波浪形鋼桁架復(fù)雜節(jié)點焊接施工及質(zhì)量控制技術(shù)

潘峰潭

（中鐵建設(shè)集團南方工程有限公司 廣州 514400）

0 引言

伴隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在高鐵站房的建造中發(fā)揮的作用也變得日益突出，因此，出現(xiàn)了大量造型新穎、大跨度、大懸挑、大體量的站房大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)屋蓋［1］，這也加大了鋼結(jié)構(gòu)制造、施工的難度，進一步對鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的結(jié)構(gòu)安全、過程控制、施工質(zhì)量與精度提出了更高的要求［2-3］。廈門某新建火車站站房工程在工期緊張的背景下，存在大量鋼結(jié)構(gòu)焊接工作，并且鋼節(jié)點連接形式復(fù)雜，這對于項目部而言是個不小的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合該項目鋼結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗，將從鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工現(xiàn)場焊接特點，闡述鋼桁架屋蓋與支撐柱連接的復(fù)雜節(jié)點焊接工藝，總結(jié)出針對該項節(jié)點的專項施工工法，以便供類似工程借鑒使用。

1 工程概況

廈門某新建火車站站房工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要包含下部支撐鋼柱、夾層鋼框架及頂部屋蓋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。高架夾層上方為鋼屋蓋，屋蓋主要采用管桁架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)最大高度55.50 m。主站房屋蓋下部支撐鋼柱主要為勁性十字鋼骨柱及焊接箱型鋼柱，十字勁性柱起于基礎(chǔ)（-10.200 m），截面尺寸為2 000×1 600×600×40，在標(biāo)高為+8.850 m 轉(zhuǎn)為5 根箱型構(gòu)成的組合柱，組合柱分為四角鋼柱和中部鋼柱，柱間設(shè)有鋼板及連系桿。組合柱截面在14.350～16.350 m 范圍內(nèi)由小變大，四角柱截面尺寸由500×650×60×60 擴大 為700×900×60×60。開 花 柱 的 四 角 鋼 柱 分 別 在18.333 m、21.616 m 及23.025 m 標(biāo)高處分叉，與中部鋼柱一起延伸至屋蓋底部，通過鑄鋼件與屋蓋桁架連接。

圖1 站房鋼桁架屋蓋三維圖Fig.1 3D Drawing of the Steel Truss Roof of the Station Building

2 施工重難點

主站房鋼屋蓋桁架支承與6根大截面十字鋼骨柱轉(zhuǎn)組合開花柱之上，如圖2所示，連接節(jié)點涉及多種不同規(guī)格桿件及箱型體，且鋼材種類包含Q355B、Q390B、Q420B 及G20Mn5QT 鑄鋼件等，需運用多種焊接方式進行施焊作業(yè)。連接節(jié)點復(fù)雜繁密，且需進行高空作業(yè)，操作空間狹隘有限，對施焊人員專業(yè)水平要求極高，需確保焊接質(zhì)量。

3 焊接工藝及質(zhì)量控制

3.1 鑄鋼件焊接工藝

在該項目的焊接過程中，開口柱鑄鋼與網(wǎng)格狀鋼管的焊接是關(guān)鍵的控制目標(biāo)，其包括異種鋼材的焊接和厚板的焊接。具體方案如下：

⑴焊接順序采用雙人對稱同時進行焊接。

⑵采用E5016 型焊條，并采用直徑為?3.2 的焊條進行打底。

⑶預(yù)熱溫度設(shè)定在100～150 ℃之間，而層與層之間的溫度則設(shè)定在120～200 ℃之間。

⑷焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示。

表1 鑄鋼件焊接參數(shù)Tab.1 Welding Parameters of Steel Castings

⑸焊接工藝

需對鑄鋼件進行了低氫焊接，并進行了氣體保護焊接。先采用低強度焊條在坡口內(nèi)母材表面上先堆焊塑性過渡層，減小母材區(qū)影響區(qū)的應(yīng)變，防止母材發(fā)生裂變，然后采用多層多道焊，并控制層間溫度不低于預(yù)熱溫度，但不宜超過150 ℃，焊絲伸出長度控制在20 mm 左右，保護氣體流量為20～25 L/ min。焊條打底焊使用不大于?3.2 mm 的焊條，根部焊道厚度不超過6 mm。焊縫構(gòu)成由坡口面到中間。

⑹焊接防風(fēng)防雨棚設(shè)置

為保證焊接質(zhì)量，項目部采取專門防雨措施：在焊接區(qū)上方做一個防雨棚，圍繞管子最上部四周采用防水材料堵住，避免雨水接觸到焊接節(jié)點。

3.2 其他部件焊接工藝

開花柱其他部件與鋼屋蓋的焊接對于鑄鋼件的焊接而言較為常規(guī)，其焊接工藝如下：

3.2.1 焊接準(zhǔn)備

在進行焊接施工前，需要遵守一系列的注意事項和安全措施。首先，焊工必須持有焊接操作證和焊工考試合格證，以確保他們具備必要的技能和知識［4］。其次，在焊接區(qū)域進行施工之前，必須獲得有效范圍內(nèi)的動火證，以確保焊接區(qū)域符合安全標(biāo)準(zhǔn)。為了保障施工安全，需要準(zhǔn)備安全防火用品，如生命線和吊籃。當(dāng)風(fēng)速超過2 m/s 時，必須準(zhǔn)備焊接防風(fēng)、防雨棚，并且這些棚子必須采用防火材料。在高空焊接時，需要準(zhǔn)備焊接施工作業(yè)接火斗，以確保焊接區(qū)域的安全。在施工前，應(yīng)收集天氣預(yù)報情況，以判斷是否需要進行焊前預(yù)熱。此外，還要確定焊接施工看火人，并確保責(zé)任落實到人。在施工過程中，焊機和氣瓶必須安裝遮陽、防護籠等設(shè)施，防止安全事故發(fā)生。最后，進行焊接之前，需按要求配置焊機，確保一機一箱，檢查電纜并正確接地［5］。遵守這些措施和注意事項可以確保焊接施工的安全進行。

3.2.2 構(gòu)件組對

在進行組對構(gòu)件的施工前，有以下幾個要點需要注意，以確保符合設(shè)計要求并保證焊接質(zhì)量：①組對構(gòu)件及組對構(gòu)件錯邊應(yīng)符合設(shè)計要求，不超過0.1 倍板厚和2.0 mm。這意味著在組對構(gòu)件時，構(gòu)件之間的錯邊應(yīng)該在規(guī)定范圍內(nèi)，取決于板厚的0.1倍和2.0 mm中的較大值。②在進行組對之前，加墊板的全熔透焊縫應(yīng)加上墊板，并且墊板的厚度不應(yīng)小于4 mm，并且墊板應(yīng)該連續(xù)設(shè)置。這樣可以確保焊接縫的質(zhì)量和強度。在組對之前，還需要對焊縫坡口上的浮銹、膠帶等進行清除。清除這些雜質(zhì)可以確保焊接過程中的質(zhì)量和可靠性。③組對構(gòu)件的坡口尺寸、鈍邊尺寸和底部縫隙尺寸應(yīng)符合規(guī)范和設(shè)計要求［6］。這些尺寸的準(zhǔn)確性對于焊接的強度和質(zhì)量至關(guān)重要，因此必須符合相應(yīng)的規(guī)范和設(shè)計要求。

3.2.3 坡口清理

在進行定位焊和正式焊接之前，還需要進行焊縫表面的清理工作。這可以通過使用砂輪、鋼絲刷等工具來清理焊縫表面的浮銹和其他雜質(zhì)。清理的范圍應(yīng)包括焊縫坡口及坡口外沿，其清理寬度不應(yīng)少于20 mm。

3.2.4 定位焊接

定位焊所使用的焊條等焊材應(yīng)按要求進行烘干和保溫處理，這是為了確保焊材的質(zhì)量，避免潮濕或受到其他污染物的影響，從而影響焊接的質(zhì)量。定位焊縫的厚度不應(yīng)小于3 mm，長度不應(yīng)小于40 mm，并且焊縫之間的間距應(yīng)在300～600 mm 之間，以確保焊接的強度和連接的可靠性［7］。對于有墊板的焊縫，定位焊應(yīng)在接頭破口內(nèi)進行。這樣可以確保焊接的質(zhì)量和連接的強度，避免因焊接位置不當(dāng)而產(chǎn)生問題。在定位焊之前，預(yù)熱溫度應(yīng)高于正式施焊的預(yù)熱溫度20～50 ℃。通過提高預(yù)熱溫度，可以改善焊接材料的可塑性和焊接接頭的質(zhì)量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。此外，如果定位焊焊縫存在裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，應(yīng)完全清理，這是為了確保焊接的質(zhì)量和強度，避免缺陷擴大或影響焊接接頭的性能。

3.2.5 正式焊接

在進行焊接工作時，需要注意以下幾點，以確保焊接的質(zhì)量和安全性：①每一道焊縫的寬深比不應(yīng)小于1.1，寬深比是指焊縫的寬度與深度之間的比值，保持適當(dāng)?shù)膶捝畋瓤梢蕴岣吆缚p的強度和質(zhì)量；②對于氣體保護焊和藥芯自保護焊，焊根部的焊道最大厚度不應(yīng)超過12 mm，填充焊道的最大厚度不應(yīng)超過6 mm?？刂坪傅赖淖畲蠛穸瓤梢源_保焊接的質(zhì)量和一致性。在進行多層焊接時，每一焊道焊接完成后應(yīng)及時清理焊渣和表面飛濺物。清理焊渣和飛濺物可以防止其對下一層焊接的影響，確保焊接質(zhì)量和外觀。

在焊接過程中，要注意最低道間溫度不低于預(yù)熱溫度，并且不超過250 ℃?？刂频篱g溫度的范圍可以避免焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接接頭的質(zhì)量和性能。最后，不得在焊縫區(qū)域外的母材上引弧和熄弧。焊接的焊弧應(yīng)嚴格限制在焊縫區(qū)域內(nèi)進行，避免對母材造成不必要的影響或損害。

3.2.6 焊接打磨

在焊接施工完成后，需要對焊縫進行檢查，特別是對存在焊瘤等表觀缺陷的焊縫進行處理。焊瘤是焊接過程中形成的凸起部分，可能會對焊接接頭的外觀和性能產(chǎn)生負面影響。為了修復(fù)焊瘤和改善焊接接頭的外觀，需要進行焊縫打磨工作。焊縫打磨是使用砂輪、砂紙或其他合適的工具，對焊縫表面進行磨削和拋光的過程。通過打磨，可以去除焊瘤及其他不平整的部分，使焊縫表面光滑均勻。在進行焊縫打磨時，需要注意選擇合適的打磨工具和磨削方式，以避免對焊接接頭造成額外的損傷。同時，也要注意控制打磨的力度和速度，以避免過度磨削導(dǎo)致焊縫的減弱或破壞。

3.2.7 焊縫檢測、返修和焊件矯正

在焊接工作中，需要對焊縫的表觀質(zhì)量進行檢測，以確保其符合規(guī)范和設(shè)計要求。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，采取儀器測量或觀察的方式來評估焊縫的表觀質(zhì)量。這意味著可以使用合適的儀器進行測量，或通過目視觀察來判斷焊縫的質(zhì)量。此外，還可對焊縫進行相應(yīng)比例的UT監(jiān)測［8］，以確保焊縫的質(zhì)量符合要求。

當(dāng)焊縫不合格時，應(yīng)對焊縫進行返修。返修時，可采用砂輪打磨或碳弧氣刨等方法進行處理，以修復(fù)焊接缺陷。為了保證返修焊接的質(zhì)量，預(yù)熱溫度應(yīng)比相同條件下的預(yù)熱溫度提高30～50 ℃，并使用低氫焊接材料。在返修焊接中斷時，需要采取后熱和保溫措施，以確保焊接接頭的完整性和性能。

當(dāng)焊件在焊接過程中出現(xiàn)變形或偏差時，應(yīng)當(dāng)對焊件進行加熱矯正。在加熱矯正過程中，需要注意鋼材的不同性質(zhì)［9］，對于調(diào)質(zhì)鋼，矯正溫度不能超過其最高回火溫度。而對于其他鋼材，矯正溫度應(yīng)該不超過最小值，即800 ℃或鋼廠推薦溫度。完成矯正后，應(yīng)該采用自然冷卻的方式。

3.2.8 焊接節(jié)點涂裝

在進行焊縫節(jié)點涂裝之前，必須進行表面處理，以確保良好的涂裝效果［10］。這可以通過使用砂輪等工具對節(jié)點表面進行處理來實現(xiàn)，并要求表面粗糙度達到St3級的標(biāo)準(zhǔn)。這樣做可以有效去除焊接產(chǎn)生的氧化物、污垢和其他雜質(zhì)，使涂料能夠更好地附著在節(jié)點表面上。

涂裝過程中，應(yīng)按照涂裝技術(shù)要求的順序逐層進行修補。通常，先涂底漆，底漆的作用是提供附著力和防腐保護，為后續(xù)涂層提供良好的基礎(chǔ)。接下來是中間漆，它可以提供顏色、美觀度和附著力。如果需要防火保護，防火涂料應(yīng)該是下一層，以確保焊縫節(jié)點在火災(zāi)等意外情況下具備一定的耐火性能。最后是面漆，它提供最終的裝飾和保護，使節(jié)點表面具有理想的外觀和耐候性能。

在進行涂裝施工時，必須滿足施工環(huán)境的要求。這意味著施工場所應(yīng)具備良好的通風(fēng)條件，以確保涂料的揮發(fā)物能夠及時排出，避免對施工人員的健康造成影響。此外，還應(yīng)采取必要的措施，例如使用防護措施和設(shè)備，避免環(huán)境污染的發(fā)生，確保涂裝作業(yè)的質(zhì)量和安全性。

3.3 焊接質(zhì)量控制

在進行焊接施工前，需要搭設(shè)防護棚，以確保施工區(qū)域的安全和環(huán)境的良好狀態(tài)。

在焊接過程中，使用帶有藥芯的焊絲，并結(jié)合高流量的CO2氣體進行焊接保護。這種方法可以增加CO2保護氣柱的堅固程度，提高焊接區(qū)域的抗風(fēng)能力，并形成對焊接熔池的渣-氣聯(lián)合保護。在進行焊接之前，必須先清理焊口，去除焊口表面的水、氧化皮、銹和油污等雜質(zhì)，以確保焊接質(zhì)量和強度。為了確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定和可靠性，必須嚴格按照焊接工藝評定所得的參數(shù)進行操作。在焊接過程中，需要仔細控制層間溫度，以避免過熱或過冷導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。徹底清除不同焊道之間的熔渣是必不可少的步驟，以確保焊縫的質(zhì)量和完整性。對于分次完成的焊縫，在進行再次焊接之前應(yīng)進行預(yù)熱處理，以提高焊接質(zhì)量和連接的強度。采取合理的焊接順序至關(guān)重要，例如，可以采用兩人、三人或四人對稱焊的方式，以確保焊接過程的平衡性和均勻性。

在焊接完成后，需要進行后熱處理，以消除殘余應(yīng)力，并提高焊縫的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。

4 結(jié)語

廈門某新建高鐵站主站房鋼桁架屋面主要支撐節(jié)點開花柱與屋蓋鋼桁架連接處焊縫經(jīng)三方檢測機構(gòu)無損檢測，判定檢測結(jié)果均復(fù)合規(guī)范要求，鋼桁架屋面提升卸載后，結(jié)構(gòu)撓度及構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果平緩穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)處于健康可控狀態(tài)。復(fù)雜節(jié)點焊接作業(yè)的高效率高質(zhì)量完成，完美符合設(shè)計初衷，確保候車層實現(xiàn)大跨度空間自由，在保證功能性的同時，具備較高的視覺沖擊效果，為打造精品車站提供有力技術(shù)保障。