姜金泉

上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司 江蘇 南通 226116

隨著國家“一帶一路”倡議實施的不斷深入，以及中國在世界基建領(lǐng)域的地位，越來越多的工程制造公司參與到各種國際工程項目中，承接各種類型的國際工程項目。隨著對外合作的不斷加深，一種模塊化構(gòu)造技術(shù)應(yīng)運而生[1-2]。

模塊化構(gòu)造體系包括結(jié)構(gòu)體系、模塊單元類型、模塊單元間連接體系等。所謂模塊化制造，是指結(jié)構(gòu)工廠模塊集成化制作、現(xiàn)場模塊化安裝。模塊化施工可以節(jié)約大量的人工、降低造價、縮短現(xiàn)場施工工期。但在模塊化工廠集成化過程中，對結(jié)構(gòu)加工及精度控制有著較高的要求，需要嚴格控制加工精度和結(jié)構(gòu)偏差，確?，F(xiàn)場安裝精度。

1 項目背景

CLA項目為力拓礦業(yè)集團鐵礦裝卸碼頭維修項目。CLA碼頭設(shè)施位于Cape Lambert蘭伯特東北海岸沃爾科特港約2.5 km處。此碼頭屬于棧橋式近海延伸礦山碼頭，為海上安裝施工項目，因地理位置特殊和維修項目本身的特殊性，只能采用模塊化設(shè)計構(gòu)造、工廠集成化制造、現(xiàn)場模塊化安裝。項目現(xiàn)場施工區(qū)域如圖1所示。

圖1 項目現(xiàn)場施工區(qū)域

2 模塊化構(gòu)造設(shè)計

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)模塊化構(gòu)造設(shè)計在充分考慮現(xiàn)場安裝便利性的同時，還應(yīng)考慮到工廠集成化加工及運輸?shù)目尚行?。采用合理的工廠集成化制造方案與科學的吊裝方式及適當高效的現(xiàn)場安裝方法，從而保證模塊化高效制造以及現(xiàn)場高精度實施。另外，通過Tekla Structure三維設(shè)計軟件結(jié)合ANSNY有限元分析軟件，為模塊化構(gòu)造提供了理論依據(jù)，進一步為模塊化制造實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

本工程通過合理的結(jié)構(gòu)功能分類結(jié)合合理的結(jié)構(gòu)單體匹配，有效地保證了工廠加工、遠洋運輸、現(xiàn)場安裝的順利進行。

2.2 模塊化結(jié)構(gòu)節(jié)點連接

合理的節(jié)點連接形式不僅有利于工廠加工精度控制，更有利于現(xiàn)場安裝控制，從而降低現(xiàn)場的施工難度，更能體現(xiàn)模塊化設(shè)計構(gòu)造的優(yōu)勢。本工程各模塊子項位置均采用緩沖支座連接以及栓接節(jié)點，減少現(xiàn)場焊接工作，避免現(xiàn)場焊接變形造成的結(jié)構(gòu)精度偏差。

3 模塊化鋼結(jié)構(gòu)加工控制

本文重點闡述此項目中難點較高的Dolphin caps系船樁結(jié)構(gòu)裝配焊接及預(yù)裝控制過程，旨在為類似工程項目積累相關(guān)工程經(jīng)驗。Dolphin caps系船樁作為碼頭系統(tǒng)中的主要承載結(jié)構(gòu)，設(shè)計時多考慮厚板全熔透焊接形式且內(nèi)部隔板較多，結(jié)構(gòu)外形尺寸約為9 m×8 m×8 m，與之相互連接的結(jié)構(gòu)較多且連接關(guān)系復(fù)雜。因此，此結(jié)構(gòu)為該碼頭項目中較為重要的節(jié)點結(jié)構(gòu)，其相互連接關(guān)系見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)相互連接關(guān)系

3.1 建造方法

Dolphin caps系船樁屬于大型構(gòu)件，且下側(cè)樁管均有斜度、非垂直，無法作為制作基準面。為保證制作精度，采用倒置反做法，以上側(cè)板平面作為制作基準面，采用由下而上構(gòu)造法。因結(jié)構(gòu)較大且復(fù)雜，為便于裝配，將結(jié)構(gòu)拆分為四部分，進行分步裝配，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)拆分示意

3.2 胎架及加固設(shè)置

胎架及支撐作為主要承重受力構(gòu)件，為預(yù)防焊接變形，設(shè)置時應(yīng)考慮具備一定的強度，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)制作過程中失穩(wěn)，造成安全隱患。同時，胎架及加固工裝措施也屬于剛性固定法，更有利于控制焊接變形，保證焊后加工尺寸精度。

胎架由H型鋼框架及防變形保持板焊接而成，H型鋼需有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，采用截面不小于500 mm型鋼。為保證樁腿對接位置、圓管橢圓度，防止對接錯邊超出公差，加固環(huán)板厚度20～30 mm，凈寬度不小于450 mm。為保證面板平面度，控制焊接變形，加固勁板厚度20～30 mm，寬度不小于250 mm。

胎架及加固設(shè)置如圖4所示。

圖4 胎架及加固設(shè)置

3.3 焊接收縮余量加放

焊件受到局部加熱和冷卻時，溫度分布不均勻?qū)⑹购讣霈F(xiàn)不均勻的熱膨脹，熱膨脹受到周圍低溫區(qū)金屬抵消、阻礙，不能夠自由膨脹收縮，就會產(chǎn)生焊接應(yīng)力繼而導(dǎo)致塑性變形。焊接變形在一定程度上會影響焊接件強度、剛度、加工尺寸精度，適當增加焊接收縮余量，有利于控制因焊接變形造成結(jié)構(gòu)尺寸偏差。本結(jié)構(gòu)焊接收縮余量如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)焊接收縮余量

3.4 焊接工藝控制

焊接工藝對焊接變形的影響很大[3]。焊縫尺寸大小直接關(guān)系到熱影響的大小；焊接坡口的構(gòu)造將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接受力或受殘余應(yīng)力的不同；焊前預(yù)熱、焊接的順序、焊道的層次及焊后消氫處理等影響焊縫質(zhì)量。

項目采用AS 1554.1澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，焊縫90%按全熔透焊縫設(shè)計，增加了焊接變形控制難度。另外，箱體結(jié)構(gòu)的部分內(nèi)部隔板需采用分步退裝，采用單邊V形襯墊焊坡口，同樣增加了焊接及變形控制難度。

有效的焊前預(yù)熱可以防止根部裂紋的產(chǎn)生。為減少焊接殘余應(yīng)力及母材淬硬傾向，防止冷裂紋產(chǎn)生，改善焊縫性能，母材焊接前必須進行預(yù)熱，可采用電加熱或火焰加熱兩種方式?；鹧婕訜醿H用于個別部位且電加熱不宜施工之處，并應(yīng)注意均勻加熱，加熱范圍應(yīng)覆蓋焊縫兩側(cè)各100 mm以上。加熱時用測溫筆在離焊縫中心50 mm的地方測溫。加熱范圍及測量方式如圖6所示。

圖6 加熱范圍及測量方式

在焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)造及剛性無法改變時，應(yīng)充分考慮合理的焊接順序編排及焊縫布置。焊縫若沿構(gòu)件截面分布不對稱，則會導(dǎo)致該構(gòu)件焊接時產(chǎn)生彎曲變形。在結(jié)構(gòu)或組合構(gòu)件的裝配、部件連接以及增加局部臨時加強焊時，應(yīng)采用的合理工藝與順序以減少變形與收縮。

厚板焊接時應(yīng)堅持多層多道焊的原則，嚴禁大幅度擺動焊接。寬道焊接時母材對焊縫的拘束應(yīng)力較大，焊接變形大，焊縫局部溫度過高導(dǎo)致焊縫晶粒粗大，焊縫強度、韌性急劇下降，容易引起開裂及延遲裂紋。多層多道焊的優(yōu)點：上一層次對下一層次進行了有效的熱處理，改變了焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，提高了焊接接頭的綜合性能指標。

焊接過程中嚴格控制焊接參數(shù)、焊接順序。每一焊道完工后應(yīng)將焊渣清除干凈并檢查和清除缺陷，再進行下一層的焊接。每層焊縫始終端接頭應(yīng)相互錯開不小于50 mm。層間溫度須保持與預(yù)熱溫度一致。每道焊縫一次施焊，中途不可中斷。焊接過程中采用邊振邊焊及適當?shù)幕鹧婕訜峒夹g(shù)或錘擊消除焊接應(yīng)力。焊接過程中要注意每道焊縫的寬深比大于1.1。多層多道焊縫形式如圖7所示。

圖7 多層多道焊縫形式

由于厚鋼板焊接時構(gòu)件的拘束度大，焊縫金屬冷卻速度快，焊縫內(nèi)應(yīng)力將明顯高于普通厚度鋼板的焊接，結(jié)構(gòu)拘束度增加，焊縫容易產(chǎn)生裂紋，且主要為焊接冷裂紋。

在裂紋傾向較大時，特別是焊接材料屈服強度大于460 N/mm2、材料厚度大于30 mm時，在考慮使用低氫焊材的同時，焊后應(yīng)采用200～300 ℃保溫以及2 h消氫處理，以利于焊縫中擴散氫的溢出，有效防止冷裂紋形成。

4 數(shù)字化三維測量控制

為使鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段節(jié)點等的加工拼裝精度滿足設(shè)計要求，采取全站儀精密三維測量、計算機輔助處理拼裝的方法，建立精度管理系統(tǒng)。

計算機模擬預(yù)測多結(jié)構(gòu)拼接結(jié)果，通過控制節(jié)段節(jié)點加工過程精度，進而實現(xiàn)對安裝后整體精度的主動控制。防止由于單個節(jié)段節(jié)點加工誤差的累積造成安裝后節(jié)段節(jié)點的位置、線形、扭轉(zhuǎn)等超差。通過主控點位系統(tǒng)性測量，確?，F(xiàn)場安裝質(zhì)量。

系船樁主控為樁腿斜度尺寸偏差、靠船側(cè)法蘭連接平面及孔位偏差、與上層平臺相關(guān)連接偏差。

利用全站儀精密三維測量、計算機輔助處理拼裝的方法，保證制作過程中及時調(diào)整已有尺寸偏差，采取補救措施。再結(jié)合整體預(yù)裝及總裝，保證結(jié)構(gòu)的尺寸精度，同時也保證了現(xiàn)場模塊化安裝的精度。首批Dolphin caps系船樁模塊發(fā)運及安裝如圖8所示。

圖8 系船樁模塊發(fā)運及安裝

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)模塊工廠集成化制作，能夠有效地縮短制作周期，但制作過程中的精度控制是提高現(xiàn)場安裝效率的關(guān)鍵因素。通過制作過程中裝配、焊接、測量等過程控制，可進一步保證現(xiàn)場安裝精度。

[1] 陳紅磊,陳琛,李國強,等.模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊間節(jié)點的研究綜述[J].鋼結(jié)構(gòu),2018(12):1-5;27.

[2] 郭曉偉.大型結(jié)構(gòu)模塊現(xiàn)場組裝、安裝施工技術(shù)探討[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2018,26(30):1-4.

[3] 陳曉明.特種鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2019.