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］.