北京朝陽站鋼結(jié)構(gòu)V形鑄鋼件冬季施工焊接技術(shù)

馬現(xiàn)英

（中鐵建設(shè)集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。由于在追求大跨空間的同時，還要滿足建筑美學(xué)的需要，桁架結(jié)構(gòu)因其外形豐富、結(jié)構(gòu)輕巧、傳力簡捷、制作安裝方便、經(jīng)濟性好等，成為設(shè)計首選［1-2］。京哈高鐵北京朝陽站屋面桁架采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場焊縫集中、質(zhì)量控制難度大，主要節(jié)點形式包括柱底支座節(jié)點、V 形柱鑄鋼節(jié)點、鋼柱與屋蓋桁架連接節(jié)點、管桁架相貫節(jié)點等，其中V形柱鑄鋼節(jié)點為V形鑄鋼件（ZG20Mn），厚度為120 mm，與同材質(zhì)等厚度的抗震支座焊接。V 形鑄鋼件焊縫焊接情況復(fù)雜，不僅焊縫體積大、質(zhì)量要求高，且施工正值冬季，因此，為保證低溫條件下其焊接質(zhì)量、減少應(yīng)力集中，確保后期整體桁架鋼結(jié)構(gòu)的安全，針對鑄鋼結(jié)點的厚大件冬季焊接進行探討，結(jié)合北京朝陽站的鋼結(jié)構(gòu)工程，研究V 形鑄鋼件在冬季負溫條件下的施工工藝和技術(shù)措施［3-5］。

1 工程概況

北京朝陽站為京哈高鐵的首發(fā)終到站，在既有站房原址上拆除擴建，新建站房中心里程為JK12+914.600，站房面積18.3萬m2。

根據(jù)工程建筑造型、結(jié)構(gòu)高度和跨度等各種因素，屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱+空間鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，主要通過在中間設(shè)置V 形斜向的鋼管柱作為支撐，其次外圍設(shè)置直柱網(wǎng)支撐。V 形斜柱從I-9 和I-14 軸在高架層9.8 m 標高混凝土柱頂開始生根，斜度為60°，周邊直柱規(guī)格D1100×45、D1200×45。將橫向跨度為180 m的桁架分為18、36、72、36、18 m五部分。高架層以上總用鋼量約9 000 t。屋蓋結(jié)構(gòu)采用Q345C，夾層鋼結(jié)構(gòu)采用Q345C，對于厚度大于35 mm 的構(gòu)件采用Q345GJC。

工程為典型的大跨度空間結(jié)構(gòu)，屋蓋整體面積大且設(shè)計中沒有設(shè)置伸縮縫，屋蓋中間支撐采用大截面鋼管柱結(jié)構(gòu)，且鋼管柱間距較大。中間設(shè)置的斜柱支撐的連接點V形鑄鋼件焊接在斜柱墩上，其鑄鋼件的焊接質(zhì)量情況復(fù)雜，不僅涉及焊接質(zhì)量的控制，更是關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全保障。尤其是處于冬季施工期，低溫焊接對焊接質(zhì)量的直接影響更為嚴重。V形鑄鋼件的焊接是整個工程安全、順利實施的關(guān)鍵，因此施工過程中如何保證其焊接質(zhì)量是工程的重點和難點。

2 V形鑄鋼件焊接冬季施工要點

工程焊接施工作業(yè)時正值北京的冬季，氣候干燥多風、氣溫較低，最低溫度達到-15 ℃，而低溫焊接可能造成焊縫裂紋和工作狀態(tài)脆斷等問題，直接影響到工程質(zhì)量安全。因此V 形鑄鋼件焊接作業(yè)需從以下方面進行控制。

2.1 坡口形式

為了降低焊接時產(chǎn)生的焊接變形和應(yīng)力集中，同時也方便現(xiàn)場焊工進行焊接操作，降低焊接工作量，將V 形鑄鋼件的坡口形式設(shè)計制作成單邊V 形坡口（見圖1）。

2.2 焊前預(yù)熱處理

JGJ 81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》要求支座100 mm 以上至少預(yù)熱到120 ℃，考慮到溫度對支座墊片影響，可以對鑄鋼件預(yù)熱至100 ℃，支座預(yù)熱至80 ℃左右，預(yù)熱過程實施全程監(jiān)控［6］。

圖1 V形鑄鋼件單邊V形坡口

焊接預(yù)熱處理采用氣焊焰加熱法，主要目的是烘干坡口內(nèi)的露水、潮氣，實現(xiàn)正溫焊接，火焰采用中性焰，在焊接前應(yīng)嚴格控制V 形鑄鋼件與抗震支座的預(yù)熱溫度及焊接層間溫度。因抗震支座內(nèi)有橡膠墊，焊接及預(yù)熱溫度須控制在100 ℃以下，應(yīng)在距V形鑄鋼件焊縫區(qū)兩側(cè)150～200 mm 的預(yù)熱區(qū)域處進行烘烤，使熱量慢慢傳遞至焊縫，整個預(yù)熱過程中，操作人員使用便攜式紅外測溫儀復(fù)測構(gòu)件和焊縫溫度，直至焊縫溫度穩(wěn)定在V 形鑄鋼件焊接預(yù)熱溫度80～100 ℃（見圖2）。

圖2 焊前預(yù)熱溫度控制

2.3 焊接防風措施

V形鑄鋼件位于9.8 m高架層，現(xiàn)場實測風力較大，根據(jù)規(guī)范要求，手工電弧焊風速超過8 m/s、CO2氣體保護焊超過2 m/s 時，焊接過程中應(yīng)采取防風措施［7］。由于V 形鑄鋼件構(gòu)件截面尺寸較大，常規(guī)的防風棚在本工程中難以實現(xiàn)。因此利用盤扣架搭設(shè)臨時操作平臺，滿足焊接時平臺牢固、不晃動，并在平臺外面覆蓋三防布形成焊接防風棚臨時操作平臺，發(fā)揮防風、防焊接火花飛濺傷人和防引起火災(zāi)的阻燃作用。臨時焊接防風棚的操作平臺設(shè)在離現(xiàn)場焊縫600～800 mm處，以利于焊工操作（見圖3）。

圖3 臨時焊接防風棚的操作平臺

2.4 焊縫焊接控制

冬季焊接關(guān)鍵在于施工過程控制，焊縫焊接前將V 形鑄鋼件焊縫坡口清理干凈，焊縫兩側(cè)50～100 mm范圍內(nèi)不得有油污、鐵銹、毛刺、泥土等影響焊接質(zhì)量的污物，在其施焊前后注意收集氣象預(yù)報資料，焊接作業(yè)區(qū)的相對濕度大于90%時不得進行施焊作業(yè)［8］。

焊接采用藥芯焊絲氣體保護焊T492T1-1CIA 焊材進行焊接，采用的CO2純度不應(yīng)低于99.5%（體積比），含水量不大于0.005%（質(zhì)量比），為平、橫、立、仰全位置焊接。焊接參數(shù)見表1，嚴禁大電流高線能量焊接，建議焊接參數(shù)電流、電壓按表1中下限選擇，焊接速度按上限選擇。

表1 焊接參數(shù)

由于V形鑄鋼件的直徑較大，焊縫焊接時2名焊工在鑄鋼件焊縫的兩端同時進行作業(yè)，這樣在焊接的過程中既可以加快焊接速度，又可以減小焊接變形產(chǎn)生的定位偏差。嚴禁連續(xù)施焊，焊接一道后必須中斷焊接，實測表面溫度或背面溫度（若測量不便可測量接近背面的側(cè)面溫度），溫度低于20 ℃后才可以施焊下一道焊縫。焊接全程隨時使用紅外測溫儀進行監(jiān)控，過程中收集和分析焊接溫度和變化趨勢，冬季施焊溫度下降較快，且抗震支座背面溫度不超標，可適當調(diào)整焊接間斷時間。如需夜間施焊，在環(huán)境溫度低于-10 ℃時，可在防風棚中添加2個可移動的電暖風以保障棚內(nèi)溫度。

V形鑄鋼件焊縫的焊接量巨大，焊縫為寬度16 cm、高度從1～12 cm 的變化截面（見圖4）。焊接過程必須多層多道焊接，禁止寬道焊接，因無法在一次焊接中完成，需要進行多次焊接。在保證抗震支座橡膠墊溫度不超過100 ℃情況下，焊完板厚的1/3方能停焊，第1天施焊完成后對焊縫用保溫棉緊緊包裹，使焊縫緩慢冷卻，第2 天再次進行焊接時將預(yù)熱溫度相應(yīng)提高20～30 ℃，且保證抗震支座內(nèi)橡膠墊溫度低于100 ℃。

圖4 V形鑄鋼件的焊縫

2.5 焊后焊縫保溫

由于V 形鑄鋼件焊縫的焊接量巨大，無法一次焊接完成，需進行3次焊接，在每次焊接完成后的保溫措施顯得尤為重要，每次焊接完成后均要采用保溫性能好、耐高溫的保溫棉進行保溫，在V 形鑄鋼件的焊接部位采用保溫棉將焊縫緊緊包裹，使其緩慢冷卻至常溫后，方可除去保溫措施（見圖5）。若是溫度太低時，使用移動電暖風保持防風棚內(nèi)的溫度不至于太低，以防再次進行焊縫預(yù)熱時因驟冷驟熱、溫度變化太大影響焊縫質(zhì)量，同時也可避免重復(fù)的焊前加熱時脹縮不均、延緩冷卻收縮，特別是預(yù)防焊縫邊沿區(qū)域比焊縫中部冷卻過快的焊縫溫度不均勻?qū)е碌睦淞鸭y。

圖5 焊后焊縫保溫

3 結(jié)束語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑已成為建筑發(fā)展的趨勢之一，冬季的氣候條件對鋼結(jié)構(gòu)焊接極其不利，鋼結(jié)構(gòu)的負溫施工工藝和技術(shù)保證措施還有很多課題亟待解決。通過采用上述焊接加熱工藝及冬季保溫措施，有效提高了冬季焊接質(zhì)量和工作效率，加快了工程施工進度，保證了抗震支座內(nèi)橡膠墊的完好。工程中的V 形鑄鋼件的焊接質(zhì)量經(jīng)過第三方超聲波無損檢測，焊縫探傷合格率達100%，達到了設(shè)計標準和規(guī)范要求，為今后類似鑄鋼件與抗震支座冬季焊接施工積累了經(jīng)驗，具有一定的借鑒意義。