海中鋼結構焊接工程技術

賈寶華，俞海濤

(浙江精工鋼結構有限公司，浙江 紹興 312030)

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海中鋼結構焊接工程技術

賈寶華，俞海濤

(浙江精工鋼結構有限公司，浙江 紹興 312030)

杭州灣跨海大橋海中平臺由觀光平臺和觀光塔兩部分組成，主體結構采用鋼框架支撐結構體系。該工程鋼結構要求焊接質量高、無應力腐蝕裂紋、控制焊接變形。焊接施工的難點在于焊接變形及殘余應力的控制以及焊接質量要求高。在此介紹了該工程中焊接變形及應變控制的整體思想，根據現場情況確定平臺、網架、觀光塔的焊接原則；詳細介紹了該工程中涉及到的圓管柱對接、H型鋼梁對接焊縫、鑄鋼件與異種鋼等焊接工藝。經工程實踐證明，該技術方案在保證結構精度、強韌性的前提下，將結構的焊接應力降到最小，并對焊接殘余應力均勻分布，有效地防止了應力腐蝕裂紋的產生。可以為建筑鋼結構工程的焊接施工提供技術參考。

建筑鋼結構；焊接技術；殘余應力

1 工程概況

杭州灣跨海大橋海中平臺觀光塔鋼構件工程于2010年3月16日全面完工。跨海平臺位于杭州灣跨海大橋K66+120下游150m處，平臺成橢圓形，上部結構造型為大鵬展翅。平臺建筑面積為36616.73m2，六層，建筑高度為24 m。觀光塔位于海中平臺的東側，觀光塔總建筑面積為5 100.42 m2，地上16層，建筑高度為145.6 m，如圖1所示。

主體結構采用鋼框架支撐結構體系，柱網采用6m×8m和12m×8m柱網相結合，柱采用φ 800mm× 32 mm的圓管截面，底部三層為鋼管混凝土柱，框架支撐布置在10、11、17、25軸及E、F、G、J、K、L軸，自承臺頂到結構頂部；樓層結構平面由橢圓形轉變為不規則形狀。主梁截面有H750×400×18×25、H750×450×18×25、H750×450×20×30三種，樓蓋采用鋼筋混凝土樓板。屋蓋采用焊接球網架結構，懸挑部分采用三層網架，其余部分采用雙層網架。網架由下弦多點支撐，鳥尾設斜撐。網架中間為天窗架，與網架連接由管桁架連接。

圖1 杭州灣跨海大橋海中平臺實景及效果圖

觀光塔為筒體結構，筒體均勻分布在半徑4.6 m圓上，由八根柱及柱間支撐等共同構成，其平面布置為八邊形。筒體柱截面為φ 800、φ 1 600，在筒體中部有部分為變截面柱。筒外斜柱為觀光塔的主要抗側力構件，在標高66.080 m處與筒體柱通過鑄鋼件相連。裝飾柱位于塔身上部，底部在標高87.656 m處通過鑄鋼件與筒體柱連接。在標高133.685 m處，為了保證觀光塔的舒適度，設置有TMD系統。

觀光塔頂部豎有桅桿(高18.84m)，底部固定于觀光塔水箱層。桅桿采用變截面鋼管，截面尺寸φ 300～1 300 mm，桅桿中間裝有三個球形裝飾。

2 焊接特點與難點

2.1 焊接施工特點

(1)節點形式復雜，焊接質量要求高。

(2)鑄鋼件與Q345異種鋼焊接的質量控制要求防止應力腐蝕裂紋的產生。

(3)焊接變形控制尤為重要，將影響結構整體安裝質量。

2.2 焊接施工難點

(1)鋼結構焊接變形及殘余應力的控制難度大。

(2)圓管及橢圓管焊接均為全位置焊接，焊接技術水平要求高，焊接質量控制難度大。

(3)海上風大，氯粒子含量高，濕度比較高，應力應變控制難度高，易導致焊縫金屬中氫的聚集，容易形成冷裂紋和應力腐蝕裂紋。

2.3 焊接方法

綜合考慮工程現場的焊接效率和操作難度，平臺和網架采用CO2氣體保護焊；觀光塔21.9 m以下采用CO2氣體保護焊，21.9 m以上采用焊條電弧焊或藥芯自保護焊。

3 焊接變形和應變控制整體思想

3.1 焊接工程的整體思想

3.1.1 平臺的焊接原則

杭州灣平臺現場焊接必須遵循以下原則：統一對稱、分片進行；自中心向四周推進(見圖2)；單桿雙焊、雙桿單焊。

圖2 杭州灣平臺現場焊接原則

(1)分區對稱焊接。

平臺分為三個焊接施工區(A區、B區、C區)，先進行A區和B區的對稱施焊，施工區域布置一個焊接施工班組，A區和B區焊接結束后，再進行C區桿件安裝，待C區所有桿件安裝就位后進行焊接。

(2)局部構件焊接順序如圖3所示。

圖3 兩根圓管柱之間梁的焊接示意

兩根圓管柱之間梁的焊接順序為1→2→3→4。

3.1.2 網架的焊接原則

杭州灣網架現場焊接必須遵循以下原則(見圖4、圖5)：統一對稱、分片進行；自中心向四周擴散焊接；隔片(奇、偶)焊接；單桿雙焊、雙桿單焊。

圖4 網架結構焊接順序示意

圖5 網架結構焊接順序示意

根據現場安裝順序先進行兩邊“翅膀”的安裝，然后安裝中間桁架。制定的網架結構焊接順序如下：

(1)確定全面開焊時間。

單個翅膀縱向分為1～11個。縱向1～2為A片，2～3為B片……10～11為J片，最后為K片，共11片。

按照順序安裝橫向鋼件(1～11)之后，再安裝縱向腹桿(A～K)，焊接腹桿(A～K)時應隔片焊接，焊接順序為A→C→B→D→F→E→G→I→H→J→K(見圖4、圖5)。

(2)焊接順序如圖6所示。

根據統一對稱、分片進行；自中心向四周擴散焊接；隔片焊接；單管雙焊、雙管單焊的原則。正式施焊時，從中心向四周施焊，分兩組焊工同時施工，保證每個班組的焊機數量與焊工人數相同，焊接電流、電壓及焊接速度盡量一致，在圖6中以中心1為對稱點進行焊接。焊接順序如圖7所示，先焊接1→2→3→4→5，再焊接①→②→③→④→⑤，為減少焊接變形，先焊奇數桿件再焊偶數桿件。

圖6 網架結構焊接順序示意圖

(3)焊接要求。

網架構件連接處用卡瑪固定，不能點焊。如情況特殊需用點焊，則應嚴禁在焊縫坡口處點焊。

3.1.3 觀光塔的焊接原則

觀光塔現場焊接必須遵循以下原則：統一對稱，分區進行；先內后外，隔層焊接；單桿雙焊，雙桿單焊；分層合龍。

圖7 網架結構焊接順序示意

(1)分區對稱焊接。

觀光塔以平面圓為基準，分為2個焊接施工區(A區和B區)，每個焊接施工區域安排一個焊接施工班組，保證每個班組的焊機數量與焊工人數相同，電流、電壓相同，焊接速度盡量一致，以圓心為對稱點進行焊接，如圖8所示。

圖8 觀光塔焊接分區示意

(2)先內后外，隔層焊接。

觀光塔焊接順序：

a.安裝內環第1層柱。

內1柱和內2柱之間梁用耳板連接，然后依次安裝內3柱及內2、3柱之間的梁到內8柱及內8、1柱之間的梁。

b.安裝外環第1層柱。

安裝外1柱，外1柱和內1柱的梁用耳板連接；安裝外2柱，外2柱和外1柱及外2柱和內2柱之間梁用耳板連接；然后依次安裝外3柱至外8柱。

c.安裝內第2層柱和外第2層柱。

安裝順序同內第1層柱和外第1層柱的安裝。

d.內環第1層柱的焊接，如圖9、圖10所示。

以合龍口(內柱4)為基準。焊接順序為a→b→c→d→e→f→g。

e.外環第1層柱的焊接。

先焊環向梁后焊徑向梁，如圖11所示。

以合龍口(外柱4)為基準，兩區進行對稱施焊。環向梁焊接順序為a→b→c→d→e→f，g處為合龍口，徑向梁施焊完后施焊。

圖9 觀光塔平面圖

圖10 觀光塔內環焊接順序

圖11 觀光塔外環焊接順序

徑向梁焊接順序為h→i→j→k→l→m→n→o→p→q。

f.梁的焊接。

每段柱之間梁的焊接按照由下向上的順序進行施焊。

(3)單桿雙焊、雙桿單焊。

針對環向梁、徑向梁采用此焊接原則，如圖12、圖13所示，單桿雙焊即兩根梁與柱間的焊縫，采用兩人對稱焊，要求焊接速度一致，焊接電流、電壓參數相同。

圖12 單桿雙焊示意

圖13 雙桿單焊示意

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方可進行另一端的焊接。

(4)分層合龍。

a.合龍溫度確定的基本原則。

合龍溫度就是鋼結構在合龍過程中的初始平均溫度，區別于大氣溫度，是結構使用中溫度的基準點，也稱安裝校準溫度，其確定原則如下：

①確定結構合龍溫度時，首先考慮當地的氣象條件，應使合龍溫度接近平均氣溫，也就是可進行施工的天數中所占的比例最大的氣溫。

②確定合龍溫度應充分考慮施工中的不確定因素，預留一定溫度的允許偏差，作調整用。

③合龍溫度應盡量設置在結構可能達到的最低溫度之間，使結構受溫度影響最合理，從而達到減少用鋼量的目的。

b.合龍焊縫負載轉移。

從嚴格的意義上講，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焊接，那么先焊的焊縫負載要小，焊接的殘余應力小，后焊的焊縫則剛好相反，負載比先焊的焊縫大得多，容易形成應力集中，焊縫的中心也容易出現熱裂紋。這種情況在“負載轉移”的卡馬焊接時要特別小心，一個斷面上的所有卡馬，必須在同一段時間內完成，不能一個卡馬焊好后再焊另一個卡馬，而是所有卡馬都同時焊接；如果卡馬太多，要采取巡回焊接的技術，使所有卡馬完成焊接時間大致相同；GMAW、FCAW-G非常適合合龍焊縫和卡馬的焊接。這樣能夠使一個斷面的卡馬負載基本均勻，這種應力狀態的形成對正式焊接主焊縫十分有利。所以，只有同時焊接所有的合龍焊縫，才能獲得基本相同的負載，從而使鋼結構體系形成基本均勻的一次初始應力狀態，達到封閉、穩定的目的，為卸載的成功提供有力的技術支持。

合龍焊縫負載轉移最有效的方法是用卡馬轉移負載，待焊縫形成后，割除卡馬，使一次應力全部轉移在卡馬上，然后再轉移到焊縫上，確保焊縫的安全。

由于本工程合龍口數量眾多，且合龍段的安裝隨著工程的總體安裝進程在不同時間里進行，合龍段的安裝質量不僅影響結構安裝過程中的安全，而且影響最終的合龍和結構的總體施工質量和結構使用過程中的安全，因此，必須采取合理的安裝工藝措施，確保合龍段與相關構件的安裝和結構的順利合龍。具體工藝措施如下：

①為控制合龍口的間隙大小，減少合龍口的焊接量和焊接殘余應力，確保合龍口的焊接質量，在進行合龍段的安裝時，要盡量控制合龍段安裝時合龍口的間隙大小，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形，如達不到預定的要求，可調整合龍段，先焊一端的坡口間隙。

②為確保合龍段施工過程中的安全，合龍段安裝就位后，除設計要求的合龍口不進行焊接連接外，其他接口部位均需及時焊接完畢，以增強結構的整體穩定性。

③為確保合龍口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮，合龍口采用卡馬搭接連接，卡馬的大小和數量需根據該接口部位的受力計算確定。此受力計算不但要考慮合龍段安裝過程中搭接受力要求，而且要考慮合龍過程中合龍口的受力要求。

c.分層合龍順序。

為減少施工難度，減小焊接變形，降低焊接應力，防止應力腐蝕裂紋的產生，觀光塔采用分層進行合龍。

觀光塔焊接時，每層設置焊接合龍，相鄰層合龍位置依次錯開90°→45°→90°→45°，控制頂層合龍溫度。

合龍點如圖5所示，第一層①→第二層②→第三層③→第四層④→…→第十一層。

3.2 焊接工藝

3.2.1 圓管柱對接焊接工藝

平臺圓管柱截面為Q345C材質。對接要求兩名焊工(A、B)沿圓周分區同時、對稱施焊，每一層焊接的起弧點相距30～50 mm，避免缺陷集中在一處。當管徑大于1 000 mm時可采取分段退焊的方法，焊接順序如圖14所示。

圖14 圓管柱焊接示意

3.2.2 H型鋼梁對接焊縫焊接工藝

梁柱、梁梁連接多采用栓焊混合的形式，在完成高強螺栓初擰后進行焊接，焊接時先焊下翼緣，后焊上翼緣，最后焊腹板。在焊接梁的下翼板時，從中間由兩人同時對稱往外焊接，在腹板兩側坡口內輪換分層填充至填滿坡口，再焊接上翼緣的全焊透焊縫，方式同下翼緣，如圖15所示。各道焊縫的起弧點要適當錯開，以避免夾渣、未熔合等缺陷集中在一處。

圖15 H型鋼梁焊接順序

3.2.3 鑄鋼件與異種鋼焊接工藝

3.2.3.1 鑄鋼焊接特點

(1)鑄鋼件坡口形式。

觀光塔圓管柱與弧形柱轉換部位，該轉換部位采用鑄鋼GS-20Mn5V(調質)材料，上下圓管結構采用Q345GJC與Q345C鋼材；接頭焊接為鑄鋼件與建筑結構鋼的異種鋼接頭焊接，其連接接頭的焊接坡口形式如圖16所示。焊接坡口選用單V型坡口(35°+8 mm)加墊板焊接，坡口開在Q345GJC與Q345C側。

圖16 鑄鋼件連接大樣

(2)鑄鋼件模型如圖17～圖19所示。

圖17 鑄鋼件模型

圖18 下鑄鋼節點軸測與剖面圖

圖19 上鑄鋼節點軸測與剖面圖

3.2.3.2 焊接順序

(1)鑄鋼件整體對稱施焊，先焊3、7，再焊1、5，然后焊2、6或4、8，如圖20所示。

圖20 鑄鋼件整體對稱施焊示意

(2)上鑄鋼節點下對接口焊接，如圖21所示。

先由六人對稱焊接1、2、3、4、5、6。1、2、3、4處焊工保證焊接電流、電壓、焊接速度一致，5、6處焊工保證焊接電流、電壓、焊接速度一致。

圖21 鑄鋼節點下對接口焊接示意

(3)下鑄鋼節點上對接口焊接如圖22所示。

圖22 鑄鋼節點上對接口焊接示意

由四人對稱焊接，保證焊接電流、電壓、焊接速度一致。

(4)下鑄鋼節點上對接口焊接。

參照下鑄鋼節點上對接口的焊接順序。

(5)上鑄鋼節點上對接口焊接，如圖23所示。

先由兩人對稱焊接1、2，焊接結束后，再由2人焊接3、4，保證焊接電流、電壓、焊接速度一致。

3.2.3.3 焊接參數

焊接參數如表1所示，焊接位置為橫焊。

圖23 鑄鋼節點上對接口焊接示意

表1 焊接參數

3.2.3.4 預熱

應將構件加熱至130℃后再冷卻至120℃，再進行焊接，預熱范圍為坡口兩側100 mm，測溫點為施焊點附近。

3.2.3.5 后熱

焊接結束后，用烘槍對焊縫進行后熱處理。后熱溫度為200℃，之后采用50 mm的保溫棉對焊縫后熱處理部分進行包裹，緩冷至室溫。

3.2.4 GMAW局部防風措施

GMAW局部防風措施如圖24所示。

圖24 局部防風裝置示意

(1)在焊口周圍用防風塑料布圍成柵欄防風。(2)在焊口兩側用δ＝0.8～1.0 mm的鐵皮(或采用三防雨布)制成局部防風裝置。

(3)局部防風裝置用永久磁鐵固定在焊縫兩側，兩端可設置端板，以不影響焊接操作為原則，確定其間距，根據焊工的實際需要隨時調整位置。

3.2.5 焊接變形與應力控制

為控制局部和整體焊接變形，擬采取以下原則：減小坡口，減少收縮量，能大幅度降低焊接殘余應力，減少和消除應力腐蝕裂紋產生的前提條件。

(1)在保證焊透的前提下采用小角度、窄間隙焊接坡口，以減少收縮量。

(2)提高構件制作精度，構件長度按正偏差驗收。

(3)盡量擴大拼裝塊，減少桁架高空拼裝接口數量。

(4)采用小熱輸入量、小焊道、多道多層焊接方法以減少收縮量。

3.2.6 其他事項

(1)施焊環境溫度不低于0℃，板厚大于25 mm時，在焊接坡口兩側100 mm范圍內采用電加熱；板厚為30～50 mm，預熱至80℃；板厚為50～80 mm，預熱至120℃以上；板厚為80～100 mm，預熱至160℃，方可施焊。測溫點為施焊點附近。

(2)對于板厚大于等于50 mm、施焊環境溫度低于0℃的焊接要進行后熱，后熱溫度為250℃以上，后熱時間2～3 h。

(3)焊條、焊劑在使用前必須按規定烘焙，E5015焊條的烘焙溫度為350℃。烘焙1 h后冷卻到150℃保溫，隨用隨取，領取的焊條應放入保溫筒內。

(4)不得使用藥皮脫落或焊芯生銹的變質焊條、銹蝕或折彎的焊絲。

(5)CO2氣體的純度必須大于99.7%，含水率小于等于0.005%，瓶裝氣體必須留1 MPa氣體壓力，不得用盡。

(6)焊前焊縫坡口及附近50 mm范圍內將油、銹等污物清理干凈。

(7)焊縫兩端設置引弧板、熄弧板，其材質、板厚、及坡口型式同正式焊縫。手工電弧焊和氣體保護焊其引弧板和熄弧板寬度應大于50 mm，長度最好為板厚的1.5倍，且不小于30 mm。

(8)定位焊焊接方法必須與打底焊相同，焊接要求正式焊接。定位焊應牢固可靠，定位焊不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

(9)施焊前，復查組裝質量，定位焊質量和焊接部位的清理情況，如不符合要求，修正合格后方可施焊。

(10)手工電弧焊現場風速不大于8 m／s、氣體保護焊現場風速不大于2 m／s時，采取有效的防風措施后方可施焊。

4 結論

通過該技術方案在杭州灣跨海大橋海中平臺鋼結構工程中的應用，在保證結構精度、強韌性的前提下，將結構的焊接應力降到最小，并對焊接殘余應力均勻分布，有效地防止了應力腐蝕裂紋的產生，可以為建筑鋼結構工程焊接施工提供技術參考。

Welding technology of steel structure in the sea

JIA Bao-hua，YU Hai-tao
(Zhejiang Jinggong Steel Building Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China)

The Sea Platform of Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge consists of two parts of the sightseeing platform and sightseeing tower，the main structure using steel frame support structure system.The steel structure engineering requires high quality welding，no stress corrosion crack，controlling welding distortion.Difficulty of welding construction lies in the control of welding deformation and residual stress，high welding quality requirements.Introduces welding deformation and strain control the overall idea of the project here，principle of according to the scene to determine the platform,rack,sightseeing tower welding;detailed introduces the engineering involved with round string docking，H-steel beam butt weld,welding process of steel castings and dissimilar steel，etc.Engineering practice proved that,this technique in the precision,strong toughness that structure of the premise can minimize the structure of the welding stress，uniform distribution welding residual stress，effective to prevent the generation of stress corrosion crack.That canprovide technical reference for the welding of the building structural steelwork construction.

construction steel structure；welding technology；residual stress

TG441.2

B

1001-2303(2012)03-0001-08

2011-11-15

賈寶華(1982—)，男，安徽淮北人，工程師，學士，主要從事焊接工藝及焊接技術的研發工作。