高鐵站復(fù)雜異形鑄鋼節(jié)點(diǎn)施工關(guān)鍵技術(shù)

田川嶺， 史凱慶， 郭奇超

(1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200000；2.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100167)

高鐵建設(shè)的興起促進(jìn)了大型鋼結(jié)構(gòu)高鐵站房屋蓋的不斷發(fā)展，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在大型鋼結(jié)構(gòu)高鐵站房屋蓋工程中廣泛應(yīng)用，其力學(xué)性能和構(gòu)造方式十分復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造也將直接影響結(jié)構(gòu)整體的受力性能、制造工藝、施工質(zhì)量、施工安全等[1-2]。因此，采用一定的施工技術(shù)，保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的焊接[3]、安裝等施工質(zhì)量符合規(guī)范要求，是保證大型鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以鹽城站高鐵站房為例，介紹站房主體桁架結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)施工關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制措施，為同類型高鐵站房的施工提供借鑒。

1 工程概況

鹽城站站房工程總建筑面積為49 964 m2，建筑最高點(diǎn)高度為34 m，設(shè)計使用年限為50 a，站房建筑外形為寶石形，總長度為223 m，寬度約110～142 m，支承于標(biāo)高16.2 m商業(yè)層，兩側(cè)兩榀桁架支承于標(biāo)高8.5 m處。屋蓋采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系，共12榀，跨度92～119 m，桁架跨中上下弦桿間距約3 m，兩側(cè)上下弦桿約7 m。各榀桁架由系桿連接，并沿長度方向設(shè)置上弦平面支撐。屋面上弦采用?500 mm圓管，采用無縫鋼管，下弦呈折拱形，采用變截面梯形截面，轉(zhuǎn)折處最大截面約為500 mm×1 200 mm，柱腳截面約500 mm×600 mm。桁架剖面示意如圖1所示。

每榀桁架柱腳連接于下部混凝土結(jié)構(gòu)，采用盆式鋼支座。桁架跨中截面小，兩側(cè)截面大，呈倒三角拱的受力特性，下部混凝土立柱以懸臂梁的形式抵抗屋蓋側(cè)推力，邊柱為1 400 mm×1 400 mm。單榀桁架示意如圖2所示。

圖1 桁架剖面示意圖(單位：m)

圖2 單榀桁架示意圖

本工程鋼桁架結(jié)構(gòu)采用17種鑄鋼類型，共34個節(jié)點(diǎn)，桁架主體重量為6 300 t，鑄鋼節(jié)點(diǎn)總重量為210 t，鑄鋼占主體結(jié)構(gòu)重量的3.33%，桁架主管與支管相貫鑄鋼186處，最多一處為12根不同方向支管相貫鑄鋼節(jié)點(diǎn)，具有單體復(fù)雜多支、尺寸大、質(zhì)量大等特點(diǎn)。

2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計

2.1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)類型信息

本工程整體造型為寶石型，空間三向桿件較多，深化設(shè)計中采用了Tekla軟件進(jìn)行建模，鑄鋼構(gòu)件信息如表1和圖3所示。

2.2 材質(zhì)選擇

表1 鑄鋼構(gòu)件信息表

鑄鋼構(gòu)件選材時考慮了結(jié)構(gòu)的荷載特性、鑄造工藝、節(jié)點(diǎn)類型等因素，選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的鑄鋼材料。本工程桁架桿件材質(zhì)為Q345B，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材料性能應(yīng)與其相當(dāng)，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌性和可焊性，綜合考慮各因素選用G20Mn5QT鋼。鑄鋼節(jié)點(diǎn)材料機(jī)械性能及物理指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度不小于500 MPa，伸長率不小于22%，屈服強(qiáng)度不小于300 MPa，其余性能應(yīng)符合規(guī)范的規(guī)定。

2.3 典型鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力分析

對鑄鋼節(jié)點(diǎn)在多種不利荷載工況下進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析，以確保鑄鋼節(jié)點(diǎn)滿足受力安全要求。限于篇幅，文中僅取P軸ZG-14A鑄鋼節(jié)點(diǎn)為分析對象，該節(jié)點(diǎn)詳細(xì)構(gòu)造尺寸如圖4所示，其由10個桿件共同交匯，構(gòu)造復(fù)雜，內(nèi)力較大。在最不利工況作用下，鑄鋼件先根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計尺寸，建立節(jié)點(diǎn)空間三維模型作為計算模型，分析典型節(jié)點(diǎn)軸測圖如圖4所示，建立桿件局部坐標(biāo)系如圖5所示，然后導(dǎo)入分析軟件ANSYS17.0中進(jìn)行加載分析。

圖3 構(gòu)件連接桿件模型

圖4 分析典型節(jié)點(diǎn)軸測圖 圖5 桿件局部坐標(biāo)系

(1)單元類型和網(wǎng)格劃分情況：采用solid單元，整體按照尺寸單元40 mm智能劃分實(shí)體單元，局部應(yīng)力集中按照尺寸單元20 mm智能劃分實(shí)體單元。

(2)加載情況及約束設(shè)置：按設(shè)計要求，分析時選取一根桿件的一個端面施加固定約束，其余端面根據(jù)整體結(jié)構(gòu)分析所得節(jié)點(diǎn)力施加荷載。利用軟件MTS計算得出各鑄鋼節(jié)點(diǎn)最不利組合工況“1.2恒載+1.4活載+0.84溫度荷載”情況下的內(nèi)力，最不利工況 ZG-14A節(jié)點(diǎn)各桿件內(nèi)力如表2所列。

表2 最不利工況ZG-14A節(jié)點(diǎn)各桿件內(nèi)力 kN

(3)根據(jù)荷載施加情況，形成如下結(jié)論：桿件E受到的壓力最大，為10 000 kN；桿件F受到的拉力最大，為2 164 kN，因此在施工中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測桿件E和F的變形。選取節(jié)點(diǎn)位移最大點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)，考察節(jié)點(diǎn)的變形具體分析最不利荷載情況下位移。

為了對比荷載作用下位移變化規(guī)律，荷載以1倍力為步長，增加至4倍，繪制荷載-位移曲線(如圖6所示)。從圖中可以看出位移在前期變化小，當(dāng)荷載變大時，引起的位移也迅速增大。

圖6 荷載作用全過程荷載-位移曲線

對節(jié)點(diǎn)ZG-14A建立空間模型，在最不利工況作用下，計算結(jié)果分別如圖7、圖8所示。由圖7可見，在最不利工況下最大應(yīng)力166.4 MPa，出現(xiàn)在E桿和G桿之間，小于其設(shè)計強(qiáng)度，故滿足強(qiáng)度要求。如圖8所示，在最不利工況下最大變形為0.784 mm，滿足剛度要求。

圖7 最不利工況應(yīng)力圖 圖8 最不利工況應(yīng)變圖

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝技術(shù)

3.1 節(jié)點(diǎn)定位

為保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝后的穩(wěn)定性，控制分支管的數(shù)量不少于4根(圖9)，根據(jù)分支選擇管徑和長度較大﹑便于定位﹑利于安裝、節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定的圓管。各控制分支管口中心連線的圖形形心與節(jié)點(diǎn)重心線重合，至少保證重心線穿過連線圖形。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)定位流程：支撐胎架安裝(圖10)、垂直度矯正→胎架頂面定位放線→鑄鋼節(jié)點(diǎn)定位支撐粗調(diào)節(jié)測量→節(jié)點(diǎn)外形尺寸復(fù)測→鑄鋼節(jié)點(diǎn)吊裝就位→鑄鋼節(jié)點(diǎn)矯正→桁架主桿件安裝、校正→次桿件安裝、校正→主次桿件焊接﹑探傷→胎架焊接點(diǎn)釋放及檢測。

圖9 鑄鋼節(jié)點(diǎn)定位 圖10 胎架安裝

3.2 節(jié)點(diǎn)安裝

依據(jù)分支管定位截面相應(yīng)最低點(diǎn)與管口間的軸向距離，標(biāo)記定位橫截面。在節(jié)點(diǎn)安裝就位前，先將節(jié)點(diǎn)通過吊車設(shè)備控制各分支標(biāo)高，進(jìn)行粗略調(diào)整。將鑄鋼節(jié)點(diǎn)吊離地面150～250 mm后，根據(jù)各定位管口位置最高點(diǎn)之間的相對高差，調(diào)整分支管口位置到對應(yīng)的高度。先對節(jié)點(diǎn)定位進(jìn)行粗調(diào)，后將節(jié)點(diǎn)吊裝到胎架上，再進(jìn)行精調(diào)，調(diào)整分支管定位橫截面與對應(yīng)定位板圓弧相切時為止。支撐胎架現(xiàn)場工況如圖11所示，鑄鋼節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場工況如圖12所示。

圖11 支撐胎架 圖12 鑄鋼節(jié)點(diǎn)

胎架支點(diǎn)通過連接板與桿件定位復(fù)測，經(jīng)全站儀測量校正后，方可繼續(xù)實(shí)施焊接。測量時應(yīng)選擇3個不同線的對接管口中心作為測點(diǎn)，3個測點(diǎn)坐標(biāo)確認(rèn)無誤后，最終支點(diǎn)的位置才固定。

4 鑄鋼結(jié)構(gòu)焊接

4.1 焊接工藝

本工程的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接過程中的難點(diǎn)：①桁架結(jié)構(gòu)不規(guī)則，桿件連接關(guān)系復(fù)雜，構(gòu)件最大跨度為119 m，高空焊接技術(shù)要求高。②鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝存在偏差，增加了施工難度。③焊接量巨大，并且結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在向上的傾斜角度，焊接作業(yè)操作空間小、難度大。

為減少焊接變形，控制安裝精度，本工程焊接主要采用CO2氣體保護(hù)焊。

(1)焊接環(huán)境確認(rèn)：焊接作業(yè)時，CO2氣體保護(hù)焊風(fēng)速不大于2 m/s，手工電弧焊不超過8 m/s。

(2)焊前預(yù)熱：為了有效防止焊接延遲裂紋的產(chǎn)生，采取降低焊接熱影響區(qū)冷卻速度的方法，對鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管焊接前進(jìn)行加熱，加熱火焰焰心距焊縫兩側(cè)約10 cm處且需不時的繞管，避免預(yù)熱不均勻局部溫度過高而造成鑄鋼件的損傷。預(yù)熱時進(jìn)行溫度測試，溫度測點(diǎn)選在距離坡口8～10 cm處，采用紅外線溫度測試儀測試。

(3)焊接過程控制操作要點(diǎn)：①焊接過程采用多層分層焊接，第1道用手工電弧焊打底，直流反接，打底焊條選用E5016。②填充中間層和面層采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲選用E501T-1，焊絲型號E501T-1，規(guī)格?1.2 mm，每道焊層不宜大于6 mm，且各焊道接頭應(yīng)錯開50 mm。③焊接過程應(yīng)連續(xù)，至少應(yīng)焊滿坡口深度1/2以上，同時還應(yīng)控制道間溫度<230 ℃。焊接工藝參數(shù)如表3所列。

(4)焊接結(jié)束后防護(hù)措施：焊接后應(yīng)根據(jù)溫度情況進(jìn)行熱保溫處理，后熱溫度控制在200～250 ℃，適當(dāng)提高焊接區(qū)域附近的溫度，熱保溫應(yīng)在焊縫兩側(cè)約100 mm處進(jìn)行均勻加熱。

表3 焊接工藝參數(shù)

4.2 焊接質(zhì)量控制措施

(1)焊接順序：為保證焊接應(yīng)力釋放自由，減弱焊接約束，焊接從中間部位向四周，從下向上。

(2)對稱施焊時，先施焊粗桿，再施焊細(xì)桿。

(3)每根管對接后分成兩個半圓形，均以仰焊部位起弧，以平焊部位進(jìn)行收弧。按仰焊→仰爬焊→立焊→立平焊→平焊順序施焊。

(4)焊接前檢查拼裝質(zhì)量﹑定位焊接質(zhì)量，符合要求后施焊。

(5)焊接采用多層多道焊接時，每完成一焊道焊接后需及時清理焊渣、表面飛濺物，方可繼續(xù)施焊。

(6)無損檢測確定焊縫缺陷超標(biāo)時，立即進(jìn)行返修。根據(jù)檢測確定的缺陷位置﹑深度等情況，用砂輪打磨、刨除缺陷，返修部位重新連續(xù)焊成。

5 結(jié)束語

本工程工期緊張、焊接難度大、單件造型復(fù)雜、焊接質(zhì)量要求高。采用有限元分析方法，根據(jù)實(shí)際工程從鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計、鑄造、安裝過程中研究了異性鑄鋼節(jié)點(diǎn)的施工技術(shù)，針對工程實(shí)際特點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)控制措施，確保了鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝滿足設(shè)計要求。對類似工程在鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作、焊接操作、變形控制、焊接質(zhì)量控制方面具有一定的參考意義。