波浪形钢桁架复杂节点焊接施工及质量控制技术

潘峰潭

（中铁建设集团南方工程有限公司 广州 514400）

0 引言

伴随着中国高速铁路的快速发展，钢结构在高铁站房的建造中发挥的作用也变得日益突出，因此，出现了大量造型新颖、大跨度、大悬挑、大体量的站房大跨度钢桁架结构屋盖［1］，这也加大了钢结构制造、施工的难度，进一步对钢结构施工过程中的结构安全、过程控制、施工质量与精度提出了更高的要求［2-3］。厦门某新建火车站站房工程在工期紧张的背景下，存在大量钢结构焊接工作，并且钢节点连接形式复杂，这对于项目部而言是个不小的挑战。本文结合该项目钢结构施工经验，将从钢结构的安装施工现场焊接特点，阐述钢桁架屋盖与支撑柱连接的复杂节点焊接工艺，总结出针对该项节点的专项施工工法，以便供类似工程借鉴使用。

1 工程概况

厦门某新建火车站站房工程屋盖钢结构主要包含下部支撑钢柱、夹层钢框架及顶部屋盖结构，如图1所示。高架夹层上方为钢屋盖，屋盖主要采用管桁架结构体系，结构最大高度55.50 m。主站房屋盖下部支撑钢柱主要为劲性十字钢骨柱及焊接箱型钢柱，十字劲性柱起于基础（-10.200 m），截面尺寸为2 000×1 600×600×40，在标高为+8.850 m 转为5 根箱型构成的组合柱，组合柱分为四角钢柱和中部钢柱，柱间设有钢板及连系杆。组合柱截面在14.350～16.350 m 范围内由小变大，四角柱截面尺寸由500×650×60×60 扩大 为700×900×60×60。开 花 柱 的 四 角 钢 柱 分 别 在18.333 m、21.616 m 及23.025 m 标高处分叉，与中部钢柱一起延伸至屋盖底部，通过铸钢件与屋盖桁架连接。

图1 站房钢桁架屋盖三维图Fig.1 3D Drawing of the Steel Truss Roof of the Station Building

2 施工重难点

主站房钢屋盖桁架支承与6根大截面十字钢骨柱转组合开花柱之上，如图2所示，连接节点涉及多种不同规格杆件及箱型体，且钢材种类包含Q355B、Q390B、Q420B 及G20Mn5QT 铸钢件等，需运用多种焊接方式进行施焊作业。连接节点复杂繁密，且需进行高空作业，操作空间狭隘有限，对施焊人员专业水平要求极高，需确保焊接质量。

3 焊接工艺及质量控制

3.1 铸钢件焊接工艺

在该项目的焊接过程中，开口柱铸钢与网格状钢管的焊接是关键的控制目标，其包括异种钢材的焊接和厚板的焊接。具体方案如下：

⑴焊接顺序采用双人对称同时进行焊接。

⑵采用E5016 型焊条，并采用直径为ϕ3.2 的焊条进行打底。

⑶预热温度设定在100～150 ℃之间，而层与层之间的温度则设定在120～200 ℃之间。

⑷焊接规范参数如表1所示。

表1 铸钢件焊接参数Tab.1 Welding Parameters of Steel Castings

⑸焊接工艺

需对铸钢件进行了低氢焊接，并进行了气体保护焊接。先采用低强度焊条在坡口内母材表面上先堆焊塑性过渡层，减小母材区影响区的应变，防止母材发生裂变，然后采用多层多道焊，并控制层间温度不低于预热温度，但不宜超过150 ℃，焊丝伸出长度控制在20 mm 左右，保护气体流量为20～25 L/ min。焊条打底焊使用不大于ϕ3.2 mm 的焊条，根部焊道厚度不超过6 mm。焊缝构成由坡口面到中间。

⑹焊接防风防雨棚设置

为保证焊接质量，项目部采取专门防雨措施：在焊接区上方做一个防雨棚，围绕管子最上部四周采用防水材料堵住，避免雨水接触到焊接节点。

3.2 其他部件焊接工艺

开花柱其他部件与钢屋盖的焊接对于铸钢件的焊接而言较为常规，其焊接工艺如下：

3.2.1 焊接准备

在进行焊接施工前，需要遵守一系列的注意事项和安全措施。首先，焊工必须持有焊接操作证和焊工考试合格证，以确保他们具备必要的技能和知识［4］。其次，在焊接区域进行施工之前，必须获得有效范围内的动火证，以确保焊接区域符合安全标准。为了保障施工安全，需要准备安全防火用品，如生命线和吊篮。当风速超过2 m/s 时，必须准备焊接防风、防雨棚，并且这些棚子必须采用防火材料。在高空焊接时，需要准备焊接施工作业接火斗，以确保焊接区域的安全。在施工前，应收集天气预报情况，以判断是否需要进行焊前预热。此外，还要确定焊接施工看火人，并确保责任落实到人。在施工过程中，焊机和气瓶必须安装遮阳、防护笼等设施，防止安全事故发生。最后，进行焊接之前，需按要求配置焊机，确保一机一箱，检查电缆并正确接地［5］。遵守这些措施和注意事项可以确保焊接施工的安全进行。

3.2.2 构件组对

在进行组对构件的施工前，有以下几个要点需要注意，以确保符合设计要求并保证焊接质量：①组对构件及组对构件错边应符合设计要求，不超过0.1 倍板厚和2.0 mm。这意味着在组对构件时，构件之间的错边应该在规定范围内，取决于板厚的0.1倍和2.0 mm中的较大值。②在进行组对之前，加垫板的全熔透焊缝应加上垫板，并且垫板的厚度不应小于4 mm，并且垫板应该连续设置。这样可以确保焊接缝的质量和强度。在组对之前，还需要对焊缝坡口上的浮锈、胶带等进行清除。清除这些杂质可以确保焊接过程中的质量和可靠性。③组对构件的坡口尺寸、钝边尺寸和底部缝隙尺寸应符合规范和设计要求［6］。这些尺寸的准确性对于焊接的强度和质量至关重要，因此必须符合相应的规范和设计要求。

3.2.3 坡口清理

在进行定位焊和正式焊接之前，还需要进行焊缝表面的清理工作。这可以通过使用砂轮、钢丝刷等工具来清理焊缝表面的浮锈和其他杂质。清理的范围应包括焊缝坡口及坡口外沿，其清理宽度不应少于20 mm。

3.2.4 定位焊接

定位焊所使用的焊条等焊材应按要求进行烘干和保温处理，这是为了确保焊材的质量，避免潮湿或受到其他污染物的影响，从而影响焊接的质量。定位焊缝的厚度不应小于3 mm，长度不应小于40 mm，并且焊缝之间的间距应在300～600 mm 之间，以确保焊接的强度和连接的可靠性［7］。对于有垫板的焊缝，定位焊应在接头破口内进行。这样可以确保焊接的质量和连接的强度，避免因焊接位置不当而产生问题。在定位焊之前，预热温度应高于正式施焊的预热温度20～50 ℃。通过提高预热温度，可以改善焊接材料的可塑性和焊接接头的质量，减少焊接缺陷的产生。此外，如果定位焊焊缝存在裂纹、气孔、夹渣等缺陷，应完全清理，这是为了确保焊接的质量和强度，避免缺陷扩大或影响焊接接头的性能。

3.2.5 正式焊接

在进行焊接工作时，需要注意以下几点，以确保焊接的质量和安全性：①每一道焊缝的宽深比不应小于1.1，宽深比是指焊缝的宽度与深度之间的比值，保持适当的宽深比可以提高焊缝的强度和质量；②对于气体保护焊和药芯自保护焊，焊根部的焊道最大厚度不应超过12 mm，填充焊道的最大厚度不应超过6 mm。控制焊道的最大厚度可以确保焊接的质量和一致性。在进行多层焊接时，每一焊道焊接完成后应及时清理焊渣和表面飞溅物。清理焊渣和飞溅物可以防止其对下一层焊接的影响，确保焊接质量和外观。

在焊接过程中，要注意最低道间温度不低于预热温度，并且不超过250 ℃。控制道间温度的范围可以避免焊接缺陷的产生，保证焊接接头的质量和性能。最后，不得在焊缝区域外的母材上引弧和熄弧。焊接的焊弧应严格限制在焊缝区域内进行，避免对母材造成不必要的影响或损害。

3.2.6 焊接打磨

在焊接施工完成后，需要对焊缝进行检查，特别是对存在焊瘤等表观缺陷的焊缝进行处理。焊瘤是焊接过程中形成的凸起部分，可能会对焊接接头的外观和性能产生负面影响。为了修复焊瘤和改善焊接接头的外观，需要进行焊缝打磨工作。焊缝打磨是使用砂轮、砂纸或其他合适的工具，对焊缝表面进行磨削和抛光的过程。通过打磨，可以去除焊瘤及其他不平整的部分，使焊缝表面光滑均匀。在进行焊缝打磨时，需要注意选择合适的打磨工具和磨削方式，以避免对焊接接头造成额外的损伤。同时，也要注意控制打磨的力度和速度，以避免过度磨削导致焊缝的减弱或破坏。

3.2.7 焊缝检测、返修和焊件矫正

在焊接工作中，需要对焊缝的表观质量进行检测，以确保其符合规范和设计要求。根据相关规范的要求，采取仪器测量或观察的方式来评估焊缝的表观质量。这意味着可以使用合适的仪器进行测量，或通过目视观察来判断焊缝的质量。此外，还可对焊缝进行相应比例的UT监测［8］，以确保焊缝的质量符合要求。

当焊缝不合格时，应对焊缝进行返修。返修时，可采用砂轮打磨或碳弧气刨等方法进行处理，以修复焊接缺陷。为了保证返修焊接的质量，预热温度应比相同条件下的预热温度提高30～50 ℃，并使用低氢焊接材料。在返修焊接中断时，需要采取后热和保温措施，以确保焊接接头的完整性和性能。

当焊件在焊接过程中出现变形或偏差时，应当对焊件进行加热矫正。在加热矫正过程中，需要注意钢材的不同性质［9］，对于调质钢，矫正温度不能超过其最高回火温度。而对于其他钢材，矫正温度应该不超过最小值，即800 ℃或钢厂推荐温度。完成矫正后，应该采用自然冷却的方式。

3.2.8 焊接节点涂装

在进行焊缝节点涂装之前，必须进行表面处理，以确保良好的涂装效果［10］。这可以通过使用砂轮等工具对节点表面进行处理来实现，并要求表面粗糙度达到St3级的标准。这样做可以有效去除焊接产生的氧化物、污垢和其他杂质，使涂料能够更好地附着在节点表面上。

涂装过程中，应按照涂装技术要求的顺序逐层进行修补。通常，先涂底漆，底漆的作用是提供附着力和防腐保护，为后续涂层提供良好的基础。接下来是中间漆，它可以提供颜色、美观度和附着力。如果需要防火保护，防火涂料应该是下一层，以确保焊缝节点在火灾等意外情况下具备一定的耐火性能。最后是面漆，它提供最终的装饰和保护，使节点表面具有理想的外观和耐候性能。

在进行涂装施工时，必须满足施工环境的要求。这意味着施工场所应具备良好的通风条件，以确保涂料的挥发物能够及时排出，避免对施工人员的健康造成影响。此外，还应采取必要的措施，例如使用防护措施和设备，避免环境污染的发生，确保涂装作业的质量和安全性。

3.3 焊接质量控制

在进行焊接施工前，需要搭设防护棚，以确保施工区域的安全和环境的良好状态。

在焊接过程中，使用带有药芯的焊丝，并结合高流量的CO2气体进行焊接保护。这种方法可以增加CO2保护气柱的坚固程度，提高焊接区域的抗风能力，并形成对焊接熔池的渣-气联合保护。在进行焊接之前，必须先清理焊口，去除焊口表面的水、氧化皮、锈和油污等杂质，以确保焊接质量和强度。为了确保焊接质量的稳定和可靠性，必须严格按照焊接工艺评定所得的参数进行操作。在焊接过程中，需要仔细控制层间温度，以避免过热或过冷导致焊接缺陷的产生。彻底清除不同焊道之间的熔渣是必不可少的步骤，以确保焊缝的质量和完整性。对于分次完成的焊缝，在进行再次焊接之前应进行预热处理，以提高焊接质量和连接的强度。采取合理的焊接顺序至关重要，例如，可以采用两人、三人或四人对称焊的方式，以确保焊接过程的平衡性和均匀性。

在焊接完成后，需要进行后热处理，以消除残余应力，并提高焊缝的力学性能和抗腐蚀性能。

4 结语

厦门某新建高铁站主站房钢桁架屋面主要支撑节点开花柱与屋盖钢桁架连接处焊缝经三方检测机构无损检测，判定检测结果均复合规范要求，钢桁架屋面提升卸载后，结构挠度及构件应力监测结果平缓稳定，钢结构处于健康可控状态。复杂节点焊接作业的高效率高质量完成，完美符合设计初衷，确保候车层实现大跨度空间自由，在保证功能性的同时，具备较高的视觉冲击效果，为打造精品车站提供有力技术保障。