巨型球體鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)

高 良，吳堯慶

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 紹興 312030；2.浙江中設(shè)建工集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312072)

巨型球體鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)

高 良1，吳堯慶2

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 紹興 312030；2.浙江中設(shè)建工集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312072)

根據(jù)安裝順序，嚴(yán)格執(zhí)行焊接程序，消化創(chuàng)新了“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)合龍技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分層錯(cuò)45°合龍線的均勻布置，使合龍進(jìn)展順利；特別是根據(jù)主結(jié)構(gòu)“統(tǒng)一對稱、分區(qū)進(jìn)行；自內(nèi)而外、隔層焊接；分層合龍”的思想，焊接程序應(yīng)當(dāng)是：第一步，以柱為點(diǎn)，自內(nèi)而外，分區(qū)進(jìn)行，對稱焊接；第二步，以梁為主，自內(nèi)而外，先環(huán)后徑，分區(qū)對稱，逐步合龍；注意隔層焊接。其思想有一定焊接應(yīng)用技術(shù)理論深度和較強(qiáng)的可操作性，值得建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程推廣應(yīng)用。在厚板焊接技術(shù)中，防止層狀撕裂有一定的突破和發(fā)展，特別在構(gòu)件制作過程中，防止層狀撕裂措施得到有效的落實(shí)和應(yīng)用。全面實(shí)施“鳥巢”鑄鋼件焊接工藝而獲得成功，鑄鋼件焊接質(zhì)量優(yōu)良，得到了業(yè)主和監(jiān)理的一致好評。

異型高層；鋼結(jié)構(gòu)合龍；鑄鋼件焊接

1 杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程簡介

杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程是繼“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程之后最復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，是我國異型高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)的典型代表，工程全貌如圖1所示。

1.1 主要鋼結(jié)構(gòu)形式

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要為箱型和H型構(gòu)件。框架柱為箱型構(gòu)件，主要有□900×700×60(45)，□900×600×60 (55，50，45)，□700×500×35，□700×600×40，□700× 500×35，□600×600×35(30，25)，□600×500×20等不同規(guī)格。框架梁為H型鋼梁，部分為箱形梁，主要有 H900×250×14×32，H800×350×12×32，H700× 250×12×32，□600×350×25×25等規(guī)格；支撐構(gòu)件的截面主要有□800×400×43，□600×400×43，□400× 300×21，H300×300×16(18)等規(guī)格；框架梁間的連梁和次梁主要有H400×250×8×12，H300×250×9×14， H200×150×6×9，H150×125×6×9等規(guī)格；結(jié)構(gòu)樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。裙房鋼結(jié)構(gòu)主要包括裙房鋼桁架屋蓋和四個(gè)雨蓬；整體三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程全貌

圖2 鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)三維示意圖

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工程采用材質(zhì)及其總質(zhì)量

工程所采用鋼材材質(zhì)如表1、表2所示。

表1 型鋼、鋼板、鋼鑄件材料

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量：框架柱4600t，框架梁3800t，次結(jié)構(gòu)3400t，裙房桁架及其他1100 t，合計(jì)12900t。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)焊接工程的焊縫質(zhì)量性能要求

杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接技術(shù)要求如表3所示。

焊縫應(yīng)具有良好的外觀質(zhì)量，角焊縫應(yīng)符合二級焊縫的外觀要求。對于觀眾視線直接可見的焊縫，當(dāng)視距不超過10 m時(shí)，應(yīng)作磨平處理；當(dāng)視距超過10 m時(shí)，應(yīng)作磨光處理，焊縫余高不大于3 mm。

表2 鑄鋼材料機(jī)械性能

表3 焊縫質(zhì)量性能要求

1.4 鋼結(jié)構(gòu)焊接工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)工程中焊接施工的特點(diǎn)：a.節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求高，焊接工作量大，工期短，存在雨季施工；b.鋼柱對接、鋼框架梁拼接、鋼柱、梁對接的焊縫質(zhì)量等級均為一級焊縫；c.厚板焊接多，集中在柱與柱對接位置上，鋼板最厚為60 mm；仰焊部位多，高空焊接多，主要集中在箱形梁(牛腿)對接位置，弧形柱對接位置，弧型柱與挑梁(α＜70°)焊接位置；d.鑄鋼件與Q345GJC異種鋼的焊接質(zhì)量控制困難，精度要求高，該節(jié)點(diǎn)處的安裝精度將影響到主樓整體結(jié)構(gòu)的精度；焊接變形控制尤為重要，否則會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體安裝質(zhì)量。

(2)工程中焊接施工的難點(diǎn)：a.球形鋼結(jié)構(gòu)體系焊接變形及殘余應(yīng)力的控制難度大；b.鑄鋼件本體及焊接質(zhì)量控制難度大。

(3)采用組合焊接工藝。綜合考慮焊接效率和操作難度，大體上橫焊、平焊、立焊采用CO2氣體保護(hù)焊(GMAW)填充，焊條電弧焊(SMAW)蓋面；仰焊采用焊條電弧焊(SMAW)。

2 總體施工安裝方案

每一流水段的安裝按照中心框架剛度單元→內(nèi)環(huán)柱→內(nèi)環(huán)框梁→外環(huán)柱→徑向框梁→支撐→外環(huán)框梁→框梁偶撐→樓面連梁的工藝程序進(jìn)行。施工安裝工藝流程如圖3所示。

圖3 施工安裝工藝流程

安裝方案示意如圖4所示。

3 大型復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

在杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程中，主樓箱形柱與弧形柱轉(zhuǎn)換部位鑄鋼節(jié)點(diǎn)共43個(gè)。為保證鑄鋼件本體內(nèi)在質(zhì)量，保證節(jié)點(diǎn)受力安全，對異型高層鋼結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用進(jìn)行了以下分析和試驗(yàn)研究。

3.1 異型高層鋼結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)

(1)節(jié)點(diǎn)受荷狀態(tài)復(fù)雜。

高層鋼結(jié)構(gòu)尤其是異型高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)受荷的狀態(tài)比較復(fù)雜，空間桁架體系的節(jié)點(diǎn)是以軸向受力為主，而高層結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接端不僅承受軸力作用同時(shí)也存在很大的彎矩和剪力作用，這些外力的存在使得無論是節(jié)點(diǎn)的理論研究還是試驗(yàn)研究的難度都很大。

(2)節(jié)點(diǎn)受荷值巨大。

空間結(jié)構(gòu)相對而言屬于輕型的鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)荷載下構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力相對較小，而高層、超高層的鋼結(jié)構(gòu)自重及豎向荷載大，并且通過逐層的累積使得下部的節(jié)點(diǎn)受荷大，另一方面水平荷載的存在更進(jìn)一步加劇了節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力。巨大的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力使得節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究面臨加載裝置要求高、加載反立架剛度大、加載過程控制難度增大等問題。

圖4 杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案及施工實(shí)況

3.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析

本試驗(yàn)研究依托杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程，該工程的鋼柱存在由直線段向弧形段的轉(zhuǎn)換。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)呈球體狀，是國內(nèi)目前最大的球狀單體結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換處的梁柱節(jié)點(diǎn)處存在水平徑向梁、環(huán)向梁以及徑向、環(huán)向支撐構(gòu)件，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，如圖5所示，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)材質(zhì)采用20Mn5V，與水平環(huán)梁及支撐連接處壁厚40～45 mm，與柱連接處壁厚為80mm、100 mm。在所有構(gòu)件交匯處均設(shè)置倒角以解決應(yīng)力集中的問題。鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大質(zhì)量達(dá)14t，如圖7所示。

節(jié)點(diǎn)分析采用ANSYS軟件，材料為理想的彈塑性模型，未考慮鋼材屈服后的強(qiáng)化。單元采用10節(jié)點(diǎn)的體單元。計(jì)算時(shí)取1.2恒載+1.4活載+0.84y反向風(fēng)載為最不利組合工況。計(jì)算同時(shí)考慮桿端彎矩、軸力的共同作用，在節(jié)點(diǎn)的下部桿端設(shè)置約束，計(jì)算至1.3倍的荷載，其結(jié)果如圖8所示。

圖5 半結(jié)構(gòu)剖面

圖6 鑄鋼節(jié)點(diǎn)示意

圖7 鑄鋼節(jié)點(diǎn)詳圖

圖8 1.3倍最不利組合下的節(jié)點(diǎn)MISES應(yīng)力

有限元分析表明，在環(huán)向水平梁與柱體構(gòu)件交匯處的上角部位MISES應(yīng)力最大，σmax＝292 MPa。

另外，在柱體外側(cè)區(qū)域的壁板的MISES應(yīng)力也達(dá)到了200 MPa左右。

3.3 試驗(yàn)加載方式的選取

為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的可靠性，對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺的驗(yàn)證性試驗(yàn)。同時(shí)為了簡化試驗(yàn)加載，試驗(yàn)時(shí)選取了一個(gè)僅具有7個(gè)構(gòu)件端的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。該節(jié)點(diǎn)在1.3倍的1.2恒載+1.4活載+ 0.84y反向風(fēng)載工況下的端部加載情況如表4所示。關(guān)于彎矩的模擬則是通過M＝N×δ的公式以及設(shè)計(jì)荷載下的桿端彎矩、軸力值，反算出軸力的偏心矩值，如圖9所示。

圖9 構(gòu)件編號示意

3.4 加載系統(tǒng)

將桿件2固定于自平衡反力架，其余桿件由千斤頂直接加載，除桿件4、6、8施加軸力和彎矩My以外，其余桿件只施加軸力。試驗(yàn)中使用16個(gè)400 t、2個(gè)300 t千斤頂，分別對各加載桿端部同步加載。局部桿端需用變截面箱形構(gòu)件實(shí)現(xiàn)加載端的過渡。直接在桿件端部焊接加載端板，通過加勁肋等保證加載端安全。為實(shí)現(xiàn)表中的加載力系，設(shè)計(jì)了自平衡加載反力裝置，如圖10所示。反力架形成兩個(gè)封閉的受力環(huán)。反力架設(shè)計(jì)荷載取節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)荷載的1.5倍。正式試驗(yàn)前進(jìn)行了兩次預(yù)加載。每次加載分兩級加載到設(shè)計(jì)荷載的40%。正式試驗(yàn)時(shí)，對每個(gè)桿件的端部千斤頂進(jìn)行同步加載，在施加每一級荷載完畢后，等待2 min，再測試應(yīng)變片和位移計(jì)讀數(shù)。最大荷載加至設(shè)計(jì)荷載的1.3倍，分成13級加載，桿端軸力及彎矩加載示意如圖11所示。

表4 節(jié)點(diǎn)桿端加載值

圖10 節(jié)點(diǎn)加載裝置模型

圖11 桿端軸力及彎矩加載示意

3.5 測試方案

試驗(yàn)時(shí)采用36個(gè)單向應(yīng)變片，61個(gè)三向應(yīng)變片，12個(gè)位移計(jì)，共計(jì)239個(gè)測點(diǎn)。所有測點(diǎn)的位置均避開了加勁肋和焊縫，具體布置如圖12、圖13所示。其中，單向應(yīng)變片是監(jiān)控實(shí)際加載的軸力與理論加載軸力是否一致，三向應(yīng)變片監(jiān)測構(gòu)件相貫區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變分布的情況。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

各級MISES應(yīng)力結(jié)果如圖14所示。

3.7 結(jié)果分析

4號桿件與6號桿件的交匯處，節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力值最高達(dá)280 MPa，已經(jīng)達(dá)到材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；另外在6號桿件與2號桿件的交匯處等效應(yīng)力也達(dá)到了250 MPa左右。

節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力值最高達(dá)292 MPa，出現(xiàn)在4號桿件與6號桿件的交匯處，在這里出現(xiàn)的原因主要是因?yàn)榱庑苇h(huán)梁與外柱側(cè)壁交匯處尖角的存在，同樣在6號桿件與2號桿件的交匯處等效應(yīng)力也達(dá)到了240 MPa左右。該處的高應(yīng)力值是節(jié)點(diǎn)的受荷特點(diǎn)造成的，也是整個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)主要的高應(yīng)力區(qū)。

通過分析比較可知，有限元分析與試驗(yàn)所采用的加載方案所得結(jié)果吻合性較好。通過對試驗(yàn)結(jié)果的定量分析評估，鑄鋼節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。

4 現(xiàn)場焊接技術(shù)

杭州國際會(huì)議中心項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程的現(xiàn)場焊接具有技術(shù)要求高、復(fù)雜、工作量大等特點(diǎn)，是一項(xiàng)典型的系統(tǒng)工程，焊接工作是結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變控制、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的全部內(nèi)容。

4.1 焊接工程的整體思想

現(xiàn)場焊接必須遵循的總體原則為：統(tǒng)一對稱、分區(qū)進(jìn)行；自內(nèi)而外、隔層焊接；單桿雙焊、雙桿單焊；先栓后焊；分層合龍。

圖12 位移、應(yīng)變測試方案

圖13 位移、應(yīng)變測試方案

(1)統(tǒng)一對稱、分區(qū)進(jìn)行。

主樓以平面圓為基準(zhǔn)，分為八個(gè)焊接施工區(qū)，每個(gè)焊接施工區(qū)域布置一個(gè)焊接施工班組，保證每個(gè)班組的焊機(jī)數(shù)量與焊工人數(shù)相同，焊接電流、電壓及焊接速度盡量一致，以圓心為對稱點(diǎn)進(jìn)行焊接。

(2)自內(nèi)而外、隔層焊接。

圖14 位移、應(yīng)變測試結(jié)果

先將鋼柱、鋼梁以及斜撐安裝至第三節(jié)，確定各層螺栓連接已達(dá)到要求(即高強(qiáng)螺栓初擰30%，安裝螺栓緊固)，并進(jìn)行精度確認(rèn)后方可進(jìn)行焊接工作。

首層鋼結(jié)構(gòu)先進(jìn)行內(nèi)環(huán)柱對接焊縫的焊接，然后依次進(jìn)行內(nèi)部環(huán)向梁、外環(huán)柱對接焊縫、外部環(huán)向梁、徑向梁的焊接，最后進(jìn)行框梁、隅撐、樓面連梁的焊接。

首層焊接結(jié)束后，進(jìn)行第四層鋼結(jié)構(gòu)的安裝，安裝固定后進(jìn)行第二層和第三層鋼結(jié)構(gòu)的焊接，焊接順序與首層鋼結(jié)構(gòu)的焊接順序相同，以此類推，結(jié)構(gòu)吊裝就位比焊接提前不少于一層，直至屋蓋安裝結(jié)束。

(3)單桿雙焊、雙桿單焊。

針對環(huán)向梁、徑向梁采用此焊接原則，如圖15所示，單桿雙焊即兩根梁與柱間的焊縫，采用兩人對稱焊，要求保證焊接速度一致，焊接電流、電壓參數(shù)一致。雙桿單焊即橫梁與立柱焊接，先焊接一端，待焊縫溫度冷卻至常溫再進(jìn)行另一端的焊接。

圖15 單桿雙焊、雙桿單焊示意

(4)先栓后焊。

先對高強(qiáng)螺栓初擰30%，之后進(jìn)行焊接，焊接結(jié)束，待焊縫冷卻之后，再對高強(qiáng)螺栓進(jìn)行終擰。

(5)分層合龍。

主樓焊接時(shí)，每層設(shè)置焊接合龍，相鄰層合龍位置依次錯(cuò)開45°，控制頂層合龍溫度。

4.2 主樓鋼結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)思想

(1)焊接位置及技術(shù)的確定。

主結(jié)構(gòu)全部采用全位置焊接，其重點(diǎn)控制是仰焊，初步?jīng)Q定仰焊采用SMAW。

(2)焊接順序。

根據(jù)主結(jié)構(gòu)“統(tǒng)一對稱、分區(qū)進(jìn)行；自內(nèi)而外、隔層焊接；分層合龍”的思想，焊接程序應(yīng)當(dāng)是：第一步，以柱為點(diǎn)，自內(nèi)而外，分區(qū)進(jìn)行，對稱焊接；第二步，以梁為主，自內(nèi)而外，先環(huán)后徑，分區(qū)對稱，逐步合龍。注意隔層焊接。

焊接施工順序?qū)附幼冃渭昂负髿堄鄳?yīng)力有很大的影響，直接影響到焊接質(zhì)量。應(yīng)詳細(xì)制定結(jié)構(gòu)整體以及典型部分焊接順序，焊接時(shí)盡量減小結(jié)構(gòu)焊后變形和焊后殘余應(yīng)力。

主樓焊接需遵從以下原則：

a.分區(qū)對稱焊接。

同一層焊接作業(yè)時(shí)遵循對稱施焊的原則，將施工平面劃分為八個(gè)焊接區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)配備相同數(shù)量的焊工、焊機(jī)，施焊時(shí)要保證焊接電流、電壓、焊接速度的一致。一個(gè)區(qū)域里依照由內(nèi)到外的焊接順序，保證相對圓心對稱的位置同時(shí)進(jìn)行焊接。

在柱對接焊縫焊接結(jié)束后進(jìn)行環(huán)向梁的焊接，之后進(jìn)行徑向梁的焊接，焊接過程中需要保證同時(shí)、同步、同位置、同焊接參數(shù)。

b.隔層焊接。

主樓第一層構(gòu)件焊接必須待第三層構(gòu)件全部吊裝就位、全部螺栓初擰30%完成后再開始焊接，這是為了通過結(jié)構(gòu)自重來約束焊接變形，控制安裝精度。依次往上保證吊裝作業(yè)比焊接提前不少于一層。

先安裝第一、二、三層鋼結(jié)構(gòu)，帶鋼結(jié)構(gòu)就位后，擰緊安裝用螺栓，連接用高強(qiáng)螺栓初擰30%，并經(jīng)驗(yàn)收，該三層鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度達(dá)到要求，方可進(jìn)行第一層鋼結(jié)構(gòu)的焊接，包括第一節(jié)柱與第二節(jié)柱的對接焊縫、第一層鋼結(jié)構(gòu)中的橫梁與斜撐。

在第一層鋼結(jié)構(gòu)焊接結(jié)束之后，方可進(jìn)行第四層的鋼結(jié)構(gòu)安裝，安裝后進(jìn)行第二層鋼結(jié)構(gòu)的焊接，以此類推，直至第十九層鋼結(jié)構(gòu)焊接結(jié)束。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)焊接合龍技術(shù)

繼國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程提出實(shí)施鋼結(jié)構(gòu)工程成功以來，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)普遍重視合龍焊縫的焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高了控制鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)初始應(yīng)力精度，保證了鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)長期安全運(yùn)營。

合龍是焊接工序的收關(guān)之作，是鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載的前提條件，合龍焊縫在一定程度上決定整體鋼結(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力狀態(tài)。從嚴(yán)格意義上講，合龍焊縫屬于帶載焊接的范疇，具有很高的難度；同時(shí)合龍焊縫也具有極大的焊接殘余應(yīng)力，容易形成焊接殘余應(yīng)力集中的焊縫，因此存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

建筑鋼結(jié)構(gòu)在初始溫度的條件下，從分散的帶臨時(shí)約束體系到封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程稱為合龍，使之成為封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的焊縫叫合龍焊縫。鋼結(jié)構(gòu)焊接合龍技術(shù)有六大要素：

(1)第一要素——合龍溫度的確定。

合龍溫度就是鋼結(jié)構(gòu)在合龍過程中的初始平均溫度，區(qū)別于大氣溫度，是結(jié)構(gòu)使用中溫度的基準(zhǔn)點(diǎn)，也稱安裝校準(zhǔn)溫度。合龍溫度確定原則上由設(shè)計(jì)單位考慮，其確定原則如下：

a.確定結(jié)構(gòu)合龍溫度時(shí)，首先考慮當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，應(yīng)使合龍溫度接近平均氣溫，也就是可進(jìn)行施工天數(shù)中所占比例最大的氣溫。

b.確定合龍溫度時(shí)應(yīng)充分考慮施工中的不確定因素，預(yù)留一定溫度的允許偏差。

c.合龍溫度應(yīng)盡量設(shè)置在結(jié)構(gòu)可能達(dá)到最低溫度之間，使結(jié)構(gòu)受溫度影響最合理，從而達(dá)到最小構(gòu)件截面減少用鋼量的目的。

根據(jù)杭州近年氣象資料分析確定合龍溫度，杭州的最高氣溫為43℃，最低氣溫為-8.6℃；年平均最高氣溫39.9℃，年平均最低氣溫-1.3℃。設(shè)正溫差為50℃，負(fù)溫差-30℃，而設(shè)計(jì)取值較大，安全裕度也就相應(yīng)較大。考慮熱島效應(yīng)，最終合龍溫度可定為17℃～25℃。

(2)第二要素——合龍溫度的監(jiān)測。

鋼結(jié)構(gòu)施工過程的溫度監(jiān)測主要有三個(gè)目的：

a.測量鋼結(jié)構(gòu)各部位的本體溫度和主要位置的大氣溫度、濕度，以判斷鋼結(jié)構(gòu)溫度的滯后時(shí)間效應(yīng)，并由此建立鋼結(jié)構(gòu)本體溫度與大氣溫度、濕度及天氣預(yù)報(bào)之間的關(guān)系，通過天氣預(yù)報(bào)資料和合龍溫度初步確定合龍時(shí)間，以便組織合龍工作。

b.根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)各部位的本體溫度分布情況，確定合龍溫度測量基準(zhǔn)點(diǎn)，確保合龍溫度的可操作性和準(zhǔn)確性。

c.根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)本體溫度變化情況，確定最適宜的合龍時(shí)間段，保證合龍質(zhì)量和合龍工作有序進(jìn)行。

(3)第三要素——合龍焊縫盡量對稱均勻設(shè)置。

從本質(zhì)上看，合龍焊接屬于帶載焊接范疇，因此合龍焊縫有很大的焊接殘余應(yīng)力。為了保證本工程鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一次初始應(yīng)力均勻，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，在19層鋼結(jié)構(gòu)施工面上設(shè)置對稱、均勻的四條合龍線，每層位置相錯(cuò)45°，直到19層，共計(jì)76條合龍線。合龍線所屬合龍焊縫是應(yīng)力最集中的焊縫，因此均勻分布是首選原則。

杭州國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程在結(jié)構(gòu)合龍時(shí)，采取同層對稱合龍，不同層的合龍點(diǎn)應(yīng)相互間隔一定角度(45°)，如圖16所示。

圖16 合龍線及合龍點(diǎn)設(shè)置示意

第一層外環(huán)合龍點(diǎn)為A、E，內(nèi)環(huán)合龍點(diǎn)為A1、E1；第二層外環(huán)合龍點(diǎn)即為C、G，內(nèi)環(huán)合龍點(diǎn)為C1、G1；第三層外環(huán)合龍點(diǎn)即為B、F，內(nèi)環(huán)合龍點(diǎn)為B1、F1；第四層外環(huán)合龍點(diǎn)即為D、H，內(nèi)環(huán)合龍點(diǎn)為D1、H1；按照上述四層合龍點(diǎn)的劃分，對本工程主樓整體可進(jìn)行各層合龍點(diǎn)的劃分。遵循同層對稱合龍，不同層的合龍點(diǎn)應(yīng)相互間隔一定角度，使合龍點(diǎn)均勻分布在整個(gè)球體上的原則。

(4)第四要素——合龍焊縫負(fù)載轉(zhuǎn)移。

從焊接的本質(zhì)上講，合龍焊縫屬于帶載焊接。因?yàn)橐坏┬纬煞忾]穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，就形成了系統(tǒng)的一次應(yīng)力。而合龍焊縫便是應(yīng)力最大的焊縫，隨著溫度變化，應(yīng)力隨之變化，不僅在大小上變化，而且在方向上變化，這給合龍焊縫的焊接帶來很多困難，特別是在拉應(yīng)力強(qiáng)大時(shí)焊接過程中極易形成熱裂紋。

根據(jù)焊接應(yīng)用技術(shù)理論和經(jīng)驗(yàn)，最有效的方法是用卡馬轉(zhuǎn)移負(fù)載，待焊縫形成后，割除卡馬。使一次應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移在卡馬上，然后再轉(zhuǎn)移在焊縫上，確保焊縫的安全。

(5)第五要素——合龍焊接最好在夜間進(jìn)行。

由于鋼構(gòu)件直接暴露于室外，冬季時(shí)，鋼構(gòu)件的溫度與室外氣溫基本相同。夏季時(shí)，室外氣溫最高，太陽照射強(qiáng)度最大，太陽照射將引起構(gòu)件溫度顯著升高。結(jié)構(gòu)在迎光面與背光面的溫差，以及屋面、立面鋼構(gòu)件的溫差將形成梯度較大的溫度場分布。

溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形，對結(jié)構(gòu)合龍的安全性產(chǎn)生顯著影響。由于合龍溫度是以鋼結(jié)構(gòu)桿件的平均溫度為準(zhǔn)，因此合龍工程必須在構(gòu)件受熱均勻的環(huán)境中進(jìn)行。也就是說，合龍工程必須在沒有日照的夜間，并且在構(gòu)體溫度均勻時(shí)進(jìn)行，這是合龍工程對環(huán)境溫度的具體要求。

(6)第六要素——合龍焊縫焊接必須同時(shí)進(jìn)行。

合龍焊縫焊接要同時(shí)進(jìn)行主要有兩個(gè)原因：

其一，合龍溫度的限制。只有在相同的構(gòu)件和環(huán)境溫度條件下，所形成的焊縫受溫度影響最小；環(huán)境溫度隨時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生變化，時(shí)間一長很有可能超出合龍溫度的范疇，使合龍焊接不能進(jìn)行，所以要同時(shí)焊接。

其二，從嚴(yán)格的意義上講，合龍焊縫的焊接屬于帶載焊接范疇，如果兩條或兩條以上的焊縫不同時(shí)焊接，那么先焊的焊縫負(fù)載要小，焊接的殘余應(yīng)力小，而后焊的焊縫則剛好相反，負(fù)載比先焊的焊縫大得多，容易形成應(yīng)力集中，焊縫中心也容易出現(xiàn)熱裂紋。這種情況在“負(fù)載轉(zhuǎn)移”的卡馬焊接時(shí)要特別小心，一個(gè)斷面上的所有卡馬必須在同一段時(shí)間內(nèi)完成，也就是說，不能一個(gè)卡馬焊好后再焊另一個(gè)卡馬，而是所有卡馬同時(shí)焊接；如果卡馬太多，要采取巡回焊接的技術(shù)，使所有卡馬完成焊接的時(shí)間大致相同；GMAW、FCAW-G非常適合合龍焊縫和卡馬的焊接。這樣能夠使一個(gè)斷面的卡馬負(fù)載基本均勻，這種應(yīng)力狀態(tài)的形成對正式焊接主焊縫十分有利。所以只有同時(shí)焊接所有的合龍焊縫，合龍焊縫才能獲得基本相同的負(fù)載，從而使鋼結(jié)構(gòu)體系形成基本均勻的一次初始應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到封閉穩(wěn)定的目的，為卸載的成功提供有力的技術(shù)支持。

4.4 鑄鋼件與異種鋼焊接技術(shù)

(1)本工程使用鑄鋼件部位有兩處，共43個(gè)。鑄鋼焊接特點(diǎn)如下：

a.主樓箱形柱與弧形柱轉(zhuǎn)換部位。該轉(zhuǎn)換部位采用鑄鋼GS-20Mn5V(調(diào)質(zhì))材料，上下箱形結(jié)構(gòu)采用Q345GJC鋼材；接頭焊接為鑄鋼件與建筑結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼接頭焊接，其連接接頭的焊接坡口形式如圖17～圖19所示。

圖17 鑄鋼件和鋼梁對接焊縫

圖18 鑄鋼件和上部鋼柱對接焊縫

b.群房桁架部分支座處管套式鑄鋼件，鑄鋼材料為GS-20Mn5V，鋼管材質(zhì)為Q235B。

(2)鑄鋼件與異種鋼焊接的工藝原則。

a.正確選用焊條及相應(yīng)焊材是異種鋼焊接成功的關(guān)鍵。b.在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下，若強(qiáng)度和塑性不能兼顧，則應(yīng)選塑性較好和韌性好的焊條和焊材。焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種即認(rèn)為滿足使用技術(shù)條件要求。c.選用相同等級結(jié)構(gòu)鋼焊條時(shí)，優(yōu)先考慮抗裂性能好的低氫型焊條。在滿足性能要求的前提下，選用工藝性能好、價(jià)格低、易于采購的焊條。d.確定預(yù)熱溫度，一般應(yīng)根據(jù)淬硬裂紋傾向大的一側(cè)母材和焊縫金屬合金化程度的大小綜合確定，應(yīng)當(dāng)由焊縫工藝評定來進(jìn)行確定。e.焊工要專門進(jìn)行培訓(xùn)，應(yīng)具有焊接質(zhì)量保證體系和技術(shù)責(zé)任制，并在監(jiān)理的督促下進(jìn)行。

(3)鑄鋼件焊接工藝。

a.預(yù)熱溫度150℃；b.層間溫度150℃～200℃；c.鑄鋼GS-20Mn5V是改善了可焊性的鑄造調(diào)質(zhì)鋼，焊接性能良好，但是由于接頭板厚，原則上擬采用稍高的焊前預(yù)熱溫度防止裂紋。作為調(diào)質(zhì)鋼材，要控制熱輸入量和道間溫度的上限，以防止近縫區(qū)軟化，同時(shí)采取道間錘擊工藝，松弛接頭焊接收縮應(yīng)力。d.預(yù)熱。鑄鋼件與異種鋼施應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，采用2～3把烘槍進(jìn)行火焰預(yù)熱。預(yù)熱溫度170℃。待溫度降至150℃時(shí)方可進(jìn)行焊接。e.后熱。焊接結(jié)束后，用烘槍對焊縫進(jìn)行后熱處理。后熱溫度200℃，之后采用50mm厚的保溫棉對焊縫后熱處理部分進(jìn)行包裹，緩冷至室溫。

圖19 鑄鋼件和下部鋼柱對接焊縫

(4)鑄鋼件節(jié)點(diǎn)焊接順序。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)如圖20所示。

圖20 鑄鋼節(jié)點(diǎn)示意圖

該鑄鋼節(jié)點(diǎn)除去立柱與弧形柱對接牛腿外，還包括了八個(gè)牛腿。如何控制焊接變形，保證整體結(jié)構(gòu)的焊接精度，是一大難點(diǎn)。

由于該節(jié)點(diǎn)的重心不在立柱的支撐上，在該層鑄鋼件焊接時(shí)先進(jìn)行立柱與鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接(當(dāng)?shù)谒膶愉摻Y(jié)構(gòu)安裝就位之后)，即1處的焊接，采用兩人對稱焊接，如圖21所示。

節(jié)點(diǎn)部位焊接順序：先進(jìn)行鑄鋼件與下部立柱的焊接，再進(jìn)行環(huán)向菱形梁與鑄鋼件的焊接(兩人對稱焊接)，之后進(jìn)行徑向H型鋼梁與鑄鋼件間的焊接，再進(jìn)行下部斜撐與鑄鋼件的焊接，之后進(jìn)行鑄鋼件與上部鋼柱的焊接，再進(jìn)行上步斜撐的焊接。

焊接順序：1→4→2、3→5→6→7→8→9、10。

圖21 鑄鋼節(jié)點(diǎn)對稱焊接示意及實(shí)況

(5)菱形箱形梁與鑄鋼件焊接順序。

在進(jìn)行菱形梁與鑄鋼件焊接時(shí)，焊接順序如圖22所示，腹板兩人對稱焊接結(jié)束之后，進(jìn)行下翼板的焊接，最后進(jìn)行上翼板的焊接。

圖22 菱形箱形梁與鑄鋼件焊接順序示意

[1]建筑用鑄鋼節(jié)點(diǎn)技術(shù)規(guī)程(CECS-送審稿)[S].

[2]宋 或.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[3]祝效華.ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Research on welding technology of giant balls of steel structure engineering

GAO Liang1，WU Rao-qing2
(1.Changjiang Jinggong Steel Structure(Group)Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China；2.China Zhongshe Construction Engineering Group，Shaoxing 312072，China)

According to the order，strictly carry out welding procedures，digestive innovation the″bird's nest″steel structure technology，to achieve the layered folded 45°fold line fault even decorate，make fold goes well；According to the structure″unified especially symmetrical，division，and from the inside out，layer between welding，layered fold″thought，welding procedure shall be is：the first step：column for the point，since the inside and outside，zoning，welding symmetrically；The second step：to the beam is given priority to，from inside and outside，after the first ring size，symmetry，and gradually fold division.Note：the layer between the welding.The idea has certain theoretical depth and welding technology is feasible，and construction steel structure welding engineering application.In the thick plate welding technology，prevent layered tear has certain breakthrough and development，especially in the production process，prevent members of layered tore his actions are effective implementation and application.The full implementation of the″bird's nest″cast steel welding process and success，cast steel welding quality，obtained the owner and supervision's consistent high praise.

heterotypic frame supported steel structure for high rise building；steel structure closure；cast steel welding

TG457.11

B

1001-2303(2011)09-0005-11

2011-03-23

高 良(1981—)，男，高級工程師，主要從事焊接技術(shù)及管理工作。