董寶平 李洋

0 引言

目前，項目施工工期普遍比較緊張，因此冬季焊接施工不可避免，國內(nèi)冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接施工較少，尤其管桁架冬季焊接施工更少，本文通過工程實例，為以后類似管桁架冬季焊接施工提供了借鑒。

1 工程概況

江蘇省鹽城市南海未來城市民中心工程屋面鋼結(jié)構(gòu)為傾角9.49°斜網(wǎng)格型大跨度圓形鋼管桁架，跨度39.6m，總重約533t。管桁架上下弦桿為Φ500×25mm 鋼管、腹桿為Φ402×20mm、Φ325×14mm 鋼管。桁架最高點為19.96m。

2 低溫焊接理論要點

冬季焊接，焊縫的降溫速度比一般溫度時快得多，容易出現(xiàn)脆硬組織，大大增加了冷裂紋的敏感性，從而使焊縫更易出現(xiàn)冷裂紋。另外，在焊接過程中，焊縫中熔融金屬的冷卻過程中周邊的低溫環(huán)境會嚴重降低游離的氫在金屬中的溶解速率，極大增加了熔融金屬中的氫原子的含量，冷卻的速度超過一定范圍值，就會產(chǎn)生冷裂紋。

本工程在管桁架弦桿、腹桿交叉節(jié)點焊接處存在三向應(yīng)力，焊接速度過快，由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的共同作用，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載荷載能力降低，容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)生斷裂。

結(jié)合上述分析，總結(jié)冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接的關(guān)鍵因素：（1）提高焊接作業(yè)環(huán)境和焊接管桁架桿件的溫度；（2）選擇市場上價格經(jīng)濟的含氫量低的焊接材料；（3）桿件位置要定位準確，減小管桁架在弦桿、腹桿交叉處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而降低焊縫開裂風險。

3 施工方法

本工程鋼結(jié)構(gòu)管桁架弦桿及腹桿均采用Q345B 低合金高強度鋼材，按照桿件位置、長度不同厚度分別為14mm、20mm、25mm 三種。以鹽城以往各年的氣象記錄報告來看，冬季最低的天氣平均溫度基本在于-6℃至10℃兩個溫度之間，根據(jù)規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)焊接時的周邊氣溫＜0℃，且≥-10℃的情況下，應(yīng)采取合理有效的加熱和安全簡便的防護措施，本文據(jù)此給出管桁架冬季焊接施工方法。

3.1 施工準備

焊接所需管桁架桿件類鋼材、含氫量低的焊絲等材料嚴格遵循設(shè)計和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定和要求。

管桁架桿件類鋼材的焊條應(yīng)遵循產(chǎn)品保存手冊來進行烘烤。施工前，從烤箱取出焊接棒，保存在對應(yīng)的保溫筒中，保溫筒保持工作狀態(tài)，不得切斷電源。露出時間超過2h 及以上的必須再次進行烘烤，烘烤總次數(shù)不能超過2 次。管桁架桿件間主要采用焊絲焊接，安排專人對焊絲進行保管，焊絲貯存在通風干燥處，嚴禁油污污染，在保管倉庫內(nèi)采取木墊高度20cm的防潮措施，保證其性能始終良好。

管桁架桿件焊接采用二氧化碳的氣體保護焊，焊接所使用的二氧化碳的體積純度應(yīng)≥99.5%，其含水率應(yīng)≤0.005%。本項目采用瓶裝氣體，若氣瓶內(nèi)的壓力出現(xiàn)＜1N/mm的情況，必須立即停止使用。作業(yè)中要經(jīng)常檢查瓶嘴有無堵塞、冰凍等情況，并及時疏通，避免發(fā)生危險。

本工程管桁架采用高空散拼法，在焊接作業(yè)區(qū)域四周，用木板、彩條布等，在桿件焊接節(jié)點位置搭設(shè)便于拆卸的防風圍護棚，搭設(shè)過程中確保防護密實且不透風，同時外掛耐火保溫簾，盡最大可能降低焊接作業(yè)區(qū)域與外界寒冷環(huán)境進行熱傳遞的效率。

3.2 焊接預(yù)熱處理

管桁架桿件采用150t 履帶吊車，從管桁架鋼材堆放場地運到規(guī)定位置焊接工作，在地面管桁架吊到指定位置前，將管桁架桿件焊接焊縫兩側(cè)的毛刺、鐵銹、油污、泥漿和雨雪等進行清潔，確保焊接質(zhì)量提升焊接效率。焊接前管桁架的安裝位置要核對準確，確保結(jié)構(gòu)符合設(shè)計位置及要求，避免因定位不準產(chǎn)生焊接部位的應(yīng)力集中。

在工程中的焊接預(yù)熱處理中，采用氧氣乙炔烤槍的火焰對桿件焊接部位進行加熱。施工中，將鋼材桿件的相貫線的焊接區(qū)域，垂直于焊縫向兩側(cè)≥2 倍的鋼材的厚度，并且至少要≥100mm 范圍內(nèi)的鋼材加熱到≥60℃，才能具備開始焊接的作業(yè)條件，在桿件相貫線焊縫焊接過程中定期采用專用紅外溫度計對焊接區(qū)域的溫度進行測量，過程中焊接范圍內(nèi)管桁架桿件鋼材溫度均不得＜60℃的條件。

3.3 焊接過程控制

本工程管桁架桿件多達363 根，且長短型號不一，管桁架焊接過程中的焊接產(chǎn)生的應(yīng)力如何控制是難點，為避免管桁架桿件因焊接應(yīng)力偏位，施工過程中，節(jié)點處相貫線焊縫均由兩個焊工對稱施焊，確保桿件節(jié)點的自身內(nèi)部的焊接應(yīng)力處于平衡等狀態(tài)。先進行同環(huán)境下的焊接試驗段，檢測焊縫后，焊縫結(jié)果滿足設(shè)計要求。按照試驗段的焊接順序進行安裝焊接。

屋面管桁架安裝焊接順序為：主管桁架→次管桁架→周邊環(huán)側(cè)管桁架；每榀屋面管桁架安裝焊接順序為：管桁架的下弦桿件→管桁架的豎向腹桿件→管桁架的上弦桿件→管桁架斜腹桿件。以上安裝均采用以最高點和最低點為軸線的對稱的焊接作業(yè)方式，并每天兩次測量桿件軸線位置，確保桿件不偏位。

管桁架桿件焊縫焊接前應(yīng)事先搜集氣象資料，當強風、寒流等惡劣天氣接近時，現(xiàn)場無有效對策，必須放棄焊接工作。若焊縫在焊接過程中，突然遇到惡劣天氣變化，應(yīng)采取相應(yīng)保護措施，至少焊縫焊接層數(shù)累計厚度≥1/3 板厚，才能通知施工工人暫停手中工作，并安排施工人員進行熱處理和保溫措施。當繼續(xù)焊接時，施焊前采用氧氣乙炔火焰噴槍加熱，將相應(yīng)管桁架相貫線焊接區(qū)域加熱溫度達到80～90℃后，再繼續(xù)進行焊接作業(yè)。

本工程管桁架桿件鋼材厚度均＞9mm，故管桁架所有桿件對接焊縫處均應(yīng)分多層焊接，焊縫焊接工人，要從上到下沿管桁架相貫線，逐層將焊縫堆疊。焊接焊縫的每道熔融金屬的溫度控制在60-240℃之間，焊接施工時派專人用紅外溫度計對桿件溫度進行監(jiān)視。

3.4 焊后熱處理

本工程管桁架最多處有9 根桿件處在同一節(jié)點處焊接，焊后熱處理顯得尤為重要。如果合理地進行焊接完后的處理工作，不僅可以基本消除焊接施工產(chǎn)生的應(yīng)力，可以使氫元素逃離焊縫，減少由于氫分子的形成而產(chǎn)生的焊縫的應(yīng)力集中，避免發(fā)生氫脆性裂縫。

管桁架桿件焊后熱處理范圍最好被控制在焊縫兩側(cè)管桁架桿件的壁厚3 倍且≥200mm 范圍內(nèi)，用氧乙炔火焰進行烘烤，在焊接結(jié)束后焊縫金屬沒有完全冷卻的時候立即進行，加熱溫度為200～300℃，由于氣溫低，熱損大，烘烤時采用多把噴槍持續(xù)進行。

處理結(jié)束后用石棉等保溫、耐火材料對焊縫焊接區(qū)域進行覆蓋來保溫。焊縫保溫時間按板厚每30mm 保溫1h 進行控制，但總保溫時間≥2h，冷卻速度控制在≤10℃/min。

慢慢冷卻后，清掃檢查焊縫并組織專業(yè)人員用超聲波對焊接部位進行探傷，探傷不滿足要求的逐個處理，速度要快，不能影響后續(xù)防腐防火工序的施工。

4 控制要點

焊接時嚴禁雨水、雪花等飄落在正在焊接的管桁架焊縫上，同時環(huán)境濕度＞90%時，嚴禁進行相關(guān)焊接作業(yè)。

管桁架桿件位置定位要準確無誤，焊接前后均要及時進行復(fù)核，偏差超過相關(guān)規(guī)定應(yīng)及時糾正，保證管桁架桿件間由于結(jié)構(gòu)偏差產(chǎn)生的應(yīng)力盡量最小，從而保證管桁架桿件的焊接的焊縫質(zhì)量。

焊接前預(yù)熱措施要提前調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇合適的加熱方式，保證鋼材在穩(wěn)定的溫度區(qū)間進行焊接。桿件的弧形焊縫焊接過程需要對稱地、連續(xù)地、均勻地進行，使焊縫的收縮量變小，從而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的影響變小。

采用含氫量低的焊接材料，從根本方面著手降低氫含量，從而降低由于氫氣過多產(chǎn)生薄弱點造成裂紋現(xiàn)象的發(fā)生概率。

管桁架冬季焊接施工開始前，必須安排專人進行相應(yīng)的桿件焊接的連接施工方法的工藝評定，依據(jù)報告來確定焊接的實際流程及操作工藝是否滿足工程需要。在焊接整體構(gòu)件拼接的順序選擇中，從結(jié)構(gòu)中心向周圍對稱展開焊接，不能同時焊接一個部件的兩端。

5 焊縫質(zhì)量效果驗證

通過選擇符合現(xiàn)場實際的安裝焊接方法，管桁架的焊接質(zhì)量得到了良好的保證，焊縫經(jīng)超聲波檢測達到一級焊縫II 等。

6 結(jié)語

本工程通過試驗段和焊縫檢測結(jié)果確定了管桁架屋面在冬季焊接的施工方法與質(zhì)量控制要點，希望為以后類似的鋼結(jié)構(gòu)管桁架結(jié)構(gòu)冬季焊接施工提供借鑒。