機(jī)庫(kù)預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架拼裝焊接施工技術(shù)

王曉麗，李 昭

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著建筑科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，其焊接變形的控制是施工中的重中之重，需重點(diǎn)改善焊接過(guò)程中的應(yīng)力集中和焊接變形。鋼結(jié)構(gòu)在高溫時(shí)受熱膨脹,產(chǎn)生塑性變形,冷卻時(shí),開(kāi)始收縮,但受周圍金屬阻撓,無(wú)法進(jìn)行完全的自由收縮,因而產(chǎn)生焊接變形。焊接變形主要有縱橫向收縮變形、撓曲變形、波浪變形等。本文通過(guò)分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接變形的類型和原因，闡述預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架拼裝焊接施工技術(shù)及焊接應(yīng)力消減技術(shù)。

1 工程概況

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)國(guó)航基地工程101號(hào)維修機(jī)庫(kù)屋蓋為3層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由上弦、中弦、下弦、上腹桿和下腹桿組成四角錐體空間結(jié)構(gòu)。機(jī)庫(kù)大廳屋面網(wǎng)架平面尺寸為146m×90m，主要網(wǎng)格尺寸為6m×6m，節(jié)點(diǎn)為焊接空心球節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架下弦球心標(biāo)高為25.500m，機(jī)庫(kù)大門下弦球心標(biāo)高為22.000m，大門凈高21m，入口處設(shè)有跨度為146m的門頭預(yù)應(yīng)力鋼桁架，鋼桁架下弦鋼管中心標(biāo)高為22.000m，內(nèi)配由69根高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絞線組成的預(yù)應(yīng)力束，如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架模型(單位：m)

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 網(wǎng)架拼裝原則

網(wǎng)架跨度較大，節(jié)點(diǎn)為焊接空心球節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)多面廣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需測(cè)量定位，單元格安裝精度控制難。順序焊接易導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而引起網(wǎng)架變形，網(wǎng)架焊接完成后累積變形可能超出規(guī)范規(guī)定。針對(duì)網(wǎng)架設(shè)計(jì)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定焊接總體原則：統(tǒng)一對(duì)稱、分塊進(jìn)行、自內(nèi)而外、隔塊焊接、單桿雙焊、雙桿單焊。為防止焊接對(duì)網(wǎng)架幾何尺寸和撓度產(chǎn)生影響，采用先下弦后上弦、從中間往四周擴(kuò)散的順序進(jìn)行焊接，如圖2所示。焊接與拼裝速度應(yīng)基本協(xié)調(diào)一致。

圖2 網(wǎng)架總體拼裝順序

首先選網(wǎng)架中心點(diǎn)，然后網(wǎng)架左、右分區(qū)對(duì)稱拼裝點(diǎn)焊固定，短跨方向?qū)ΨQ焊接，高度方向從下到上焊接。待分區(qū)分別焊接完成后，區(qū)與區(qū)之間再對(duì)稱滿焊。由于一端可自由收縮，可調(diào)整累積誤差和釋放焊接收縮應(yīng)力，既能保證網(wǎng)架尺寸，又可使焊接應(yīng)力最小。

2.2 網(wǎng)架焊接分區(qū)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為環(huán)形固定焊接，焊接過(guò)程中需進(jìn)行仰焊、立焊、平焊等，焊條角度變化大，且存在高空焊接，操作困難。熔化金屬在仰焊位置時(shí)有豎向墜落趨勢(shì)，易產(chǎn)生焊瘤，而在立焊及平焊位置時(shí)則有向鋼管內(nèi)部滴落的傾向，因而有熔深不均及外觀不整齊現(xiàn)象。焊接根部時(shí)，仰焊及平焊部位焊縫接頭較難操作，通常仰焊接頭處易產(chǎn)生內(nèi)凹，平焊接頭處的根部易未焊透和產(chǎn)生焊瘤。

網(wǎng)架面積大，焊縫冷卻收縮造成焊接應(yīng)力分散不均勻，勢(shì)必會(huì)造成焊接應(yīng)力集中，局部產(chǎn)生變形，影響安裝精度。

將屋面網(wǎng)架平均分為A～H 8個(gè)小區(qū)，門頭預(yù)應(yīng)力桁架為1個(gè)區(qū)，即J區(qū)(見(jiàn)圖3)，區(qū)內(nèi)再次進(jìn)行從中間向四周擴(kuò)散的網(wǎng)架焊接。

圖3 網(wǎng)架焊接分區(qū)

2.3 區(qū)間焊接順序

以統(tǒng)一對(duì)稱、分塊進(jìn)行、自內(nèi)而外為原則。按A+B，C+D，E+F，G+H，J 區(qū)域5個(gè)大區(qū)域，由2個(gè)平行焊接班組從中間向兩側(cè)進(jìn)行焊接施工。

1)A，B區(qū)同時(shí)平行焊接，區(qū)內(nèi)焊接完成后，將A，B區(qū)桿件與球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊固定連接。

2)C，D區(qū)同時(shí)拼裝焊接，區(qū)內(nèi)焊接完成后分別與A，B區(qū)桿件及球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊固定連接。

3)依次循環(huán)將E，F(xiàn)，G，H區(qū)拼裝焊接完成。

4)對(duì)稱將A～H區(qū)原點(diǎn)焊部位進(jìn)行滿焊施工，即將屋面網(wǎng)架連接成整體。

5)將J區(qū)門頭預(yù)應(yīng)力桁架從中心向兩端拼裝焊接，最后將J區(qū)與屋面網(wǎng)架補(bǔ)桿連接。

2.4 區(qū)內(nèi)焊接順序

從中間向四周擴(kuò)散進(jìn)行拼裝，遵循小拼→中拼→大拼的原則。

按下弦鋼球→下弦桿→上弦鋼球→斜腹桿→上弦桿順序先拼裝成小立體單元，再向兩邊對(duì)稱拼裝。

拼裝順序?yàn)锳(下弦球和桿)→B(上弦球和4根腹桿)→C(上弦桿)，施焊順序?yàn)橄孪覘U焊縫1→上弦桿焊縫2→腹桿與下弦球焊縫3(見(jiàn)圖4)。

圖4 焊接順序

成型焊縫焊接順序?yàn)椋好總€(gè)節(jié)點(diǎn)的焊接順序?yàn)橄认覘U后腹桿，球節(jié)點(diǎn)上的焊縫第1遍打底焊焊接完后，進(jìn)行各焊縫的成型焊接，以防止焊接應(yīng)力集中導(dǎo)致網(wǎng)架變形。

2.5 桁架與網(wǎng)架拼裝焊接順序

預(yù)應(yīng)力桁架與屋面網(wǎng)架在高空散拼，難以保證安裝精度。受力狀態(tài)下補(bǔ)桿件，存在受力不均勻、應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，需合理安排補(bǔ)桿順序。

1)將桁架分為A～G 7個(gè)區(qū)域，吊點(diǎn)受力外的區(qū)域優(yōu)先補(bǔ)桿，即受力薄弱區(qū)域優(yōu)先補(bǔ)桿件，如圖5所示。

圖5 補(bǔ)桿區(qū)域劃分

2)分段補(bǔ)桿件，受力薄弱區(qū)域再次劃分受力等級(jí)，按受力等級(jí)由弱至強(qiáng)補(bǔ)桿件。

3)采取對(duì)稱焊接、分段跳焊、主要構(gòu)件先焊接、次要構(gòu)件后焊接的原則。焊接過(guò)程中采用錯(cuò)開(kāi)補(bǔ)桿焊接，如F區(qū)的焊接順序?yàn)?段→3段→2段→4段。

2.6 典型節(jié)點(diǎn)焊接方法

典型節(jié)點(diǎn)采用單桿雙焊、雙桿單焊的焊接方法(見(jiàn)圖6)，先焊接下弦桿，再焊接上弦桿，最后焊接腹桿。

圖6 典型節(jié)點(diǎn)焊接示意

1)雙桿單焊 2根圓管桿件與1個(gè)焊接球焊接，采用兩人對(duì)稱焊，要求焊接速度一致，焊接電流、電壓一致。

2)單桿雙焊 1根圓管桿件與2個(gè)焊接球焊接，先焊接一端，待焊縫溫度冷卻至常溫方可焊接另一端。

3 焊接質(zhì)量控制重難點(diǎn)及措施

3.1 分區(qū)合攏焊縫焊接措施

1)為確保網(wǎng)架尺寸精度，減少焊接變形和焊接收縮應(yīng)力，施焊順序?yàn)橛芍虚g向兩端、先下后上。

2)由于一端可自由收縮，可調(diào)整累積誤差和釋放焊接收縮應(yīng)力，既能保證網(wǎng)架尺寸，又可使焊接應(yīng)力最??；其分區(qū)焊縫焊接順序?yàn)椋汉缚p1→焊縫2→焊縫3 →焊縫4 →焊縫5，如圖7所示。

圖7 合攏焊縫焊接示意

3)成型焊縫焊接順序 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的焊接順序?yàn)橄认覘U后腹桿，球節(jié)點(diǎn)上的焊縫第1遍打底焊焊接完后，進(jìn)行各焊縫的成型焊接，以防止焊接應(yīng)力集中導(dǎo)致網(wǎng)架變形。不允許在同一條焊縫中一半成型后再對(duì)另一半打底焊。

4)單條焊縫焊接順序 環(huán)形焊縫是依據(jù)鋼管的垂直中心將環(huán)形焊口分成對(duì)稱的兩個(gè)半圓形焊口，采取仰焊→立焊→平焊的焊接順序。

3.2 焊接殘余應(yīng)力消減措施

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工方法，地面拼裝和合縫安裝主要通過(guò)焊接工藝和施焊順序控制焊接殘余應(yīng)力，并對(duì)合攏縫安裝補(bǔ)桿、支撐點(diǎn)補(bǔ)桿的最后施焊焊縫進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)計(jì)值的40%時(shí)，采用超聲波沖擊對(duì)合攏縫處桿件進(jìn)行殘余應(yīng)力消減。

鋼管與支座的全熔透焊縫，層間采用錘擊工藝消減殘余應(yīng)力。

1)錘擊工藝 焊接完成后采用小錘敲擊焊縫消減應(yīng)力，敲擊時(shí)間應(yīng)在焊熱結(jié)束但溫度降至預(yù)熱溫度之前進(jìn)行，要求錘的高度≤3cm，約100次/min，錘擊密度15～20次/cm2，錘擊時(shí)保持焊件溫度不低于預(yù)熱溫度。

2)超聲波沖擊工藝 超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消減應(yīng)力的效果，對(duì)焊縫全覆蓋沖擊時(shí)，被沖擊的表面會(huì)形成壓應(yīng)力，對(duì)焊縫表面下2～4mm的消減應(yīng)力效果可達(dá)34%～55%。

4 結(jié)語(yǔ)

目前各大機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的大跨度機(jī)庫(kù)越來(lái)越多，一些單跨>140m的邊桁架設(shè)計(jì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，網(wǎng)架拼裝焊接方法在成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)國(guó)航基地工程101號(hào)維修機(jī)庫(kù)的應(yīng)用，證明該施工技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中改善焊接應(yīng)力的效果顯著。