京滬高速鐵路濟南西站鋼結構冬季焊接施工技術

楊懷義

(京滬高速鐵路濟南高速站工程建設指揮部，濟南 250117)

1 概述

鋼結構憑借環保、快捷、可循環利用的特點在鐵路站房工程中大量運用。京滬高速鐵路濟南西站站房軌道層鋼結構因直接承載動車荷載，設計有超大截面的柱梁構件(H型鋼梁高3 350 mm)，材質均為Q345GJC，碳當量高，且現場焊縫集中，質量控制難度大，特別是冬季低溫焊接對焊接質量的直接影響，更是關系到整個工程順利實施的關鍵。

2 焊接工程重難點

2.1 焊接量大

濟南西站是京滬高速鐵路5個始發終到站之一，屬大型綜合交通樞紐工程，用鋼量2.1萬t。其中軌道層施工范圍長202 m，寬107 m，鋼結構用量1.3萬t，每平方米用鋼量600 kg，設計有128根鋼柱，326架鋼梁，采用全熔透焊接連接，共652個焊口，現場焊縫總長度達2 000 m，焊接鋼板厚度35～70 mm。計劃焊接工期40 d。

2.2 構件截面超大

軌道層鋼管柱截面有 PIPE2000×65 mm、PIPE2000×40 mm、PIPE1800×40 mm、PIPE1800×35 mm等規格，勁性鋼梁均為H形截面，存在翼緣板、腹板變寬變厚情況，鋼梁截面有H670×2050×35/40×30 mm;H570×2850×40/50×35 mm;H940×3350×70/70×70 mm;H940×3350×60/60×45 mm等。

可以看出構件板厚從35 mm到70 mm不等，大部分屬于厚板焊接，主材材質均為Q345GJC，碳當量相對較高。對于板厚在40～60 mm間鋼板需滿足Z15性能要求，大于60 mm厚鋼板，需滿足Z25性能要求。

2.3 焊縫集中

軌道層梁柱節點密集，φ2 000 mm的鋼管混凝土柱，柱距僅為7 m，梁梁間距為3.5 m，結構自身剛度大，受約束多，焊接過程中若不注意焊接順序極易產生較大的變形，甚至有焊縫拉裂的風險。焊接量主要集中在梁柱連接節點，節點形式見圖1。

如圖1所示，單一節點處焊縫長度約14 m，現場焊縫總長度達2 000 m，需要填充50余t的焊材，大量的焊接集中對于控制結構焊接應力及變形提出了很大的挑戰，是本工程的難點。

圖1 梁柱節點(單位:mm)

2.4 直接承載列車動載

由于軌道層上行駛時速350 km的高速列車，列車動載由軌道層傳遞到地基基礎，焊縫需要承受列車動載的考驗。影響焊縫疲勞強度的主要因素是應力的集中，各類凹坑、熔渣等焊接缺陷處易產生應力集中，不可避免地會降低焊縫的疲勞強度，造成安全隱患。為此，濟南西站鋼結構焊縫質量要求極高，現場拼接焊縫等級均為一級，需100%超聲波探傷檢測。

2.5 冬季低溫焊接

因施工時正處濟南市冬季氣溫最低時候，平均氣溫－10℃以下，最低溫度達－18℃，北風凜冽，焊接環境十分惡劣。冬季施工主要難點:一是焊點與環境和構建母體溫差大，熔解困難，容易產生焊結缺陷;二是保溫困難，焊縫降溫速度過快，使焊縫周圍材質變脆，焊材收縮造成裂紋。保證軌道層冬季焊接質量，控制焊接應力、變形是整個工程順利實施的關鍵。

3 焊接工藝評定

本工程焊接時正值濟南冬季氣候干燥多風，氣溫最低時期，極限低溫達－18℃，低溫焊接對于焊接質量可能造成的出現裂紋和工作狀態脆斷等問題直接關系到工程質量，特別是在列車動荷載作用下，使用情況復雜，如何保證低溫焊接質量是工程參建各方關注的重點和難點。為驗證焊接工藝，特別是提出與工程中涉及的焊接材料、焊縫規格、現場焊工技能水平匹配的焊接參數，現場進行了2組焊接工藝評定，見表1。

表1 焊接工藝評定參數

工藝評定焊接所用試板材質均為Q345GJC，且是從同一批進場鋼材中隨機抽取加工而成，試板規格為600 mm ×300 mm ×35 mm，600 mm ×300 mm ×50 mm，開35°不等邊X形坡口，兩面坡口深度比例為2∶1。焊接時先焊接大坡口面的2/3;然后對背面采用碳弧氣刨清根處理，用角向磨光機打磨去焊渣，再進行焊接;再對正面進行焊接。所采用的焊縫形式和坡口類型可以涵蓋濟南西站鋼結構現場焊接的所有內容。

試板焊接由現場焊工操作，采用E5015(J507)低氫鈉型焊條及ER50－6(CHW-50C6)焊絲。焊接當天氣溫為－11℃。選用的焊接設備、預熱保溫措施同實際施工條件。

低溫焊接容易產生缺陷的主要原因是焊后冷卻速度過快，導致焊縫的冷裂紋敏感性增加、焊縫易產生金屬偏析、焊縫冷裂紋延遲效應明顯和低溫脆斷的可能性增加。針對這一特點，必須保證準確的預熱溫度，JN01試板采取火焰烘烤的方式，JN02試板采取電加熱，用紅外線測溫儀控制預熱溫度。為保持焊接層間溫度，火焰加熱的焊縫在焊接過程中用保溫棉正反面包裹焊縫加熱區，見圖2。

焊后用保溫棉將焊縫正反面包裹進行保溫，減緩焊縫冷卻速度，直至焊縫冷卻至環境溫度后拆除。

2組焊評試板經超聲波探傷以及力學性能分析，達到國家規范及設計要求，最終確定濟南西站鋼結構焊接工藝評定報告，用以指導現場焊接。

圖2 焊接保溫措施示意

4 相關技術措施

4.1 坡口形式

為了降低焊接熱輸入量，減少變形，同時也方便現場操作，降低焊接工作量，在設計坡口形式的時候，將梁柱節點、梁梁節點的焊接坡口形式作了統一，翼緣板對接焊縫均為單邊V形坡口;腹板采用梁端不等邊K形坡口。坡口角度根據板厚確定，50 mm厚以下鋼板開40°坡口，50 mm厚及以上鋼板采取35°坡口。

4.2 預熱和保溫

根據焊接工藝評定結果，確定鋼結構焊接預熱溫度為120～150℃，預熱區域為坡口兩側100 mm范圍。其中40 mm以下鋼板采取火焰烘烤的方式;40 mm及以上鋼板采取電加熱，加熱溫度利用紅外線測溫儀控制。焊接過程中，焊縫層間溫度保持在220℃以上。采用“歇人不歇馬戰術”連續焊接，減少二次加溫。焊接完成后，對焊縫正反面用保溫棉包裹，使焊縫緩慢冷卻。

4.3 防風措施

焊接區處在距地面10 m以上高空，風力較大，規范要求手工電弧焊當風速超過8 m/s，氣體保護焊超過2 m/s時，在焊接過程中必須采取防風措施。由于構件截面大，常規的防風棚在本工程中難以實現，特利用腳手管設計了臨時操作平臺，外包石棉布起防風阻燃效果，見圖3。

如圖3所示，腳手管組成防風棚的骨架，其強度經計算，可以滿足4～6名焊工及焊接設備的荷載，并保證牢固不會晃動。腳手管四周包圍石棉布構成防風棚，石棉布耐火，阻燃。防風棚底部包裹嚴實后可防止焊接火花飛濺傷人及引起火災。

4.4 焊接順序

濟南西站軌道層鋼結構焊接難度大，控制不當有可能產生無法挽回的質量問題。從整體到局部，在焊接前制定合理的焊接順序是減少焊接變形，避免應力集中的關鍵。

圖3 焊接防風措施

軌道層結構布置相對規則，形式單一，共5跨鋼梁，分為A、B兩個區，中間被正線橋隔斷。根據整體施工安排，2個邊跨先行安裝，焊接完后，再安裝中間3跨，進行焊接。2個階段吊裝順序均是從東往西推進，若鋼結構焊接跟隨吊裝進度的話，焊接收縮變形累積，不利于安裝精度的控制，為此，施工方制訂了嚴格的焊接分區，見圖4。

圖4 焊接分區示意

如圖4所示，整個施工區域劃分為42個焊接區，每個分區為一個相對獨立的焊接單元，由4根鋼柱和若干根主次梁組成，能形成穩定的框架結構，焊接施工必須待單個焊接區內構件全部安裝完畢，校正至規范允許范圍內再進行，減少安裝累計誤差。每個焊接區間預留2道梁柱對接口最后焊接，避免焊接收縮導致結構往一側變形。

1個焊接區內的焊接內容包括約10個梁柱焊接接頭和若干個主次梁焊接接頭，由于相互間剛性聯結，牽一發而動全身，為避免焊接變形，必須制訂合理的焊接順序，針對每個分區里的焊口進行編號，見圖5。

如圖5所示，單個分區內的焊接遵循對稱焊接的原則，呈斜對角線布置焊工，其中Ai焊口與Bi焊口先后焊接，即完成Ai后再開始焊接Bi，編號后方便現場操作，施焊時一目了然。現場嚴禁一根鋼梁兩端同時施焊。

單個焊縫接口的焊接順序同樣是需要重點關注的，本工程構件截面大，焊接填充量大，合理的焊接順序是控制變形的關鍵，否則會因為隨意施焊，焊接熱輸入量不均勻，導致焊接完成后整根鋼梁扭曲，現場無法進行校正，影響安裝精度。所以必須堅持對稱施焊，使變形相互抵消，焊接順序見圖6。

圖5 焊口施焊先后順序示意

圖6 鋼梁對接口焊接順序

如圖6所示，單個接口的焊接采取先焊翼緣、后焊腹板的焊接順序，翼緣焊接由3名焊工同時施焊，2名焊工采用手工電弧焊焊接下翼緣板，1名焊工利用CO2氣體保護焊焊接上翼緣板，采用不同的焊接方法是為了上下翼緣的焊接速度一致。

由于 H型鋼梁截面高，大部分鋼梁高度為2 050 mm，少數達3350 mm，為減少變形，腹板焊接同樣采用2名焊工同時施焊的方式，由下往上焊接，焊接過程中需要做好接火保護措施，避免鐵水、焊渣傷人。

5 焊接現場管理

5.1 有效的管理是決定焊接質量、施工進度的關鍵

建設指揮部重點抓冬季焊接工藝評定和焊接方案的審查。要求施工單位根據濟南西站工程的材質、構件尺寸以及施工環境情況，有針對性地進行了焊接工藝評定;對施工過程的分區、勞動力安排、焊接順序、工藝、焊接設備、保溫措施等進行了認真審查;監督施工方對技術工人進行技術交底;加強過程控制，施工過程中站房部、安質部工程技術人員，深入現場，檢查焊接方案的落實情況。

監理公司派出1名副總監，專職盯控鋼結構施工管理。從焊接工藝評定到方案審查，全程盯控。焊接工藝評定更是直接參與，現場重點焊接旁站監理。

施工單位從項目部、安裝隊到作業工人，層層落實責任。從“人、機、料、法、環”5個方面，對施工質量進行嚴格控制。項目部總工程師及焊接專業技術負責人負責焊接總體施工方案的制訂以及焊接質量控制標準的建立和評定。專業隊長和焊接班長，是焊接方案的具體實施者和檢查者，負責焊工、焊接設備的調配。焊接班長對于有效落實焊接方案，把控焊接質量至關重要，屬焊接施工的關鍵崗位。施工單位對每一個焊工都進行進場考試，考試結果報監理認定，建設指揮部抽查，確定合格后方可在現場焊接。輔助工種主要進行焊接操作平臺、防風棚等臨時措施的搭設，為焊工創造一個良好的施焊環境。

5.2 配備充足勞力和材料

經計算，總的焊縫填充量約為50 t。1名焊工正常連續焊接的情況下每小時消耗焊條量經統計約為2.2 kg，每個熟練焊工正常上班時間(8 h)里焊接時間在5～6 h，由于冬季施工夜間溫度更低，風大，夜間焊接施工質量、安全均難以保證，故不安排夜間施工。按照40 d的焊接工期要求，計算需要焊工人數

其中:P為計算焊工數;q為焊縫填充量;a為平均每小時消耗焊條量;t為常規日連續施焊時間;s為焊接工期。

為滿足40 d施工工期要求，現場最少需要焊工103名。考慮工人休假，雨雪天干擾等因素，施工單位現場共配備了120名焊工，如期完成焊接任務。

6 結語

在濟南西站鋼結構焊接過程中，針對軌道層結構焊縫集中、構件截面超大、冬季施工要求高的特點，建設、監理、施工單位高度重視，群策群力，從抓好工藝評定、施工方案和一系列專項措施著手，加強方案的執行力度和過程控制，圓滿完成了施工任務。在全部軌道層結構焊接完成后，復測鋼柱垂直度，偏差均小于8 mm，在規范許可范圍內。施工單位經100%超聲波探傷檢驗，Ⅰ級焊縫一次合格率達98%;監理單位對Ⅰ級焊縫鑒證檢驗20%，另委托第三方檢驗單位平行檢驗3%。為確保焊縫質量萬無一失，建設單位又委托不同的第三方檢驗單位，再抽檢3%。三重把關，檢驗結果為100%合格。

［1］中國鋼結構協會.建筑鋼結構施工手冊［M］.北京:中國計劃出版社，2002.

［2］李久林.國家體育場鋼結構低溫焊接技術研究［J］.鋼結構焊接國家論壇，2006.

［3］戴為志.國家體育場(鳥巢)鋼結構安裝工程焊接質量控制的有效途徑［J］.中國大型建筑鋼結構設計與施工.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［4］GB50205—2001 鋼結構工程施工質量驗收規范［S］.

［5］GB50017—2003 鋼結構設計規范［S］.