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        大跨度高強(qiáng)超厚鋼板廊橋的焊接施工技術(shù)

        2018-09-06 03:38:00盛林峰
        建筑施工 2018年1期
        關(guān)鍵詞:低合金廊橋高強(qiáng)

        盛林峰

        上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

        1 工程概況

        上海國(guó)際金融中心共由上證所、中金所和中國(guó)結(jié)算3幢高層塔樓,地下金融劇院以及塔樓連接廊橋等結(jié)構(gòu)組成。廊橋位于呈“品”字形分布的3幢塔樓中間,作為連通塔樓的空中通道。結(jié)構(gòu)平面形狀呈倒“T”字形,由2個(gè)樓層和1個(gè)屋頂層組成。廊橋總長(zhǎng)為158 m,中跨跨度75.50 m,左右邊跨32.25 m,T形跨凈跨度25.75 m(圖1)。

        廊橋樓層結(jié)構(gòu)主要由2道縱向主梁與橫向連系次梁組成,主梁為通長(zhǎng)布置(圖2)。

        圖1 國(guó)金中心效果圖

        圖2 廊橋結(jié)構(gòu)效果圖

        2 焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        因廊橋跨度大,故造成其主結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面超大,鋼板超厚,鋼材強(qiáng)度級(jí)別覆蓋Q345~Q460。其中,大量的Q420、Q460高強(qiáng)鋼的使用是廊橋工程鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)。因此,高強(qiáng)度厚板的現(xiàn)場(chǎng)高空焊接是整個(gè)廊橋焊接工作中的突出控制重點(diǎn)。

        2.1 截面超大、鋼板厚,焊接量大

        在廊橋設(shè)計(jì)上,采用了大截面箱形構(gòu)件,特別是樓層主梁,截面高度基本都超過(guò)3 m,屬超大構(gòu)件。

        表1為廊橋屋頂層主梁截面以及對(duì)應(yīng)的材質(zhì)要求分布位置統(tǒng)計(jì)?,F(xiàn)場(chǎng)對(duì)接接頭多,最大截面3 750 mm×1 050 mm,最大板厚80 mm,單個(gè)接頭焊縫長(zhǎng)度達(dá)到9.6 m。

        構(gòu)件截面大、板厚,造成現(xiàn)場(chǎng)接頭焊接量大。由于現(xiàn)場(chǎng)為全焊接接頭,故焊接質(zhì)量及效率將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)度。

        2.2 鋼材強(qiáng)度高,焊接難度大

        由表1可知,廊橋主梁除兩端長(zhǎng)度各17.25 m采用了Q345外,其他均為Q420和Q460,且Q460鋼板板厚為最厚,達(dá)到60 mm和80 mm。

        低合金高強(qiáng)鋼隨著強(qiáng)度級(jí)別及板厚的增加,淬硬性和冷裂傾向都隨之增大,焊接工藝要求高[1-2]。

        2.3 低溫、高空環(huán)境,焊接要求高

        在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接不同于工廠(chǎng)制作時(shí)的焊縫,易受外部條件的影響,焊接工藝的實(shí)施也受到諸多限制,如低溫、大風(fēng)、高空,都會(huì)給焊接操作帶來(lái)不利影響。廊橋的施工又正好處于冬季,上海的冬季最低溫度可達(dá)0 ℃,甚至?xí)陀? ℃,因此,如何確保低溫環(huán)境下高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量,是一個(gè)難點(diǎn)。

        3 應(yīng)對(duì)措施

        根據(jù)廊橋鋼結(jié)構(gòu)焊接的特點(diǎn)和難點(diǎn),將Q460鋼材的焊接作為主要控制對(duì)象,首先,通過(guò)對(duì)其焊接性進(jìn)行分析,并結(jié)合焊接工藝評(píng)定試驗(yàn),制訂合理的焊接工藝。其次,對(duì)廊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分段,優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭布置,采取合適的坡口形式,盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量。最后,優(yōu)選焊接工人,將最優(yōu)秀的焊工布置到Q460、Q420接頭焊接區(qū),并嚴(yán)格進(jìn)行焊接過(guò)程管理控制。另外,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)焊縫多的特點(diǎn),將自動(dòng)化焊接機(jī)器人運(yùn)用到構(gòu)件的拼裝上,提高焊接效率。

        表1 廊橋屋頂層主梁結(jié)構(gòu)截面材質(zhì)

        4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

        4.1 Q460鋼焊接性分析

        目前,在國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè),低合金高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來(lái)越多,Q390已經(jīng)較為普遍,Q420、Q460使用也逐漸增多。在國(guó)家的科技發(fā)展規(guī)劃中,屈服強(qiáng)度為400~800 MPa,抗拉強(qiáng)度為600~1 400 MPa級(jí)別的高強(qiáng)度鋼材將是今后的發(fā)展方向。

        低合金高強(qiáng)度鋼含有一定的合金元素及微合金化元素,其焊接性主要表現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對(duì)焊接熱輸入敏感,熱影響區(qū)淬硬傾向增大,對(duì)氫致裂紋敏感性較大。同時(shí)隨著強(qiáng)度級(jí)別及板厚的增加,淬硬性和冷裂傾向都隨之增大。

        國(guó)金中心廊橋使用了Q460GJC板,按照GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》相關(guān)公式,計(jì)算其碳當(dāng)量為0.41,其焊接性一般。

        4.2 Q460鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

        根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,應(yīng)先進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

        廊橋鋼結(jié)構(gòu)板厚最大為80 mm,因此選取板厚40 mm作為工藝評(píng)定試件,焊接位置則選取橫焊和仰焊2種形式,焊接方法采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊(圖3)。

        焊接工藝參數(shù)(橫焊)如表2所示。

        工藝上采用焊前預(yù)熱(預(yù)熱60 ℃)、多道多層(道間溫度≤230 ℃)、焊后緩冷(用保溫棉包裹)等措施。按照標(biāo)準(zhǔn)做了2組拉伸、4組側(cè)彎、6組沖擊(焊縫、焊接熱影響區(qū)各3組)力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果均合格。

        由此結(jié)論,針對(duì)Q460GJC鋼,采用低氫焊接方法,保證預(yù)熱溫度,中等熱輸入條件下焊接能夠獲得無(wú)裂紋、塑性好的焊接接頭。

        圖3 主梁對(duì)接接頭坡口形式

        表2 焊接工藝參數(shù)

        5 廊橋焊接實(shí)施

        整個(gè)廊橋總質(zhì)量約8 000 t,為全焊接節(jié)點(diǎn)。由于廊橋鋼材種類(lèi)多、焊縫長(zhǎng)又處于冬季施工,為確保焊接質(zhì)量,我們?cè)谑┕ど蠂?yán)格進(jìn)行過(guò)程管理,從多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量把控。

        5.1 合理分段、優(yōu)化接頭布置

        廊橋構(gòu)件截面大,起重量受限,分段較多。在深化設(shè)計(jì)階段,就同步考慮現(xiàn)場(chǎng)焊接的可操作性。

        廊橋9層局部主梁為大截面箱形構(gòu)件,次梁為“H”形構(gòu)件。箱形截面構(gòu)件,造成與之相交的次梁構(gòu)件均為“T”形接頭。

        為避免現(xiàn)場(chǎng)大量的“T”形接頭,深化設(shè)計(jì)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭盡可能設(shè)置成對(duì)接形式,在工廠(chǎng)主梁上帶一段連接牛腿。這樣布置,一方面便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫施焊,另一方面將牛腿與Q460主梁連接的大量焊縫放在操作條件好的工廠(chǎng)施焊,降低現(xiàn)場(chǎng)Q460鋼的焊接工作及風(fēng)險(xiǎn)(圖4、圖5)。

        圖4 廊橋主次梁連接局部

        圖5 主次梁連接牛腿示意

        在進(jìn)行主梁對(duì)接接頭坡口形式設(shè)置時(shí),基于在箱形構(gòu)件焊接上的經(jīng)驗(yàn),底部對(duì)接焊縫設(shè)置成仰焊形式。通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn),采用合理的焊接工藝,并選擇優(yōu)秀的焊工施焊,完全能滿(mǎn)足接頭焊接質(zhì)量。這樣可避免增開(kāi)大量的焊接人孔,大大減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)量,提高現(xiàn)場(chǎng)安裝速度[3-5]。

        5.2 嚴(yán)格把控、加強(qiáng)過(guò)程管理

        從制訂完備的焊接工藝開(kāi)始,到最終完成實(shí)施并獲得合格的焊縫質(zhì)量,中間過(guò)程中的每道環(huán)節(jié)控制都至關(guān)重要。

        1)優(yōu)選焊工,對(duì)所有進(jìn)場(chǎng)焊接Q420、Q460接頭的焊工,均進(jìn)行焊工附加考試。

        2)嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱制度。根據(jù)低合金高強(qiáng)鋼焊接性分析,焊接時(shí)的冷卻速度將影響接頭組織的性能,若控制不當(dāng),則會(huì)導(dǎo)致接頭的冷裂傾向加大。針對(duì)低合金高強(qiáng)鋼厚板焊接,一個(gè)重要的措施就是焊前預(yù)熱。為確保加熱的均勻性,應(yīng)全部采用遠(yuǎn)紅外電加熱方法進(jìn)行焊前預(yù)熱。

        根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)接頭的拘束情況,最終確定了預(yù)熱溫度(表3)。

        表3 Q420、Q460預(yù)熱溫度

        3)控制現(xiàn)場(chǎng)裝配質(zhì)量,合理安排焊接施工順序?,F(xiàn)場(chǎng)接頭受制作、安裝多方面累積誤差等因素影響,往往存在比如接頭間隙、錯(cuò)邊超差等情況,不僅造成焊接工藝的難度提高,偏差嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)接頭的最終性能有不利影響。廊橋主梁由于超重,故采用地面拼裝、整體提升的施工工藝,因而既要保證構(gòu)件整體提升能精確到位,又要確保接頭質(zhì)量處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?;谠撛?,需采取跟蹤測(cè)量,并嚴(yán)格按照已安裝構(gòu)件接頭處反饋的數(shù)據(jù),對(duì)提升主梁地面拼裝的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)控制。針對(duì)超長(zhǎng)焊縫,為減小焊接應(yīng)力、降低焊接變形,施工中采取多人對(duì)稱(chēng)、分段退焊的焊接工藝。

        4)針對(duì)低溫環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)全封閉操作平臺(tái),既滿(mǎn)足防風(fēng)防雨要求,又保證焊接區(qū)一定的溫度,同時(shí)每條焊縫一次性連續(xù)焊接完成。

        5)焊接前編制焊接工藝卡,進(jìn)行針對(duì)性技術(shù)交底。接頭裝配完成、坡口清理、焊前預(yù)熱、施焊、焊后處理等,每道工序都安排定點(diǎn)、定人檢查,遵循工藝流程施焊。

        5.3 焊接機(jī)器人輔助焊接

        針對(duì)廊橋構(gòu)件截面大、焊縫長(zhǎng)的特點(diǎn),為提高焊接工效,同時(shí)也為確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性,我們將焊接機(jī)器人運(yùn)用到構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接上,在現(xiàn)場(chǎng)輔助工人進(jìn)行焊接(圖6)。

        圖6 焊接機(jī)器人構(gòu)件拼裝焊接

        焊接機(jī)器人由焊接移動(dòng)小車(chē)、剛性軌道、控制箱、焊接電源系統(tǒng)和手控盒等5個(gè)部分組成。

        焊接操作工需經(jīng)過(guò)培訓(xùn),考試合格后方可進(jìn)行操作焊接。焊前應(yīng)根據(jù)主梁高度裝配固定軌道,把自動(dòng)焊匹配使用的焊接控制箱、焊接電源及送絲機(jī),通過(guò)焊接電纜與焊接小車(chē)相連接,焊接保護(hù)氣瓶通過(guò)氣管與控制箱連接。焊接時(shí)焊接操作工利用焊接機(jī)器人示教功能對(duì)焊縫進(jìn)行示教操作,保證焊接過(guò)程中熔池中心與焊縫中心一致,通過(guò)焊接參數(shù)的優(yōu)化組合,實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接[6-7]。

        對(duì)于類(lèi)似廊橋結(jié)構(gòu)大截面、長(zhǎng)焊縫接頭,采用機(jī)器人焊接非常適合,可有效提高焊接效率、確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

        6 結(jié)語(yǔ)

        上海國(guó)金中心廊橋鋼結(jié)構(gòu)從2016年底開(kāi)始施工,到2017年3月結(jié)構(gòu)完成。通過(guò)對(duì)Q460低合金高強(qiáng)鋼焊接性的分析,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn),制訂合理的焊接工藝,并有效落實(shí)焊接管理各項(xiàng)措施,使得焊接質(zhì)量處于良好的受控狀態(tài),焊縫無(wú)損檢測(cè)一次合格率達(dá)到98%以上,減少了返工,為后續(xù)施工爭(zhēng)取了更多時(shí)間。

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