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

一. 鋼結(jié)構(gòu)概況

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。

二、焊接特點(diǎn)與難點(diǎn)

1. 焊接施工特點(diǎn)

（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。

2. 焊接施工難點(diǎn)

（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。

3. 焊接方法

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。

三、焊接工程的關(guān)鍵技術(shù)

1. 平臺的焊接原則

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

2. 網(wǎng)架的焊接原則

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。

3. 觀光塔的焊接原則

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)。

4. 鑄鋼件焊接關(guān)鍵技術(shù)

（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)

5. 焊接質(zhì)量控制

（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

四、結(jié)語

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。