馬現(xiàn)英

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

0 引言

隨著我國(guó)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(shí)，還要滿(mǎn)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(jiǎn)捷、制作安裝方便、經(jīng)濟(jì)性好等，成為設(shè)計(jì)首選［1-2］。京哈高鐵北京朝陽(yáng)站屋面桁架采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)焊縫集中、質(zhì)量控制難度大，主要節(jié)點(diǎn)形式包括柱底支座節(jié)點(diǎn)、V 形柱鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鋼柱與屋蓋桁架連接節(jié)點(diǎn)、管桁架相貫節(jié)點(diǎn)等，其中V形柱鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(duì)鑄鋼結(jié)點(diǎn)的厚大件冬季焊接進(jìn)行探討，結(jié)合北京朝陽(yáng)站的鋼結(jié)構(gòu)工程，研究V 形鑄鋼件在冬季負(fù)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(yáng)站為京哈高鐵的首發(fā)終到站，在既有站房原址上拆除擴(kuò)建，新建站房中心里程為JK12+914.600，站房面積18.3萬(wàn)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(guò)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(biāo)高混凝土柱頂開(kāi)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(duì)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(jì)中沒(méi)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(diǎn)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(gè)結(jié)構(gòu)的安全保障。尤其是處于冬季施工期，低溫焊接對(duì)焊接質(zhì)量的直接影響更為嚴(yán)重。V形鑄鋼件的焊接是整個(gè)工程安全、順利實(shí)施的關(guān)鍵，因此施工過(guò)程中如何保證其焊接質(zhì)量是工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 V形鑄鋼件焊接冬季施工要點(diǎn)

工程焊接施工作業(yè)時(shí)正值北京的冬季，氣候干燥多風(fēng)、氣溫較低，最低溫度達(dá)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(wèn)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(jìn)行控制。

2.1 坡口形式

為了降低焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接變形和應(yīng)力集中，同時(shí)也方便現(xiàn)場(chǎng)焊工進(jìn)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(jì)制作成單邊V 形坡口（見(jiàn)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(duì)支座墊片影響，可以對(duì)鑄鋼件預(yù)熱至100 ℃，支座預(yù)熱至80 ℃左右，預(yù)熱過(guò)程實(shí)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(shí)現(xiàn)正溫焊接，火焰采用中性焰，在焊接前應(yīng)嚴(yán)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(jìn)行烘烤，使熱量慢慢傳遞至焊縫，整個(gè)預(yù)熱過(guò)程中，操作人員使用便攜式紅外測(cè)溫儀復(fù)測(cè)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(jiàn)圖2）。

圖2 焊前預(yù)熱溫度控制

2.3 焊接防風(fēng)措施

V形鑄鋼件位于9.8 m高架層，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)力較大，根據(jù)規(guī)范要求，手工電弧焊風(fēng)速超過(guò)8 m/s、CO2氣體保護(hù)焊超過(guò)2 m/s 時(shí)，焊接過(guò)程中應(yīng)采取防風(fēng)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(fēng)棚在本工程中難以實(shí)現(xiàn)。因此利用盤(pán)扣架搭設(shè)臨時(shí)操作平臺(tái)，滿(mǎn)足焊接時(shí)平臺(tái)牢固、不晃動(dòng)，并在平臺(tái)外面覆蓋三防布形成焊接防風(fēng)棚臨時(shí)操作平臺(tái)，發(fā)揮防風(fēng)、防焊接火花飛濺傷人和防引起火災(zāi)的阻燃作用。臨時(shí)焊接防風(fēng)棚的操作平臺(tái)設(shè)在離現(xiàn)場(chǎng)焊縫600～800 mm處，以利于焊工操作（見(jiàn)圖3）。

圖3 臨時(shí)焊接防風(fēng)棚的操作平臺(tái)

2.4 焊縫焊接控制

冬季焊接關(guān)鍵在于施工過(guò)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(bào)資料，焊接作業(yè)區(qū)的相對(duì)濕度大于90%時(shí)不得進(jìn)行施焊作業(yè)［8］。

焊接采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊T492T1-1CIA 焊材進(jìn)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(jiàn)表1，嚴(yán)禁大電流高線(xiàn)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(shí)2名焊工在鑄鋼件焊縫的兩端同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，這樣在焊接的過(guò)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(yán)禁連續(xù)施焊，焊接一道后必須中斷焊接，實(shí)測(cè)表面溫度或背面溫度（若測(cè)量不便可測(cè)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(shí)使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)控，過(guò)程中收集和分析焊接溫度和變化趨勢(shì)，冬季施焊溫度下降較快，且抗震支座背面溫度不超標(biāo)，可適當(dāng)調(diào)整焊接間斷時(shí)間。如需夜間施焊，在環(huán)境溫度低于-10 ℃時(shí)，可在防風(fēng)棚中添加2個(gè)可移動(dòng)的電暖風(fēng)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(jiàn)圖4）。焊接過(guò)程必須多層多道焊接，禁止寬道焊接，因無(wú)法在一次焊接中完成，需要進(jìn)行多次焊接。在保證抗震支座橡膠墊溫度不超過(guò)100 ℃情況下，焊完板厚的1/3方能停焊，第1天施焊完成后對(duì)焊縫用保溫棉緊緊包裹，使焊縫緩慢冷卻，第2 天再次進(jìn)行焊接時(shí)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(wú)法一次焊接完成，需進(jìn)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(jìn)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(jiàn)圖5）。若是溫度太低時(shí)，使用移動(dòng)電暖風(fēng)保持防風(fēng)棚內(nèi)的溫度不至于太低，以防再次進(jìn)行焊縫預(yù)熱時(shí)因驟冷驟熱、溫度變化太大影響焊縫質(zhì)量，同時(shí)也可避免重復(fù)的焊前加熱時(shí)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(guò)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(yǔ)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑已成為建筑發(fā)展的趨勢(shì)之一，冬季的氣候條件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接極其不利，鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)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(guò)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(jìn)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(guò)第三方超聲波無(wú)損檢測(cè)，焊縫探傷合格率達(dá)100%，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，為今后類(lèi)似鑄鋼件與抗震支座冬季焊接施工積累了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。