厦门西站房A型塔柱钢结构超长竖向焊缝施工的质量控制

　　摘要：厦门西站房A型塔柱钢结构工程，钢柱截面大，钢板较厚，分节后单条焊缝长度大，最大单条焊缝长度为9.5m，且焊接位置全部为竖向立焊缝，焊接难度较大。为了确保焊接质量，本文重点介绍超长焊缝的施工难点、焊接前的准备工作、焊接过程中的质量控制措施及其注意事项等问题。
　　关键词：钢结构,超长焊缝,施工难点,质量控制
　　1工程概况
　　1.1工程总体概况
　　新建的厦门西火车站是国家“四纵四横”铁路客运专线——沿海快速铁路通道上的一个重要客运站，是福厦、厦深、龙厦、鹰厦4条铁路线交汇点，共设6站台12股道，建成后将成为福建省最大的铁路客站。
　　工程总建筑面积162409m2，其中站房109028m2，站台雨棚面积为53381m2。为高架候车与线下出站式布局，旅客流线采取“上进下出”的形式，将车站分为出站层、站台层、高架层三个层面，建筑总高度达66.78m。站房高架候车厅跨度132m、长度220m，候车厅无柱，是国内数座站桥合建的线上式站房之一，其施工技术难度大、科技含量高，是目前国内跨度最大的铁路站房。
　　
　　
　　              
　　
　　　　
　　                                                                                     站房整体效果图
　　
　　1.2A型塔柱概况
　　站房屋盖设计采用“大跨度空间钢桁架+双向正交钢管桁架”结构，沿平行于铁轨方向的C、E、F、H轴设置四榀大跨度空间钢桁架，钢桁架支撑在两端的劲性混凝土A型塔柱上。
　　16根A型塔柱底部为分肢部分，采用双柱，互成角度，倾斜角度分别为87°和83°，钢骨柱断面尺寸为H1500mm*1000mm*35mm*35mm,到上部两侧钢骨通过中间连接板将塔柱合二为一，合肢部分塔柱最大截面达7550mm*1800mm，柱顶最高点标高为57m，钢柱分节重量大，最重为19.5t。下图一为塔柱立面及合肢部分剖面图。
　　
　　
　　
　　                                        
　　
　　　　　2施工难点
　　本工程A型塔柱钢柱截面大，钢板较厚，合肢后的钢柱与管桁架预应力管道、钢桁架埋件、预埋电管、水管等交错相接，节点非常复杂。若按照整体合肢部分进行分段分节，分节后的单节重量远远超出了现场吊装设备的最大起重能力，同时分节后的断面尺寸大大超过了运输车辆的尺寸，给施工及运输带来了极大困难。由于合肢部分外露牛腿全部为支撑中间大跨度桁架节点，设计要求钢柱无法减小分节。为了减少单节钢柱重量且满足现场安装及运输要求，特将钢柱合肢部分分成两边H型钢柱及中间竖长腹板三块分段吊装，上部进行合肢焊接。安装时先将两侧H型钢柱吊装、测量校正、部分焊接，然后再进行两根H型钢柱中间竖长腹板部分的拼装，校正后再进行焊接。由于钢柱分体后腹板与两侧H型钢柱的焊接，造成单条竖向焊缝长度大，且焊接位置全部为立焊缝，最大单条焊缝长度为9.5m，钢板厚度为35mm，竖长焊缝总长度696m，金属填充量约3.5t，现场焊接量大、焊接变形很难控制（下图二为一塔柱合肢部分分段截面标高及现场施工人员正在进行中间竖长腹板的安装图示）。
　　
　　                                   
　　                                                                                        　　图二
　　3焊接前的准备工作
　　为了保证A型塔柱合肢部分竖向连接腹板超长焊缝的质量，需提前建立焊接质量控制措施，配备焊接人员，做好焊接的前期准备工作。
　　3.1明确目标，制定超长焊缝的质量控制措施；
　　3.2人员配备
　　为确保焊接质量，参与中间腹板竖向焊缝焊接的人员，须100%持证上岗，并通过现场举行的焊工附加考试。同时应挑选操作水平高、质量和安全意识强的优秀焊工；焊接过程控制由项目部钢结构工程管理部及专业焊接技术人员进行全程监控，针对焊缝长度和工作量，具体安排作业人数及投入的焊接设备数量。
　　3.3焊接参数的选择
　　为了保证焊接质量，焊接前应对超长焊缝进行专项焊接工艺评定，以确定合理的焊接电流、电压、二氧化碳气体流量、焊接时的运条方法以及焊接层数及道数等等。本工程焊缝焊接全部采用CO2气体保护焊，选用锦泰JM-56焊丝                        
　　3.4焊接防护措施
　　由于16根A型塔柱焊接工作量巨大，焊接时间长，必须提前做好天气情况的收集整理工作和制定出相应预防措施。焊接前搭设全封闭的安全操作平台和防风、防雨棚，以保证焊接过程中不受气候条件和外界因素影响。焊接安全操作平台使用钢管及脚手板搭设，如下图三所示。
　　                                  
　　                                                                                            图三
　　4焊接工艺措施
　　4.1中间的竖向大腹板在与左、右侧钢柱焊接前，首先应按图纸要求组装至左、右侧钢柱腹板规定的中间位置，并采用定位焊焊接牢固；而后按图纸要求装配左右侧钢柱间横向加劲板，并用定位焊焊接牢固。定位焊时，应适当加大焊接电流10～20%，定位焊缝长度均应大于40mm，收弧时务必要填满弧坑，定位焊缝的间距为500～600mm，定位焊焊缝如有发现气孔或裂纹时，必须清除后重焊，构件形式如图四所示。
　　4.2在完成左、右侧钢柱焊接后，进行左右侧钢柱间横向加劲板的焊接，按图四中○1～○8的先后顺序进行焊接(正面与背立面的横向加劲板的焊接相同)。每一加劲板与左、右侧钢柱翼缘板两侧的两条焊缝的焊接，应由两名焊工同时、同步、同规范进行焊接，焊接方向为由下向上。背立面横向加劲板，在正面横向加劲板焊接时，也应同时进行焊接，且要求与正面焊接工艺方法相同。
　　4.3正面与背立面横向加劲板焊接完毕后，再进行中间竖向大腹板的焊接。中间竖向大腹板的焊接，先进行腹板的对接焊缝的焊接。可将此焊缝分为两段进行焊接，从中间向两端对称进行焊接，见图五中节点□B示意。焊道布置参考图五中(a)所示。
　　4.4完成中间竖向大腹板对接焊缝的焊接后，再进行中间腹板与左右两侧钢柱腹板的T形对接与角接组合焊缝的焊接。由于焊缝较长，可按1.2～1.5m将左右侧焊缝分为6～8段，而后分层分段退焊进行焊接，即在上一等份的下部开始起焊，往上焊接，之后再由下一等份的下部开始往上焊接，以相同的方法将整条焊缝施工完成。焊接过程中应保证同一分段内的竖向大腹板与左右侧钢柱的腹板的焊接同时、同步、同规范参数进行焊接。焊道布置参考图五中(b)所示，焊脚尺寸K控制在9mm左右。
　　
　　                           
　　
　　　　
　　图四
　　
　　      
　　　　                 　　4.5为减小由于中间竖向大腹板与左右两侧钢柱腹板的T形对接与角接组合焊缝焊接产生的角变形，在中间腹板T形焊缝焊接前，按间距1m左右设置临时支撑，具体见图六所示。待T形焊缝焊接完毕后，对加设的临时支撑进行割除，并对加设支撑位置打磨平整，必要时应补焊后再打磨平整。
　　                       
　　　                                           　图六
　　5焊接过程中的质量控制
　　5.1防止焊接变形应力的措施
　　5.1.1采取必要的防止焊接变形的措施：如焊接前先焊接两侧钢柱中间的连接板及加焊临时支撑板等；
　　5.1.2采用分层、分道退焊的方法进行施焊；
　　5.1.3分区域多机对称焊接。在对称位置的两名焊工，应尽量保持同时、同速施焊，并选择相同的焊
　　接电流参数及每层的焊接厚度，保证相同的焊接热输入，使焊接收缩趋于同步。
　　5.2防止冷裂纹及层状撕裂的措施
　　5.2.1针对长焊缝特点采取分段分层退焊焊接，匀速焊接，并保持连续施焊，使焊接应力分散，有效的减小峰值应力，减少焊接冷裂纹及层状撕裂的产生。并且两条长焊缝采取完全对称、同时焊接的措施；
　　5.2.2选用优秀焊工，减少因焊接质量问题造成的焊缝缺陷及碳弧气刨的使用。对部分焊接缺陷确需使用碳弧气刨的，其使用后应采用角向磨光机磨去刨削部位表面附着的高碳晶粒，避免焊缝裂纹的产生；
　　5.2.3控制坡口尺寸和焊缝截面积，防止过量熔敷金属导致收缩和应力增大。尽量控制焊缝表面的余高，并使之平缓过渡，以减少焊趾部位的应力集中；
　　5.2.4使用高纯度的二氧化碳气体进行焊接，即其二氧化碳含量（V/V）不得低于99.9％，水蒸气与乙醇总含量(m/m)不得高于0.005％，并不得检出液态水；
　　5.2.5焊接前在焊道两侧各100mm范围内均匀进行预热，预热温度的测量在距焊道50mm处进行，预热温度应为70~100℃，层间温度控制在160~200℃。后热处理应于焊后立即进行，后热的加热范围为焊缝两侧各100mm，温度要求达到200~300℃，后热时间为1小时/每30mm板厚，焊缝后热达到规定温度后，采用保温棉进行保温直至焊件缓慢冷却至常温。
　　6焊接注意事项
　　为确保塔柱钢结构安装过程中的焊接质量，在焊接过程中必须注意以下几点：
　　6.1焊工必须持证上岗且经验丰富、责任心强，过程中要加强对其焊接行为的控制；
　　6.2塔柱焊接各主要构件的组对及焊接顺序要严格控制；
　　6.3焊接操作平台及防风、防雨措施要到位，尽可能减少外界大气对棚内焊接环境的侵扰；
　　6.4按工艺评定中的指导要求，采用合理的焊接电流、焊接电压、焊接速度及正确的运条方法，每焊接完成一道焊缝，需彻底清理焊缝中的杂质，发现质量缺陷要及时采用碳弧气刨将其彻底清除，并使用磨光机打磨平整光滑，方可进行下一道焊缝的焊接；
　　6.5整条焊缝焊接完成后，焊接人员要对其外观进行检查，发现表面有气孔、夹渣、焊瘤、未熔合等质量缺陷时应及时予以清除并修补完整，使焊缝外观质量达到规范验收标准。同时彻底清除焊缝两边l00mm范围内的焊接飞溅等杂质，以方便下一步超声波对焊缝的内在质量进行检测；
　　6.6焊缝焊接完成24h后，对焊缝进行超声波无损探伤检测，发现焊缝内部存在质量问题，必须使用碳弧气刨将焊接缺陷完全清除并用磨光机打磨干净，重新补焊修复，使焊缝质量满足规范及设计的各项要求。
　　7施工效果
　　厦门西站房A型塔柱钢结构总用钢量约4000吨，现场安装焊接全部为一级焊缝，施工焊接量约为4850延长米焊缝。通过对焊接工艺的优化和强有力的监控、焊接过程各道工序的有效制约，经过极其严格的100%无损探伤检测，焊缝一次合格率为98.2%，一次返修合格率为100%。在A型塔柱钢结构施工过程中，通过技术及工艺创新，在超长竖向焊缝焊接施工方面总结出一系列科学合理的施工方法及施工工艺，为今后在高层建筑钢结构施工类似工程方面提供了很好的借鉴。
　　参考文献：
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　　[2]冶金工业部建筑研究总院.GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2002.
　　[3]中冶集团建筑研究总院.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
　　[4]温歌丰陈伟.央视新台址钢结构工程高强钢超长焊缝的质量控制[J].工程质量，2007，（8）.