杭州灣跨海大橋海中平臺鋼結構工程焊接關鍵技術

浙江精工鋼結構有限公司 （紹興 312030） 何喬生 戴為志 曾祥文 陸安洪

一. 鋼結構概況

跨海大橋海中平臺位于杭州灣跨海大橋K66+120處下游150m，平臺成橢圓形，平臺上部結構造型為大鵬展翅，平臺建筑面積為36 616.73m2，六層，建筑高度為24m。觀光塔位于海中平臺的東側，觀光塔總建筑面積為5100.42m2，地上16層，建筑高度為145.6m，如圖1所示。

圖1 跨海平臺工程

主體結構采用鋼框架支撐結構體系，柱網采用6m×8m與12m×8m柱網相結合，柱采用φ800mm×32mm的圓管截面，底部三層為鋼管混凝土柱，框架支撐布置在10、11、17、25軸及E、F、G、J、K、L軸，自承臺頂到結構頂部，樓層結構平面由橢圓形轉變為不規則形狀。主梁截面有H750mm×400mm×18mm×25mm，H750mm×450mm×18mm×25mm，H750mm×450mm×20mm×30mm三種，樓蓋采用鋼筋混凝土樓板。

屋蓋采用焊接球網架結構。懸挑部分采用三層網架，其余部分采用雙層網架。網架由下弦多點支撐，鳥尾設斜撐。網架中間為天窗架，由管桁架與網架連接。

觀光塔為筒體結構，筒體由半徑4.6m圓上均勻分布的八根柱及柱間支撐等共同構成，其平面布置為八邊形。筒體柱截面為φ800mm、φ1600mm，在筒體中部有部分為變截面柱。觀光塔頂部豎有桅桿，桅桿高18.84m，底部固定于觀光塔水箱層。

二、焊接特點與難點

1. 焊接施工特點

（1）節點形式復雜，焊接難度高。

（2）鑄鋼件與Q345異種鋼焊接質量控制。

（3）焊接變形控制尤為重要，難度很高。

2. 焊接施工難點

（1）鋼結構焊接變形及殘余應力控制難度大。

（2）圓管及橢圓管焊接均為全位置焊接，焊接技術水平要求高，焊接質量控制難度大。

（3）海上海風大，濕度比較高，導致焊縫金屬中氫的聚集，容易形成冷裂紋。

3. 焊接方法

綜合考慮工程現場焊接效率和操作難度，平臺和網架采用CO2氣體保護焊；觀光塔21.9m以下采用CO2氣體保護焊，21.9m以上采用焊條電弧焊或藥芯自保護焊。

三、焊接工程的關鍵技術

1. 平臺的焊接原則

杭州灣平臺現場焊接必須遵循以下原則：統一對稱、分片進行；自中心向四周推進；單桿雙焊、雙桿單焊。

（1）分區對稱焊接 平臺分為3個焊接施工區(A區、B區及C區，見圖2)，先進行A區和B區的對稱施焊，施工區域布置一個焊接施工班組，A區和B區焊接結束后，再進行C區桿件安裝，待C區所有桿件安裝就位后，進行焊接。

圖2 平臺分區示意

（2）局部構件焊接順序 兩根圓管柱之間梁的焊接順序如圖3所示。

圖3 局部構件焊接順序示意

2. 網架的焊接原則

杭州灣網架現場焊接必須遵循以下原則：統一對稱、分片進行；自中心向四周擴散焊接；隔片（奇、偶）焊接；單桿雙焊、雙桿單焊。

（1）網架結構焊接順序 根據現場安裝順序先進行兩邊“翅膀”的安裝，再安裝中間桁架。特制定以下焊接順序。

確定全面開焊時間：對單個翅膀縱向分為1～11個?？v向1～2為A片，2～3為B片……10～11為J片，最后為K片，共11片。按照順序安裝橫向鋼件（1～11）之后，再安裝縱向腹桿（A～K），焊接腹桿（A～K）時應隔片焊接，焊接順序A→C→B→D→F→E→G→I→H→J→K（見圖4、圖5）。

焊接順序：統一對稱、分片進行；自中心向四周擴散焊接；隔片焊接；單管雙焊、雙管單焊（見圖6、圖7）。

圖4

圖5

圖6

正式施焊時，從中心向四周施焊，分兩組焊工同時施工，保證每個班組的焊機數量與焊工人數相同，焊接電流、電壓及焊接速度盡量一致，在圖7中以中心a（1）為對稱點進行焊接。焊接順序如圖7所示，先焊接1→2→3→4→5，再焊接①→②→③→④→⑤，為減少焊接變形先焊奇數桿件，再焊偶數桿件。

圖7

（2）焊接要求 網架構件連接處用夾具固定，不能定位焊。如情況特殊需用定位焊，嚴禁在焊縫坡口處使用。

3. 觀光塔的焊接原則

杭州灣觀光塔現場焊接必須遵循以下原則：統一對稱，分區進行；先內后外，隔節焊接；單桿雙焊，雙桿單焊；分節合攏。

（1）分區對稱焊接 觀光塔以平面圓為基準，分為兩個焊接施工區(A區和B區)，每個焊接施工區域布置一個焊接施工班組，保證每個班組的焊機數量與焊工人數相同，焊接電流、電壓相同，焊接速度盡量一致，以圓心為對稱點進行焊接，如圖8所示。

圖8 焊接順序

（2）先內后外，隔節焊接 觀光塔焊接順序如下：①安裝內環一節柱：內1柱和內2柱，柱之間梁用耳板連接，然后依次安裝內3柱及內2、3柱之間的梁到內8柱及內8、1柱之間的梁。 ②安裝外環一節柱：安裝外1柱，將外1柱和內1柱的梁安裝，用耳板連接；安裝外2柱，將外2柱和外1柱及外2柱和內2柱之間梁用耳板連接；然后依次安裝外3柱直至外8柱。③安裝內2節柱和外2節柱：安裝順序同內1節柱和外1節柱的安裝。④內1節柱的焊接：以合攏口（內柱4）為基準。焊接順序如圖9、圖10所示。

圖9 觀光塔平面圖

圖10 觀光塔內環焊接順序

（3）外1節柱的焊接 先焊環向梁后焊徑向梁。以合攏口（外柱4）為基準，兩區進行對稱施焊。環向梁焊接順序(見圖10)：a→b→c→d→e→f，g處為合攏口。徑向梁焊接順序(見圖11):h→i→j→k→l→m→n→o→p→q。

（4）梁的焊接 每段柱之間梁的焊接，按照由下向上的順序進行施焊。

單桿雙焊、雙桿單焊：針對環向梁、徑向梁采用此焊接原則，如圖12、圖13所示。單桿雙焊即兩根梁與柱間的焊縫采用兩人對稱焊，要求保證焊接速度一致，焊接電流、電弧電壓相同。

雙桿單焊即橫梁與立柱焊接，先焊接一端，待焊縫溫度冷卻至常溫方可進行另一端的焊接。

圖11 觀光塔外環焊接順序

圖12 單杠雙焊示意

圖13 雙杠單焊示意

分節合攏：觀光塔焊接時，每層設置焊接合攏，相鄰層合攏位置依次錯開90°→45°→90°→45°，控制頂層合攏溫度。合攏溫度就是鋼結構在合攏過程中的初始平均溫度，區別于大氣溫度，是結構使用中溫度的基準點。

4. 鑄鋼件焊接關鍵技術

（1）鑄鋼件坡口形式 觀光塔圓管柱與弧形柱轉換部位采用鑄鋼GS-20Mn5V（調質）材料，上下圓管結構采用Q345GJC鋼材。接頭焊接為鑄鋼件與建筑結構鋼的異種鋼接頭焊接，其連接接頭的焊接坡口形式如圖14所示。鑄鋼件模型如圖15所示。

圖14

圖15

（2）鑄鋼件與異種鋼焊接的工藝原則 ①正確選用焊條及相應焊材是異種鋼焊接成功的關鍵。②在焊接接頭不產生裂紋等缺陷的前提下，若強度和塑性不能兼顧時，則應選塑韌性較好的焊條和焊材。焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種即認為滿足使用技術條件要求。③對相同等級結構鋼焊條選用時，優先考慮抗裂性能好的低氫型焊條。在滿足性能要求的前提下，選用工藝性能好、價格低、易于采購的焊條。④預熱溫度一般應根據淬硬裂紋傾向大的一側母材和焊縫金屬合金化程度的大小綜合確定，應通過焊縫工藝評定來確定。⑤焊工要專門進行培訓，應具有焊接質量保證體系及技術責任制，并在監理的督促下進行。

（3）鑄鋼件焊接工藝 ①預熱溫度為150℃。②層間溫度控制在150~200℃。③焊接參數選擇如表1~表3所示。④鑄鋼GS—20Mn5V為改善了焊接性的鑄造調質鋼，焊接性能良好，但是由于接頭板厚，原則上擬采用稍高的焊前預熱溫度來防止裂紋，作為調質鋼材，要控制熱輸入量和道間溫度的上限，以防止近縫區軟化，同時采取道間錘擊工藝，松弛接頭焊接收縮應力。⑤鑄鋼件與異種鋼施焊前應進行焊前預熱，采用2~3把烘槍進行火焰預熱。預熱溫度為170℃。待溫度降至150℃時方可進行焊接。⑥焊接結束后，用烘槍對焊縫進行后熱處理。后熱溫度為200℃，之后采用50mm的保溫棉對焊縫后熱處理部分進行包裹，緩冷至室溫。

表1 立焊焊接參數

表2 橫焊焊接參數

表3 仰焊焊接參數

5. 焊接質量控制

（1）GMAW局部防風措施 ①在焊口周圍用防風塑料布圍成柵欄防風。②在焊口兩側用0.8~1.0mm后鐵皮（或采用三防雨布），如圖16所示制成局部防風裝置。③局部防風裝置用永久磁鐵固定在焊縫兩側，兩端可設置端板，以不影響焊接操作為原則確定其間距，根據焊工的實際需要隨時調整位置。

圖16 局部防風裝置

（2）工藝缺陷對策 主要工藝缺陷對策如表4所示。

表4 工藝缺陷對策

四、結語

實踐證明，在相同的鋼結構類別中，不同的施工方法會使系統從零件到部件，從部件轉換成系統封閉穩定自承重鋼結構體系的路徑不同，因此，所獲得的應力應變結果也不一致，甚至有很大的差異。由于杭州灣跨海大橋海中平臺鋼結構焊接工程采用了本文所述關鍵技術，因此獲得了成功，得到了各方好評，榮獲了全國優秀焊接工程一等獎。