高海拔、大温差、大跨度复杂钢结构中铸钢件施工技术

【摘 要】本论文主要针对西藏地区的环境特点,结合西藏会展中心钢结构施工过程的经验,重点论述铸钢件施工在高海拔、大温差、大跨度负责钢结构中的应用及施工技术,因为此项目环境的特殊性,同行业人员同类地区施工可借鉴此施工技术.

【关 键 词】高海拔；大温差；大跨度管桁架；铸钢件；施工技术

●工程概况

西藏会展中心管桁架钢结构屋盖由平面管桁架组成,属大型管桁架结构,屋面桁架部分结构体系复杂,多杆件交叉相贯,主桁架次桁架交错连接,为体现建筑设计白云漂浮的理念,场馆顶部及边缘飘带次桁架、悬挑结构较多,管管相管节点复杂其中会展中心1号馆及2号馆为全钢结构,其中1号展馆最大高度约为27.285米,最大跨度58米,最大悬挑长度约为16.0米；2号展馆最大高度约为27.582米,最大跨度75.6米,最大悬挑长度约为16.2米.屋面采用双向空间管桁架结构体系,并通过若干斜杆支撑于框架结构柱顶.

●本工程铸钢件选型特点

本项目设计初考虑节点部位多个杆件交汇,连接杆件薄厚不一、管管相贯连接复杂,杆件应力分布无规律、直接动力荷载要求高.

铸钢件晶粒粗大,可焊接性能较母材差,晶间存在低熔点偏析,且杂质较多,高的热应力作用情况下可能导致铸钢件内部热裂纹；铸钢件本身存在疏松气孔,焊接过程中内部气体的分解,增加了熔池中气体的成分,易产生气孔；

综上所述,铸钢件在大跨度结构中应用,需要从材料选择、到节点深化设计、到工厂出厂验收、再到现场施焊全过程必须层次把关,考虑西藏地区高海拔、大温差的环境特点,对现场施焊进行有针对性的准备,充分发挥铸钢件在复杂钢结构中应用的优点.

●铸钢节点设计

铸钢节点设计时,铸钢件受力计算截面考虑与之连接的管材对应的截面积,材质、节点构造受力等,如不满足规范条件将会给铸钢节点的制作和受力带来极大风险,给结构安全带来严重隐患.所以节点的设计不仅须满足承载能力要求,同时还应考虑铸造、制作及焊接工艺方面的要求.综合以上因素,本项目铸钢类型选择空心实心结合的结构,在减轻重量的同时,确保结构受力要求,同时满足焊接及铸造要求.

多管相贯位置采用材质为G20Mn5QT的铸钢件与母材低合金钢Q345C焊接.G20Mn5QT为焊接结构用铸钢,淬火加回火处理,其冲击韧性、抗拉强度有较好提高,其力学性能与母材相近匹配性好,因铸钢材料屈服强度叫母材低,考虑综合受力,将铸钢相应壁厚加厚,以弥补其力学性能欠缺.

接头类型考虑管壁厚度较厚,焊接填充量大,势必造成焊接热输入增加,为确保接头力学性能,并充分利用铸钢自身特点,将铸钢件接头设计为台阶、匀顺过度坡口形式,在满足焊接角度的前提下,减少填充量,减低接头热输入.

●铸钢件厂内铸造控制

鉴于铸钢节点应用于本工程荷载较大、受力复杂的关键部位,加上铸钢材料本身固有的一些缺点,因此铸钢件自身可靠与否直接关系到整体结构的安全.为此项目从厂家选择、合同中技术质量约束、排专职检验员及第三方无损检测人员驻厂,全程跟踪验收,确保出厂应用与工程之铸钢件的100%合格.

出厂之前对铸钢件母材焊接接头的台阶部位150毫米区域、销轴孔四周150㎜进行超声波检测,检测标准为：GB/T/T7233《铸钢件超声波探伤及质量评级方法》,质量等级为II级.对变截面或交接部分以及接头的坡口面,按GB/T9444《铸钢件磁粉探伤及质量评级方法》,采用磁粉表面探伤,II级合格,按《铸钢节点应用技术规程》CECS235：2008标准规定,对铸钢件其余外观质量要求进行验收.

在铸造每一批次构件同时铸造一个理化性能试件,送相应资质实验室进行理化性能试验,以确保其内在质量满足相关标准要求,不合格试件代表批次拒绝出厂,依据先关标准进行处理,直至满足要求时出厂.

●焊接工艺

本工程为G20Mn5QT的铸钢件与低合金钢Q345C管对接焊接,在高海拔、大温差的西藏地区尚属首例,无成熟经验借鉴,为此根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）要求,结合西藏地区施工环境,昼夜温差较大、日照时间长、紫外线强,面光侧与背光测存在较大温差,易产生温度应力,考虑以上因素确数组焊接工艺试验,以确保施焊工艺满足接头性能要求,试验全程跟踪控制,业主及监理单位见证进行.

焊接工艺指导书（表一）

预热温度（℃）150-200℃（铸钢侧）层间温度（℃）150±10℃后热温度（℃）及时间（min）250℃2h

焊接工艺参数道次焊接

方法焊条或焊丝焊剂或

保护气保护气流量（L/min）电流（A）电压（V）焊接速度（cm/min）热输入（kl/cm）备注

牌号Φ（㎜）

1FCAW-GTHY-51B1.2CO220-25150～20026～2810～15--正

2--5FCAW-GTHY-51B1.2CO220-25180～25026～3210～15--正

技术措施焊前清理打磨道间清理打磨

背面清根--

其他：

●控制焊前预热温度、焊中层间温度、焊后保温温度,应避免受热条件不足及散热较快而产生焊道裂纹.

●加强对根部焊道的检验,确认无缺陷后方可进行填充焊道和盖面焊道的焊接.填充焊道和盖面焊道亦采用小电流、快速度、多层、多道焊接工艺措施.

●焊后加热温度至250--300℃后石棉包裹保温两小时.

图1焊前预热

图2红外测温仪温度测量控制

图3钳形表测量焊接瞬时电流、电压图4焊后石棉保温

●焊缝检测及探伤

焊后对焊缝外观进行检验,目测有无气孔、咬边、未焊满、弧坑、裂纹等超标缺陷.必要时借助于放大镜、焊缝量规等工具进行目视检测.外观检验合格后打磨焊缝两侧至规定宽度,依据国家规范及图纸设计文件进行无损检测,为确保焊缝内在质量,避免延迟裂纹漏检,必须确保无损检测在焊后24小时候进行.

●焊接接头理化试验

对所有焊接试件均委托具有资质的实验室进行见证试验,最终见证试验结果显示,本工艺接头力学性能满足相关标准要求,具有良好的冲击韧性和较高的抗拉强度,工艺试验结果邀请业内焊接专家进行焊接工艺评定,最终确定采用本工艺进行现场焊接.

●铸钢件现场安装及定位

本工程所用铸钢件均为多管相贯节点,支管角度各异,并有穿销轴耳板铰接节点穿插其中,这给铸钢件出厂验收及安装测量定位带来一定难度,为此,项目借鉴国内类似复杂铸钢结构的定位方法,结合现场实际,确定采用节点坐标拟合测量定位的方法进行测量,将铸钢件摆放在平台上,用全站仪实测特征点,将测量数据采集后用CAD模拟实际线型,将实测模型套入设计位置进行拟合处理,从而确定实际铸钢件在设计图纸中的拟合绝对坐标,此坐标用于现场安装测量,具备唯一性,且已经与实际进行拟合,消除铸钢件铸造误差,确保实际测量定位准确.

西藏地区属于高海拔,大温差地区,昼夜温差较大,白天各时段温差也有明显差别,管桁架拼装后进行焊接,必须考虑温差造成的收缩变形问题,且铸钢件自身属于大填充构件,支管方向各异,在焊接是必须按照既定减小焊接应力、温差应力的方案进行焊接,本工程为确保焊接后整体尺寸,减少应力影响,采取同步、对称、分段焊接,先进行构件中部铸钢件主管焊缝焊接,上下弦杆两人同时焊接,便于焊接收缩同步,从中间向两头对称施焊.腹杆采用从下弦到上弦的顺序,两人从中间向两边延伸对称焊接.铸钢件位置严格执行焊接工艺,做好预热,保温等措施.

●结语

本工程经过国家钢铁研究院及西藏质检站对焊缝进行100%超声波检测,自检合格率97%,第三方检测合格率100%,无危害性裂纹缺陷,达到既定质量目标,为项目争取西藏自治区“雪莲杯”打下坚实的基础.

大跨度复杂钢结构中,铸钢件已应用广泛,特别适合复杂节点,避免采用拼接节点的焊接应力集中现象,采取整体铸造节点,保证整体的力学性能,经过正火回火等热处理工艺,有效减少残余应力.在高海拔大温差的西藏地区,铸钢件施工还没有成熟施工经验,通过西藏会展项目现场施工工艺的实际实施,总结经验,汇集各方所长,形成一套适合高原的铸钢件施工技术,同行类似项目可借鉴使用推广.