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        京滬高速鐵路濟南西站鋼結(jié)構(gòu)冬季焊接施工技術(shù)

        2011-11-27 03:19:48楊懷義
        鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 2011年12期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)焊縫工藝

        楊懷義

        (京滬高速鐵路濟南高速站工程建設(shè)指揮部,濟南 250117)

        1 概述

        鋼結(jié)構(gòu)憑借環(huán)保、快捷、可循環(huán)利用的特點在鐵路站房工程中大量運用。京滬高速鐵路濟南西站站房軌道層鋼結(jié)構(gòu)因直接承載動車荷載,設(shè)計有超大截面的柱梁構(gòu)件(H型鋼梁高3 350 mm),材質(zhì)均為Q345GJC,碳當(dāng)量高,且現(xiàn)場焊縫集中,質(zhì)量控制難度大,特別是冬季低溫焊接對焊接質(zhì)量的直接影響,更是關(guān)系到整個工程順利實施的關(guān)鍵。

        2 焊接工程重難點

        2.1 焊接量大

        濟南西站是京滬高速鐵路5個始發(fā)終到站之一,屬大型綜合交通樞紐工程,用鋼量2.1萬t。其中軌道層施工范圍長202 m,寬107 m,鋼結(jié)構(gòu)用量1.3萬t,每平方米用鋼量600 kg,設(shè)計有128根鋼柱,326架鋼梁,采用全熔透焊接連接,共652個焊口,現(xiàn)場焊縫總長度達2 000 m,焊接鋼板厚度35~70 mm。計劃焊接工期40 d。

        2.2 構(gòu)件截面超大

        軌道層鋼管柱截面有 PIPE2000×65 mm、PIPE2000×40 mm、PIPE1800×40 mm、PIPE1800×35 mm等規(guī)格,勁性鋼梁均為H形截面,存在翼緣板、腹板變寬變厚情況,鋼梁截面有H670×2050×35/40×30 mm;H570×2850×40/50×35 mm;H940×3350×70/70×70 mm;H940×3350×60/60×45 mm等。

        可以看出構(gòu)件板厚從35 mm到70 mm不等,大部分屬于厚板焊接,主材材質(zhì)均為Q345GJC,碳當(dāng)量相對較高。對于板厚在40~60 mm間鋼板需滿足Z15性能要求,大于60 mm厚鋼板,需滿足Z25性能要求。

        2.3 焊縫集中

        軌道層梁柱節(jié)點密集,φ2 000 mm的鋼管混凝土柱,柱距僅為7 m,梁梁間距為3.5 m,結(jié)構(gòu)自身剛度大,受約束多,焊接過程中若不注意焊接順序極易產(chǎn)生較大的變形,甚至有焊縫拉裂的風(fēng)險。焊接量主要集中在梁柱連接節(jié)點,節(jié)點形式見圖1。

        如圖1所示,單一節(jié)點處焊縫長度約14 m,現(xiàn)場焊縫總長度達2 000 m,需要填充50余t的焊材,大量的焊接集中對于控制結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力及變形提出了很大的挑戰(zhàn),是本工程的難點。

        圖1 梁柱節(jié)點(單位:mm)

        2.4 直接承載列車動載

        由于軌道層上行駛時速350 km的高速列車,列車動載由軌道層傳遞到地基基礎(chǔ),焊縫需要承受列車動載的考驗。影響焊縫疲勞強度的主要因素是應(yīng)力的集中,各類凹坑、熔渣等焊接缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,不可避免地會降低焊縫的疲勞強度,造成安全隱患。為此,濟南西站鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量要求極高,現(xiàn)場拼接焊縫等級均為一級,需100%超聲波探傷檢測。

        2.5 冬季低溫焊接

        因施工時正處濟南市冬季氣溫最低時候,平均氣溫-10℃以下,最低溫度達-18℃,北風(fēng)凜冽,焊接環(huán)境十分惡劣。冬季施工主要難點:一是焊點與環(huán)境和構(gòu)建母體溫差大,熔解困難,容易產(chǎn)生焊結(jié)缺陷;二是保溫困難,焊縫降溫速度過快,使焊縫周圍材質(zhì)變脆,焊材收縮造成裂紋。保證軌道層冬季焊接質(zhì)量,控制焊接應(yīng)力、變形是整個工程順利實施的關(guān)鍵。

        3 焊接工藝評定

        本工程焊接時正值濟南冬季氣候干燥多風(fēng),氣溫最低時期,極限低溫達-18℃,低溫焊接對于焊接質(zhì)量可能造成的出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)脆斷等問題直接關(guān)系到工程質(zhì)量,特別是在列車動荷載作用下,使用情況復(fù)雜,如何保證低溫焊接質(zhì)量是工程參建各方關(guān)注的重點和難點。為驗證焊接工藝,特別是提出與工程中涉及的焊接材料、焊縫規(guī)格、現(xiàn)場焊工技能水平匹配的焊接參數(shù),現(xiàn)場進行了2組焊接工藝評定,見表1。

        表1 焊接工藝評定參數(shù)

        工藝評定焊接所用試板材質(zhì)均為Q345GJC,且是從同一批進場鋼材中隨機抽取加工而成,試板規(guī)格為600 mm ×300 mm ×35 mm,600 mm ×300 mm ×50 mm,開35°不等邊X形坡口,兩面坡口深度比例為2∶1。焊接時先焊接大坡口面的2/3;然后對背面采用碳弧氣刨清根處理,用角向磨光機打磨去焊渣,再進行焊接;再對正面進行焊接。所采用的焊縫形式和坡口類型可以涵蓋濟南西站鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接的所有內(nèi)容。

        試板焊接由現(xiàn)場焊工操作,采用E5015(J507)低氫鈉型焊條及ER50-6(CHW-50C6)焊絲。焊接當(dāng)天氣溫為-11℃。選用的焊接設(shè)備、預(yù)熱保溫措施同實際施工條件。

        低溫焊接容易產(chǎn)生缺陷的主要原因是焊后冷卻速度過快,導(dǎo)致焊縫的冷裂紋敏感性增加、焊縫易產(chǎn)生金屬偏析、焊縫冷裂紋延遲效應(yīng)明顯和低溫脆斷的可能性增加。針對這一特點,必須保證準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度,JN01試板采取火焰烘烤的方式,JN02試板采取電加熱,用紅外線測溫儀控制預(yù)熱溫度。為保持焊接層間溫度,火焰加熱的焊縫在焊接過程中用保溫棉正反面包裹焊縫加熱區(qū),見圖2。

        焊后用保溫棉將焊縫正反面包裹進行保溫,減緩焊縫冷卻速度,直至焊縫冷卻至環(huán)境溫度后拆除。

        2組焊評試板經(jīng)超聲波探傷以及力學(xué)性能分析,達到國家規(guī)范及設(shè)計要求,最終確定濟南西站鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評定報告,用以指導(dǎo)現(xiàn)場焊接。

        圖2 焊接保溫措施示意

        4 相關(guān)技術(shù)措施

        4.1 坡口形式

        為了降低焊接熱輸入量,減少變形,同時也方便現(xiàn)場操作,降低焊接工作量,在設(shè)計坡口形式的時候,將梁柱節(jié)點、梁梁節(jié)點的焊接坡口形式作了統(tǒng)一,翼緣板對接焊縫均為單邊V形坡口;腹板采用梁端不等邊K形坡口。坡口角度根據(jù)板厚確定,50 mm厚以下鋼板開40°坡口,50 mm厚及以上鋼板采取35°坡口。

        4.2 預(yù)熱和保溫

        根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果,確定鋼結(jié)構(gòu)焊接預(yù)熱溫度為120~150℃,預(yù)熱區(qū)域為坡口兩側(cè)100 mm范圍。其中40 mm以下鋼板采取火焰烘烤的方式;40 mm及以上鋼板采取電加熱,加熱溫度利用紅外線測溫儀控制。焊接過程中,焊縫層間溫度保持在220℃以上。采用“歇人不歇馬戰(zhàn)術(shù)”連續(xù)焊接,減少二次加溫。焊接完成后,對焊縫正反面用保溫棉包裹,使焊縫緩慢冷卻。

        4.3 防風(fēng)措施

        焊接區(qū)處在距地面10 m以上高空,風(fēng)力較大,規(guī)范要求手工電弧焊當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s,氣體保護焊超過2 m/s時,在焊接過程中必須采取防風(fēng)措施。由于構(gòu)件截面大,常規(guī)的防風(fēng)棚在本工程中難以實現(xiàn),特利用腳手管設(shè)計了臨時操作平臺,外包石棉布起防風(fēng)阻燃效果,見圖3。

        如圖3所示,腳手管組成防風(fēng)棚的骨架,其強度經(jīng)計算,可以滿足4~6名焊工及焊接設(shè)備的荷載,并保證牢固不會晃動。腳手管四周包圍石棉布構(gòu)成防風(fēng)棚,石棉布耐火,阻燃。防風(fēng)棚底部包裹嚴(yán)實后可防止焊接火花飛濺傷人及引起火災(zāi)。

        4.4 焊接順序

        濟南西站軌道層鋼結(jié)構(gòu)焊接難度大,控制不當(dāng)有可能產(chǎn)生無法挽回的質(zhì)量問題。從整體到局部,在焊接前制定合理的焊接順序是減少焊接變形,避免應(yīng)力集中的關(guān)鍵。

        圖3 焊接防風(fēng)措施

        軌道層結(jié)構(gòu)布置相對規(guī)則,形式單一,共5跨鋼梁,分為A、B兩個區(qū),中間被正線橋隔斷。根據(jù)整體施工安排,2個邊跨先行安裝,焊接完后,再安裝中間3跨,進行焊接。2個階段吊裝順序均是從東往西推進,若鋼結(jié)構(gòu)焊接跟隨吊裝進度的話,焊接收縮變形累積,不利于安裝精度的控制,為此,施工方制訂了嚴(yán)格的焊接分區(qū),見圖4。

        圖4 焊接分區(qū)示意

        如圖4所示,整個施工區(qū)域劃分為42個焊接區(qū),每個分區(qū)為一個相對獨立的焊接單元,由4根鋼柱和若干根主次梁組成,能形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu),焊接施工必須待單個焊接區(qū)內(nèi)構(gòu)件全部安裝完畢,校正至規(guī)范允許范圍內(nèi)再進行,減少安裝累計誤差。每個焊接區(qū)間預(yù)留2道梁柱對接口最后焊接,避免焊接收縮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)往一側(cè)變形。

        1個焊接區(qū)內(nèi)的焊接內(nèi)容包括約10個梁柱焊接接頭和若干個主次梁焊接接頭,由于相互間剛性聯(lián)結(jié),牽一發(fā)而動全身,為避免焊接變形,必須制訂合理的焊接順序,針對每個分區(qū)里的焊口進行編號,見圖5。

        如圖5所示,單個分區(qū)內(nèi)的焊接遵循對稱焊接的原則,呈斜對角線布置焊工,其中Ai焊口與Bi焊口先后焊接,即完成Ai后再開始焊接Bi,編號后方便現(xiàn)場操作,施焊時一目了然。現(xiàn)場嚴(yán)禁一根鋼梁兩端同時施焊。

        單個焊縫接口的焊接順序同樣是需要重點關(guān)注的,本工程構(gòu)件截面大,焊接填充量大,合理的焊接順序是控制變形的關(guān)鍵,否則會因為隨意施焊,焊接熱輸入量不均勻,導(dǎo)致焊接完成后整根鋼梁扭曲,現(xiàn)場無法進行校正,影響安裝精度。所以必須堅持對稱施焊,使變形相互抵消,焊接順序見圖6。

        圖5 焊口施焊先后順序示意

        圖6 鋼梁對接口焊接順序

        如圖6所示,單個接口的焊接采取先焊翼緣、后焊腹板的焊接順序,翼緣焊接由3名焊工同時施焊,2名焊工采用手工電弧焊焊接下翼緣板,1名焊工利用CO2氣體保護焊焊接上翼緣板,采用不同的焊接方法是為了上下翼緣的焊接速度一致。

        由于 H型鋼梁截面高,大部分鋼梁高度為2 050 mm,少數(shù)達3350 mm,為減少變形,腹板焊接同樣采用2名焊工同時施焊的方式,由下往上焊接,焊接過程中需要做好接火保護措施,避免鐵水、焊渣傷人。

        5 焊接現(xiàn)場管理

        5.1 有效的管理是決定焊接質(zhì)量、施工進度的關(guān)鍵

        建設(shè)指揮部重點抓冬季焊接工藝評定和焊接方案的審查。要求施工單位根據(jù)濟南西站工程的材質(zhì)、構(gòu)件尺寸以及施工環(huán)境情況,有針對性地進行了焊接工藝評定;對施工過程的分區(qū)、勞動力安排、焊接順序、工藝、焊接設(shè)備、保溫措施等進行了認真審查;監(jiān)督施工方對技術(shù)工人進行技術(shù)交底;加強過程控制,施工過程中站房部、安質(zhì)部工程技術(shù)人員,深入現(xiàn)場,檢查焊接方案的落實情況。

        監(jiān)理公司派出1名副總監(jiān),專職盯控鋼結(jié)構(gòu)施工管理。從焊接工藝評定到方案審查,全程盯控。焊接工藝評定更是直接參與,現(xiàn)場重點焊接旁站監(jiān)理。

        施工單位從項目部、安裝隊到作業(yè)工人,層層落實責(zé)任。從“人、機、料、法、環(huán)”5個方面,對施工質(zhì)量進行嚴(yán)格控制。項目部總工程師及焊接專業(yè)技術(shù)負責(zé)人負責(zé)焊接總體施工方案的制訂以及焊接質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的建立和評定。專業(yè)隊長和焊接班長,是焊接方案的具體實施者和檢查者,負責(zé)焊工、焊接設(shè)備的調(diào)配。焊接班長對于有效落實焊接方案,把控焊接質(zhì)量至關(guān)重要,屬焊接施工的關(guān)鍵崗位。施工單位對每一個焊工都進行進場考試,考試結(jié)果報監(jiān)理認定,建設(shè)指揮部抽查,確定合格后方可在現(xiàn)場焊接。輔助工種主要進行焊接操作平臺、防風(fēng)棚等臨時措施的搭設(shè),為焊工創(chuàng)造一個良好的施焊環(huán)境。

        5.2 配備充足勞力和材料

        經(jīng)計算,總的焊縫填充量約為50 t。1名焊工正常連續(xù)焊接的情況下每小時消耗焊條量經(jīng)統(tǒng)計約為2.2 kg,每個熟練焊工正常上班時間(8 h)里焊接時間在5~6 h,由于冬季施工夜間溫度更低,風(fēng)大,夜間焊接施工質(zhì)量、安全均難以保證,故不安排夜間施工。按照40 d的焊接工期要求,計算需要焊工人數(shù)

        其中:P為計算焊工數(shù);q為焊縫填充量;a為平均每小時消耗焊條量;t為常規(guī)日連續(xù)施焊時間;s為焊接工期。

        為滿足40 d施工工期要求,現(xiàn)場最少需要焊工103名。考慮工人休假,雨雪天干擾等因素,施工單位現(xiàn)場共配備了120名焊工,如期完成焊接任務(wù)。

        6 結(jié)語

        在濟南西站鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中,針對軌道層結(jié)構(gòu)焊縫集中、構(gòu)件截面超大、冬季施工要求高的特點,建設(shè)、監(jiān)理、施工單位高度重視,群策群力,從抓好工藝評定、施工方案和一系列專項措施著手,加強方案的執(zhí)行力度和過程控制,圓滿完成了施工任務(wù)。在全部軌道層結(jié)構(gòu)焊接完成后,復(fù)測鋼柱垂直度,偏差均小于8 mm,在規(guī)范許可范圍內(nèi)。施工單位經(jīng)100%超聲波探傷檢驗,Ⅰ級焊縫一次合格率達98%;監(jiān)理單位對Ⅰ級焊縫鑒證檢驗20%,另委托第三方檢驗單位平行檢驗3%。為確保焊縫質(zhì)量萬無一失,建設(shè)單位又委托不同的第三方檢驗單位,再抽檢3%。三重把關(guān),檢驗結(jié)果為100%合格。

        [1]中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會.建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊[M].北京:中國計劃出版社,2002.

        [2]李久林.國家體育場鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接技術(shù)研究[J].鋼結(jié)構(gòu)焊接國家論壇,2006.

        [3]戴為志.國家體育場(鳥巢)鋼結(jié)構(gòu)安裝工程焊接質(zhì)量控制的有效途徑[J].中國大型建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

        [4]GB50205—2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

        [5]GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

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