浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司 (紹興 312030) 何喬生 戴為志 曾祥文 陸安洪
跨海大橋海中平臺位于杭州灣跨海大橋K66+120處下游150m,平臺成橢圓形,平臺上部結(jié)構(gòu)造型為大鵬展翅,平臺建筑面積為36 616.73m2,六層,建筑高度為24m。觀光塔位于海中平臺的東側(cè),觀光塔總建筑面積為5100.42m2,地上16層,建筑高度為145.6m,如圖1所示。
圖1 跨海平臺工程
主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系,柱網(wǎng)采用6m×8m與12m×8m柱網(wǎng)相結(jié)合,柱采用φ800mm×32mm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?shù)浇Y(jié)構(gòu)頂部,樓層結(jié)構(gòu)平面由橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形狀。主梁截面有H750mm×400mm×18mm×25mm,H750mm×450mm×18mm×25mm,H750mm×450mm×20mm×30mm三種,樓蓋采用鋼筋混凝土樓板。
屋蓋采用焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。懸挑部分采用三層網(wǎng)架,其余部分采用雙層網(wǎng)架。網(wǎng)架由下弦多點(diǎn)支撐,鳥尾設(shè)斜撐。網(wǎng)架中間為天窗架,由管桁架與網(wǎng)架連接。
觀光塔為筒體結(jié)構(gòu),筒體由半徑4.6m圓上均勻分布的八根柱及柱間支撐等共同構(gòu)成,其平面布置為八邊形。筒體柱截面為φ800mm、φ1600mm,在筒體中部有部分為變截面柱。觀光塔頂部豎有桅桿,桅桿高18.84m,底部固定于觀光塔水箱層。
(1)節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜,焊接難度高。
(2)鑄鋼件與Q345異種鋼焊接質(zhì)量控制。
(3)焊接變形控制尤為重要,難度很高。
(1)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及殘余應(yīng)力控制難度大。
(2)圓管及橢圓管焊接均為全位置焊接,焊接技術(shù)水平要求高,焊接質(zhì)量控制難度大。
(3)海上海風(fēng)大,濕度比較高,導(dǎo)致焊縫金屬中氫的聚集,容易形成冷裂紋。
綜合考慮工程現(xiàn)場焊接效率和操作難度,平臺和網(wǎng)架采用CO2氣體保護(hù)焊;觀光塔21.9m以下采用CO2氣體保護(hù)焊,21.9m以上采用焊條電弧焊或藥芯自保護(hù)焊。
杭州灣平臺現(xiàn)場焊接必須遵循以下原則:統(tǒng)一對稱、分片進(jìn)行;自中心向四周推進(jìn);單桿雙焊、雙桿單焊。
(1)分區(qū)對稱焊接 平臺分為3個焊接施工區(qū)(A區(qū)、B區(qū)及C區(qū),見圖2),先進(jìn)行A區(qū)和B區(qū)的對稱施焊,施工區(qū)域布置一個焊接施工班組,A區(qū)和B區(qū)焊接結(jié)束后,再進(jìn)行C區(qū)桿件安裝,待C區(qū)所有桿件安裝就位后,進(jìn)行焊接。
圖2 平臺分區(qū)示意
(2)局部構(gòu)件焊接順序 兩根圓管柱之間梁的焊接順序如圖3所示。
圖3 局部構(gòu)件焊接順序示意
杭州灣網(wǎng)架現(xiàn)場焊接必須遵循以下原則:統(tǒng)一對稱、分片進(jìn)行;自中心向四周擴(kuò)散焊接;隔片(奇、偶)焊接;單桿雙焊、雙桿單焊。
(1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接順序 根據(jù)現(xiàn)場安裝順序先進(jìn)行兩邊“翅膀”的安裝,再安裝中間桁架。特制定以下焊接順序。
確定全面開焊時間:對單個翅膀縱向分為1~11個??v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(yīng)隔片焊接,焊接順序A→C→B→D→F→E→G→I→H→J→K(見圖4、圖5)。
焊接順序:統(tǒng)一對稱、分片進(jìn)行;自中心向四周擴(kuò)散焊接;隔片焊接;單管雙焊、雙管單焊(見圖6、圖7)。
圖4
圖5
圖6
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(jī)數(shù)量與焊工人數(shù)相同,焊接電流、電壓及焊接速度盡量一致,在圖7中以中心a(1)為對稱點(diǎn)進(jìn)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(shù)桿件,再焊偶數(shù)桿件。
圖7
(2)焊接要求 網(wǎng)架構(gòu)件連接處用夾具固定,不能定位焊。如情況特殊需用定位焊,嚴(yán)禁在焊縫坡口處使用。
杭州灣觀光塔現(xiàn)場焊接必須遵循以下原則:統(tǒng)一對稱,分區(qū)進(jìn)行;先內(nèi)后外,隔節(jié)焊接;單桿雙焊,雙桿單焊;分節(jié)合攏。
(1)分區(qū)對稱焊接 觀光塔以平面圓為基準(zhǔn),分為兩個焊接施工區(qū)(A區(qū)和B區(qū)),每個焊接施工區(qū)域布置一個焊接施工班組,保證每個班組的焊機(jī)數(shù)量與焊工人數(shù)相同,焊接電流、電壓相同,焊接速度盡量一致,以圓心為對稱點(diǎn)進(jìn)行焊接,如圖8所示。
圖8 焊接順序
(2)先內(nèi)后外,隔節(jié)焊接 觀光塔焊接順序如下:①安裝內(nèi)環(huán)一節(jié)柱:內(nèi)1柱和內(nèi)2柱,柱之間梁用耳板連接,然后依次安裝內(nèi)3柱及內(nèi)2、3柱之間的梁到內(nèi)8柱及內(nèi)8、1柱之間的梁。 ②安裝外環(huán)一節(jié)柱:安裝外1柱,將外1柱和內(nèi)1柱的梁安裝,用耳板連接;安裝外2柱,將外2柱和外1柱及外2柱和內(nèi)2柱之間梁用耳板連接;然后依次安裝外3柱直至外8柱。③安裝內(nèi)2節(jié)柱和外2節(jié)柱:安裝順序同內(nèi)1節(jié)柱和外1節(jié)柱的安裝。④內(nèi)1節(jié)柱的焊接:以合攏口(內(nèi)柱4)為基準(zhǔn)。焊接順序如圖9、圖10所示。
圖9 觀光塔平面圖
圖10 觀光塔內(nèi)環(huán)焊接順序
(3)外1節(jié)柱的焊接 先焊環(huán)向梁后焊徑向梁。以合攏口(外柱4)為基準(zhǔn),兩區(qū)進(jìn)行對稱施焊。環(huán)向梁焊接順序(見圖10):a→b→c→d→e→f,g處為合攏口。徑向梁焊接順序(見圖11):h→i→j→k→l→m→n→o→p→q。
(4)梁的焊接 每段柱之間梁的焊接,按照由下向上的順序進(jìn)行施焊。
單桿雙焊、雙桿單焊:針對環(huán)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,要求保證焊接速度一致,焊接電流、電弧電壓相同。
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(jìn)行另一端的焊接。
圖11 觀光塔外環(huán)焊接順序
圖12 單杠雙焊示意
圖13 雙杠單焊示意
分節(jié)合攏:觀光塔焊接時,每層設(shè)置焊接合攏,相鄰層合攏位置依次錯開90°→45°→90°→45°,控制頂層合攏溫度。合攏溫度就是鋼結(jié)構(gòu)在合攏過程中的初始平均溫度,區(qū)別于大氣溫度,是結(jié)構(gòu)使用中溫度的基準(zhǔn)點(diǎn)。
(1)鑄鋼件坡口形式 觀光塔圓管柱與弧形柱轉(zhuǎn)換部位采用鑄鋼GS-20Mn5V(調(diào)質(zhì))材料,上下圓管結(jié)構(gòu)采用Q345GJC鋼材。接頭焊接為鑄鋼件與建筑結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼接頭焊接,其連接接頭的焊接坡口形式如圖14所示。鑄鋼件模型如圖15所示。
圖14
圖15
(2)鑄鋼件與異種鋼焊接的工藝原則 ①正確選用焊條及相應(yīng)焊材是異種鋼焊接成功的關(guān)鍵。②在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下,若強(qiáng)度和塑性不能兼顧時,則應(yīng)選塑韌性較好的焊條和焊材。焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種即認(rèn)為滿足使用技術(shù)條件要求。③對相同等級結(jié)構(gòu)鋼焊條選用時,優(yōu)先考慮抗裂性能好的低氫型焊條。在滿足性能要求的前提下,選用工藝性能好、價格低、易于采購的焊條。④預(yù)熱溫度一般應(yīng)根據(jù)淬硬裂紋傾向大的一側(cè)母材和焊縫金屬合金化程度的大小綜合確定,應(yīng)通過焊縫工藝評定來確定。⑤焊工要專門進(jìn)行培訓(xùn),應(yīng)具有焊接質(zhì)量保證體系及技術(shù)責(zé)任制,并在監(jiān)理的督促下進(jìn)行。
(3)鑄鋼件焊接工藝 ①預(yù)熱溫度為150℃。②層間溫度控制在150~200℃。③焊接參數(shù)選擇如表1~表3所示。④鑄鋼GS—20Mn5V為改善了焊接性的鑄造調(diào)質(zhì)鋼,焊接性能良好,但是由于接頭板厚,原則上擬采用稍高的焊前預(yù)熱溫度來防止裂紋,作為調(diào)質(zhì)鋼材,要控制熱輸入量和道間溫度的上限,以防止近縫區(qū)軟化,同時采取道間錘擊工藝,松弛接頭焊接收縮應(yīng)力。⑤鑄鋼件與異種鋼施焊前應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱,采用2~3把烘槍進(jìn)行火焰預(yù)熱。預(yù)熱溫度為170℃。待溫度降至150℃時方可進(jìn)行焊接。⑥焊接結(jié)束后,用烘槍對焊縫進(jìn)行后熱處理。后熱溫度為200℃,之后采用50mm的保溫棉對焊縫后熱處理部分進(jìn)行包裹,緩冷至室溫。
表1 立焊焊接參數(shù)
表2 橫焊焊接參數(shù)
表3 仰焊焊接參數(shù)
(1)GMAW局部防風(fēng)措施 ①在焊口周圍用防風(fēng)塑料布圍成柵欄防風(fēng)。②在焊口兩側(cè)用0.8~1.0mm后鐵皮(或采用三防雨布),如圖16所示制成局部防風(fēng)裝置。③局部防風(fēng)裝置用永久磁鐵固定在焊縫兩側(cè),兩端可設(shè)置端板,以不影響焊接操作為原則確定其間距,根據(jù)焊工的實(shí)際需要隨時調(diào)整位置。
圖16 局部防風(fēng)裝置
(2)工藝缺陷對策 主要工藝缺陷對策如表4所示。
表4 工藝缺陷對策
實(shí)踐證明,在相同的鋼結(jié)構(gòu)類別中,不同的施工方法會使系統(tǒng)從零件到部件,從部件轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)封閉穩(wěn)定自承重鋼結(jié)構(gòu)體系的路徑不同,因此,所獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果也不一致,甚至有很大的差異。由于杭州灣跨海大橋海中平臺鋼結(jié)構(gòu)焊接工程采用了本文所述關(guān)鍵技術(shù),因此獲得了成功,得到了各方好評,榮獲了全國優(yōu)秀焊接工程一等獎。