在大跨鋼結構的建設項目中開(kāi)始使用一些全新的焊接節點(diǎn)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(dòng)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(chǎng)制作的厚板 、超厚板焊接組合型鋼和復雜空間焊接節點(diǎn)。這些焊接節點(diǎn)使用的板厚、 型材截面大、材料的含碳量高、強度高 , 節點(diǎn)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(shù)新且難度大。

1 　鋼結構現場(chǎng)焊接的難點(diǎn)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(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 , 消除焊接殘余應力 , 才能使焊縫質(zhì)量得到有效保證 。

(2) 鋼構件材質(zhì)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(huán)境 , 復雜的焊接環(huán)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)保護焊 ?，F場(chǎng)焊接的工藝流程如圖 1 所示。

2、管結構 、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(shù)為樹(shù)枝結構 , 如圖 2 所示 。鑄鋼節點(diǎn)與相連無(wú)縫鋼管的異種鋼材對接焊是本工程的關(guān)鍵環(huán)節 , 也是整個(gè)鋼結構施工焊接領(lǐng)域的一大難點(diǎn) , 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(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 , 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(wú)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 、界面組織不穩定性 、應力應變復雜性等突出問(wèn)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(wú)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(diǎn)與無(wú)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)構件 。

( 5 ) 焊接接頭易出現裂紋等質(zhì)量問(wèn)題 　焊接冷卻過(guò)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(fā)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(shù)

鑄鋼節點(diǎn)與無(wú)縫鋼管進(jìn)行現場(chǎng)高空多角度全位置焊接。所謂全位置 , 指每個(gè)對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 , 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(diǎn)的每個(gè)伸出鋼管和相應無(wú)縫鋼管的對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(lái)的熔池成形的差異而變換工藝參數 , 才能達到每個(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)化節點(diǎn)設計

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

樹(shù)枝節點(diǎn)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(shí) , 桿件長(cháng)度超過(guò) 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(guò)度集中在近面縫區產(chǎn)生撕裂現象 。

2 1 2 1 2 　焊前試驗、現場(chǎng)焊接工藝評定

通過(guò) 1 ∶ 1 節點(diǎn)模型對鑄件與樹(shù)枝桿件進(jìn)行多參數圖 3 　節點(diǎn)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(chǎng)焊接接頭的焊縫致密度、 力學(xué)性能指標及外觀(guān)達到設計與規范要求。

2 1 2 1 3 　全面的焊接各環(huán)節質(zhì)量控制提高節點(diǎn)的空間定位精度 , 并特制接頭抱箍將節點(diǎn)分枝與無(wú)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 100mm 內進(jìn)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(guò)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(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(guò)程采用紅外線(xiàn)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(jìn)行超聲波無(wú)損檢測 , 對重要承力節點(diǎn)跟蹤復測 , 確保焊接質(zhì)量滿(mǎn)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(shí) , 在至焊口的最低處中心線(xiàn) 10mm 處起弧至管口的最高處中心線(xiàn)超過(guò) 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(cháng) ; 對垂直與斜固定口嚴格執行多層多道焊 , 以控制線(xiàn)能量的增加。

2 1 3 　黃金樹(shù)整體焊接變形控制主要采取控制黃金樹(shù)各節點(diǎn)、 各節點(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 　節點(diǎn)焊接順序的控制采用局部熱矯正來(lái)改變主焊管的x , y , z 指向 , 使之在無(wú)外力約束條件下完成與鑄鋼節點(diǎn)的首次接駁來(lái)逐層消化黃金樹(shù)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(chēng)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(diǎn)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(shù)按先焊收縮量較大節點(diǎn)、后焊收縮量較小節點(diǎn)的原則 , 先焊粗桿 ( 熱輸量大) ,再焊細桿 , 平面力求對稱(chēng)施焊 , 以控制各分枝先焊后焊所帶來(lái)的焊接收縮差 , 將收縮差對節點(diǎn)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(diǎn)的空間定位不可避免地存在誤差 , 因此焊前進(jìn)行精確復測 , 記錄焊前節點(diǎn)各分枝的偏值 , 根據測量報告 , 進(jìn)一步優(yōu)化調整節點(diǎn)每個(gè)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(guò)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(xiàn)分 2 個(gè)半圓分層多道對稱(chēng)施焊來(lái)控制接頭水平方向焊接變形( 見(jiàn)圖 4) ; 預先通過(guò)試驗分析 ,得出上 、下管壁間存在的收縮差值 , 采取了節點(diǎn)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(jìn)行接頭反變形控制 。

3 　特殊環(huán)境下國產(chǎn)厚板焊接技術(shù)

3 1 1 　工程難點(diǎn)

廈門(mén)國際會(huì )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(chǎn) SM490B 2 Z25 鋼板 , 焊接類(lèi)型為
對接焊。 現場(chǎng)焊接的特點(diǎn)難點(diǎn)主要有 :

(1) 采用超厚截面國產(chǎn)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(chǎn)生層狀撕裂現象 。

(2) 焊接節點(diǎn)集中 　單根柱牛腿連接節點(diǎn)多達 12個(gè) , 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(cháng) 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 、多臺風(fēng)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(chǎng)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(chǎng)工況和環(huán)境條件 , 分析各種焊接參數工況與焊件機械性能之間的關(guān)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(fēng)雨措施

每個(gè)焊接節點(diǎn)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(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層板 , 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)

針對鋼框架結構的節點(diǎn)分布特點(diǎn) , 通過(guò)從內向外 ,從上到下 , 先焊收縮量較大節點(diǎn) 、后焊收縮量較小節點(diǎn) , 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(shí) , 由 2 名作業(yè)習慣相近的焊接技工 , 同時(shí)、對稱(chēng)、勻速焊接 , 并盡量保持連續施焊 , 減少施焊過(guò)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(chǎn)生層狀撕裂的現象 , 焊前每條焊縫全部加裝特厚特長(cháng)襯板和引入引出板 , 以延緩接頭溫度散失的時(shí)間 , 延長(cháng)焊工在進(jìn)入正式焊縫前的調整和適應時(shí)間 , 使之能將收弧段更有效地引出焊縫區。采用對稱(chēng)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(wú)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(cháng)的石棉布圍裹并扎緊 , 再密閉焊接專(zhuān)門(mén)設計的牢固防護棚。 100 % 的焊后無(wú)損檢測使焊接接頭受控 , 配合以對重要接頭的代表性延時(shí)多批次檢測 , 嚴格制約層狀撕裂現象的發(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 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(zhì)為 Q235 或 Q345 ?，F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接焊縫 , 焊縫為一級 , 安裝焊縫約 25 萬(wàn)余延米 , 主要采用半自動(dòng)二氧化碳氣體保護焊進(jìn)行施工焊接 ?，F場(chǎng)焊接難點(diǎn)主要體現在以下方面 :

(1) 接頭焊縫長(cháng)而板壁薄 , 焊接時(shí)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(jìn)入縮變。

(2) 同時(shí)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(cháng)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(shí), 水準管氣泡剛好居中 , 說(shuō)明傾角調整到位 。桁架傾角調整誤差控制高差在 ± 3mm 以?xún)取?/span>

(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(xiàn)的延長(cháng)線(xiàn)上架設經(jīng)緯儀 , 控制懸挑端點(diǎn)東西向偏差 , 傾斜角用角度尺控制 , 南北向偏差由對接節點(diǎn)處的軸線(xiàn)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(shí)檢查相鄰上弦和下弦或相應節點(diǎn)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?xún)取?/span>安裝支點(diǎn)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(guān)測

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

(2) 滑移胎架豎向 、傾斜變形觀(guān)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(jīng)實(shí)測 , 首次吊裝前后標高下降 8mm, 在桁架標高整體預提時(shí)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(shuō)明由安裝偏差引起 , 滑移胎架的側向穩定性較好。

5 1 3 　經(jīng)驗總結

廣州新白云機場(chǎng)航站樓鋼屋蓋安裝 , 采用桁架組裝整體往內側平面移動(dòng)、 整榀桁架標高預提、采光帶懸挑端點(diǎn)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(shù) , 確保了桁架順利滑移通過(guò)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(yǔ)

大跨度空間鋼結構測控形式多樣 , 從傳統簡(jiǎn)單的安裝定位到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維測控 , 測量工具由吊線(xiàn)錘開(kāi)始逐步發(fā)展到光學(xué)儀器、 激光儀、全站儀?，F在 , GPS全球衛星定位技術(shù)也已開(kāi)始應用到建筑施工領(lǐng)域?；?/span>移施工的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)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(shù)成功應用于工程實(shí)踐 , 標志著(zhù)我國建筑業(yè)工程測量技術(shù)水平邁上了一個(gè)新臺階 。