(diào)整間距 , 控制相鄰 2 榀桁架間距誤差在 ± 5mm 以內(nèi)。安裝支點(diǎn)位置的次桁架 , 跨間鋪設(shè)連接壓型鋼板 , 或采用型鋼對(duì)拉措施 , 使二拼桁架連接形成穩(wěn)定體。

5 1 2 1 4 　變形觀測(cè)

(1) 桁架下?lián)献冃斡^測(cè) 　每榀桁架組裝完畢后 , 在下弦四等分點(diǎn)位置設(shè) 3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn) , 進(jìn)行第 1 次標(biāo)高觀測(cè) , 并作好詳細(xì)記錄 , 待桁架脫離胎架后 , 進(jìn)行第 2 次標(biāo)高觀測(cè) , 并與第 1 次觀測(cè)記錄比較 , 可知桁架下?lián)现怠?/span>

(2) 滑移胎架豎向 、傾斜變形觀測(cè) 　根據(jù)胎架設(shè)計(jì)計(jì)算 , 胎架柱沿豎向的最大位移 6mm, 側(cè)向位移 1mm 。經(jīng)實(shí)測(cè) , 首次吊裝前后標(biāo)高下降 8mm, 在桁架標(biāo)高整體預(yù)提時(shí)考慮豎向位移量。 胎架組裝后側(cè)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(cè)向穩(wěn)定性較好。

5 1 3 　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

廣州新白云機(jī)場(chǎng)航站樓鋼屋蓋安裝 , 采用桁架組裝整體往內(nèi)側(cè)平面移動(dòng)、 整榀桁架標(biāo)高預(yù)提、采光帶懸挑端點(diǎn)標(biāo)高的二次變化處理、 滑移到位前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑移距離偏差等一系列定位測(cè)控技術(shù) , 確保了桁架順利滑移通過預(yù)埋螺栓支座頂 , 南北桁架在中間順利對(duì)接，準(zhǔn)確就位在設(shè)計(jì)位置。

6 　結(jié)語

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)測(cè)控形式多樣 , 從傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的安裝定位到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維測(cè)控 , 測(cè)量工具由吊線錘開始逐步發(fā)展到光學(xué)儀器、 激光儀、全站儀?，F(xiàn)在 , GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)也已開始應(yīng)用到建筑施工領(lǐng)域?；?/span>移施工的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)控、 枝狀空間構(gòu)件的制作與安裝定位、大型三維空間管桁架的測(cè)控技術(shù)成功應(yīng)用于工程實(shí)踐 , 標(biāo)志著我國(guó)建筑業(yè)工程測(cè)量技術(shù)水平邁上了一個(gè)新臺(tái)階 。