機庫預應力網架拼裝焊接施工技術

王曉麗，李 昭

(中國建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著建筑科學技術的進步，大跨度網架結構越來越多，其焊接變形的控制是施工中的重中之重，需重點改善焊接過程中的應力集中和焊接變形。鋼結構在高溫時受熱膨脹,產生塑性變形,冷卻時,開始收縮,但受周圍金屬阻撓,無法進行完全的自由收縮,因而產生焊接變形。焊接變形主要有縱橫向收縮變形、撓曲變形、波浪變形等。本文通過分析網架結構焊接變形的類型和原因，闡述預應力網架拼裝焊接施工技術及焊接應力消減技術。

1 工程概況

成都天府國際機場國航基地工程101號維修機庫屋蓋為3層網架結構，由上弦、中弦、下弦、上腹桿和下腹桿組成四角錐體空間結構。機庫大廳屋面網架平面尺寸為146m×90m，主要網格尺寸為6m×6m，節點為焊接空心球節點。網架下弦球心標高為25.500m，機庫大門下弦球心標高為22.000m，大門凈高21m，入口處設有跨度為146m的門頭預應力鋼桁架，鋼桁架下弦鋼管中心標高為22.000m，內配由69根高強低松弛鍍鋅鋼絞線組成的預應力束，如圖1所示。

圖1 預應力網架模型(單位：m)

2 關鍵施工技術

2.1 網架拼裝原則

網架跨度較大，節點為焊接空心球節點，點多面廣，每個節點均需測量定位，單元格安裝精度控制難。順序焊接易導致應力集中，從而引起網架變形，網架焊接完成后累積變形可能超出規范規定。針對網架設計特點和現場實際情況，制定焊接總體原則：統一對稱、分塊進行、自內而外、隔塊焊接、單桿雙焊、雙桿單焊。為防止焊接對網架幾何尺寸和撓度產生影響，采用先下弦后上弦、從中間往四周擴散的順序進行焊接，如圖2所示。焊接與拼裝速度應基本協調一致。

圖2 網架總體拼裝順序

首先選網架中心點，然后網架左、右分區對稱拼裝點焊固定，短跨方向對稱焊接，高度方向從下到上焊接。待分區分別焊接完成后，區與區之間再對稱滿焊。由于一端可自由收縮，可調整累積誤差和釋放焊接收縮應力，既能保證網架尺寸，又可使焊接應力最小。

2.2 網架焊接分區

網架結構為環形固定焊接，焊接過程中需進行仰焊、立焊、平焊等，焊條角度變化大，且存在高空焊接，操作困難。熔化金屬在仰焊位置時有豎向墜落趨勢，易產生焊瘤，而在立焊及平焊位置時則有向鋼管內部滴落的傾向，因而有熔深不均及外觀不整齊現象。焊接根部時，仰焊及平焊部位焊縫接頭較難操作，通常仰焊接頭處易產生內凹，平焊接頭處的根部易未焊透和產生焊瘤。

網架面積大，焊縫冷卻收縮造成焊接應力分散不均勻，勢必會造成焊接應力集中，局部產生變形，影響安裝精度。

將屋面網架平均分為A～H 8個小區，門頭預應力桁架為1個區，即J區(見圖3)，區內再次進行從中間向四周擴散的網架焊接。

圖3 網架焊接分區

2.3 區間焊接順序

以統一對稱、分塊進行、自內而外為原則。按A+B，C+D，E+F，G+H，J 區域5個大區域，由2個平行焊接班組從中間向兩側進行焊接施工。

1)A，B區同時平行焊接，區內焊接完成后，將A，B區桿件與球節點進行點焊固定連接。

2)C，D區同時拼裝焊接，區內焊接完成后分別與A，B區桿件及球節點進行點焊固定連接。

3)依次循環將E，F，G，H區拼裝焊接完成。

4)對稱將A～H區原點焊部位進行滿焊施工，即將屋面網架連接成整體。

5)將J區門頭預應力桁架從中心向兩端拼裝焊接，最后將J區與屋面網架補桿連接。

2.4 區內焊接順序

從中間向四周擴散進行拼裝，遵循小拼→中拼→大拼的原則。

按下弦鋼球→下弦桿→上弦鋼球→斜腹桿→上弦桿順序先拼裝成小立體單元，再向兩邊對稱拼裝。

拼裝順序為A(下弦球和桿)→B(上弦球和4根腹桿)→C(上弦桿)，施焊順序為下弦桿焊縫1→上弦桿焊縫2→腹桿與下弦球焊縫3(見圖4)。

圖4 焊接順序

成型焊縫焊接順序為：每個節點的焊接順序為先弦桿后腹桿，球節點上的焊縫第1遍打底焊焊接完后，進行各焊縫的成型焊接，以防止焊接應力集中導致網架變形。

2.5 桁架與網架拼裝焊接順序

預應力桁架與屋面網架在高空散拼，難以保證安裝精度。受力狀態下補桿件，存在受力不均勻、應力集中現象。因此，需合理安排補桿順序。

1)將桁架分為A～G 7個區域，吊點受力外的區域優先補桿，即受力薄弱區域優先補桿件，如圖5所示。

圖5 補桿區域劃分

2)分段補桿件，受力薄弱區域再次劃分受力等級，按受力等級由弱至強補桿件。

3)采取對稱焊接、分段跳焊、主要構件先焊接、次要構件后焊接的原則。焊接過程中采用錯開補桿焊接，如F區的焊接順序為1段→3段→2段→4段。

2.6 典型節點焊接方法

典型節點采用單桿雙焊、雙桿單焊的焊接方法(見圖6)，先焊接下弦桿，再焊接上弦桿，最后焊接腹桿。

圖6 典型節點焊接示意

1)雙桿單焊 2根圓管桿件與1個焊接球焊接，采用兩人對稱焊，要求焊接速度一致，焊接電流、電壓一致。

2)單桿雙焊 1根圓管桿件與2個焊接球焊接，先焊接一端，待焊縫溫度冷卻至常溫方可焊接另一端。

3 焊接質量控制重難點及措施

3.1 分區合攏焊縫焊接措施

1)為確保網架尺寸精度，減少焊接變形和焊接收縮應力，施焊順序為由中間向兩端、先下后上。

2)由于一端可自由收縮，可調整累積誤差和釋放焊接收縮應力，既能保證網架尺寸，又可使焊接應力最?。黄浞謪^焊縫焊接順序為：焊縫1→焊縫2→焊縫3 →焊縫4 →焊縫5，如圖7所示。

圖7 合攏焊縫焊接示意

3)成型焊縫焊接順序 每個節點的焊接順序為先弦桿后腹桿，球節點上的焊縫第1遍打底焊焊接完后，進行各焊縫的成型焊接，以防止焊接應力集中導致網架變形。不允許在同一條焊縫中一半成型后再對另一半打底焊。

4)單條焊縫焊接順序 環形焊縫是依據鋼管的垂直中心將環形焊口分成對稱的兩個半圓形焊口，采取仰焊→立焊→平焊的焊接順序。

3.2 焊接殘余應力消減措施

根據本工程結構特點及施工方法，地面拼裝和合縫安裝主要通過焊接工藝和施焊順序控制焊接殘余應力，并對合攏縫安裝補桿、支撐點補桿的最后施焊焊縫進行應力監測，當應力監測值超過設計值的40%時，采用超聲波沖擊對合攏縫處桿件進行殘余應力消減。

鋼管與支座的全熔透焊縫，層間采用錘擊工藝消減殘余應力。

1)錘擊工藝 焊接完成后采用小錘敲擊焊縫消減應力，敲擊時間應在焊熱結束但溫度降至預熱溫度之前進行，要求錘的高度≤3cm，約100次/min，錘擊密度15～20次/cm2，錘擊時保持焊件溫度不低于預熱溫度。

2)超聲波沖擊工藝 超聲沖擊對一定深度的表層有消減應力的效果，對焊縫全覆蓋沖擊時，被沖擊的表面會形成壓應力，對焊縫表面下2～4mm的消減應力效果可達34%～55%。

4 結語

目前各大機場建設中的大跨度機庫越來越多，一些單跨>140m的邊桁架設計應用越來越廣泛，網架拼裝焊接方法在成都天府國際機場國航基地工程101號維修機庫的應用，證明該施工技術在實際生產過程中改善焊接應力的效果顯著。