模塊化海工碼頭系船樁制造工藝研究

姜金泉

上海建工（江蘇）鋼結構有限公司 江蘇 南通 226116

隨著國家“一帶一路”倡議實施的不斷深入，以及中國在世界基建領域的地位，越來越多的工程制造公司參與到各種國際工程項目中，承接各種類型的國際工程項目。隨著對外合作的不斷加深，一種模塊化構造技術應運而生[1-2]。

模塊化構造體系包括結構體系、模塊單元類型、模塊單元間連接體系等。所謂模塊化制造，是指結構工廠模塊集成化制作、現場模塊化安裝。模塊化施工可以節約大量的人工、降低造價、縮短現場施工工期。但在模塊化工廠集成化過程中，對結構加工及精度控制有著較高的要求，需要嚴格控制加工精度和結構偏差，確保現場安裝精度。

1 項目背景

CLA項目為力拓礦業集團鐵礦裝卸碼頭維修項目。CLA碼頭設施位于Cape Lambert蘭伯特東北海岸沃爾科特港約2.5 km處。此碼頭屬于棧橋式近海延伸礦山碼頭，為海上安裝施工項目，因地理位置特殊和維修項目本身的特殊性，只能采用模塊化設計構造、工廠集成化制造、現場模塊化安裝。項目現場施工區域如圖1所示。

圖1 項目現場施工區域

2 模塊化構造設計

2.1 模塊化結構構造

鋼結構模塊化構造設計在充分考慮現場安裝便利性的同時，還應考慮到工廠集成化加工及運輸的可行性。采用合理的工廠集成化制造方案與科學的吊裝方式及適當高效的現場安裝方法，從而保證模塊化高效制造以及現場高精度實施。另外，通過Tekla Structure三維設計軟件結合ANSNY有限元分析軟件，為模塊化構造提供了理論依據，進一步為模塊化制造實現創造了條件。

本工程通過合理的結構功能分類結合合理的結構單體匹配，有效地保證了工廠加工、遠洋運輸、現場安裝的順利進行。

2.2 模塊化結構節點連接

合理的節點連接形式不僅有利于工廠加工精度控制，更有利于現場安裝控制，從而降低現場的施工難度，更能體現模塊化設計構造的優勢。本工程各模塊子項位置均采用緩沖支座連接以及栓接節點，減少現場焊接工作，避免現場焊接變形造成的結構精度偏差。

3 模塊化鋼結構加工控制

本文重點闡述此項目中難點較高的Dolphin caps系船樁結構裝配焊接及預裝控制過程，旨在為類似工程項目積累相關工程經驗。Dolphin caps系船樁作為碼頭系統中的主要承載結構，設計時多考慮厚板全熔透焊接形式且內部隔板較多，結構外形尺寸約為9 m×8 m×8 m，與之相互連接的結構較多且連接關系復雜。因此，此結構為該碼頭項目中較為重要的節點結構，其相互連接關系見圖2。

圖2 結構相互連接關系

3.1 建造方法

Dolphin caps系船樁屬于大型構件，且下側樁管均有斜度、非垂直，無法作為制作基準面。為保證制作精度，采用倒置反做法，以上側板平面作為制作基準面，采用由下而上構造法。因結構較大且復雜，為便于裝配，將結構拆分為四部分，進行分步裝配，如圖3所示。

圖3 結構拆分示意

3.2 胎架及加固設置

胎架及支撐作為主要承重受力構件，為預防焊接變形，設置時應考慮具備一定的強度，保證結構的穩定性，避免結構制作過程中失穩，造成安全隱患。同時，胎架及加固工裝措施也屬于剛性固定法，更有利于控制焊接變形，保證焊后加工尺寸精度。

胎架由H型鋼框架及防變形保持板焊接而成，H型鋼需有足夠的強度、剛度、穩定性，采用截面不小于500 mm型鋼。為保證樁腿對接位置、圓管橢圓度，防止對接錯邊超出公差，加固環板厚度20～30 mm，凈寬度不小于450 mm。為保證面板平面度，控制焊接變形，加固勁板厚度20～30 mm，寬度不小于250 mm。

胎架及加固設置如圖4所示。

圖4 胎架及加固設置

3.3 焊接收縮余量加放

焊件受到局部加熱和冷卻時，溫度分布不均勻將使焊件出現不均勻的熱膨脹，熱膨脹受到周圍低溫區金屬抵消、阻礙，不能夠自由膨脹收縮，就會產生焊接應力繼而導致塑性變形。焊接變形在一定程度上會影響焊接件強度、剛度、加工尺寸精度，適當增加焊接收縮余量，有利于控制因焊接變形造成結構尺寸偏差。本結構焊接收縮余量如圖5所示。

圖5 結構焊接收縮余量

3.4 焊接工藝控制

焊接工藝對焊接變形的影響很大[3]。焊縫尺寸大小直接關系到熱影響的大小；焊接坡口的構造將導致結構連接受力或受殘余應力的不同；焊前預熱、焊接的順序、焊道的層次及焊后消氫處理等影響焊縫質量。

項目采用AS 1554.1澳大利亞鋼結構焊接規范，焊縫90%按全熔透焊縫設計，增加了焊接變形控制難度。另外，箱體結構的部分內部隔板需采用分步退裝，采用單邊V形襯墊焊坡口，同樣增加了焊接及變形控制難度。

有效的焊前預熱可以防止根部裂紋的產生。為減少焊接殘余應力及母材淬硬傾向，防止冷裂紋產生，改善焊縫性能，母材焊接前必須進行預熱，可采用電加熱或火焰加熱兩種方式。火焰加熱僅用于個別部位且電加熱不宜施工之處，并應注意均勻加熱，加熱范圍應覆蓋焊縫兩側各100 mm以上。加熱時用測溫筆在離焊縫中心50 mm的地方測溫。加熱范圍及測量方式如圖6所示。

圖6 加熱范圍及測量方式

在焊接結構構造及剛性無法改變時，應充分考慮合理的焊接順序編排及焊縫布置。焊縫若沿構件截面分布不對稱，則會導致該構件焊接時產生彎曲變形。在結構或組合構件的裝配、部件連接以及增加局部臨時加強焊時，應采用的合理工藝與順序以減少變形與收縮。

厚板焊接時應堅持多層多道焊的原則，嚴禁大幅度擺動焊接。寬道焊接時母材對焊縫的拘束應力較大，焊接變形大，焊縫局部溫度過高導致焊縫晶粒粗大，焊縫強度、韌性急劇下降，容易引起開裂及延遲裂紋。多層多道焊的優點：上一層次對下一層次進行了有效的熱處理，改變了焊接接頭的應力應變分布狀態，提高了焊接接頭的綜合性能指標。

焊接過程中嚴格控制焊接參數、焊接順序。每一焊道完工后應將焊渣清除干凈并檢查和清除缺陷，再進行下一層的焊接。每層焊縫始終端接頭應相互錯開不小于50 mm。層間溫度須保持與預熱溫度一致。每道焊縫一次施焊，中途不可中斷。焊接過程中采用邊振邊焊及適當的火焰加熱技術或錘擊消除焊接應力。焊接過程中要注意每道焊縫的寬深比大于1.1。多層多道焊縫形式如圖7所示。

圖7 多層多道焊縫形式

由于厚鋼板焊接時構件的拘束度大，焊縫金屬冷卻速度快，焊縫內應力將明顯高于普通厚度鋼板的焊接，結構拘束度增加，焊縫容易產生裂紋，且主要為焊接冷裂紋。

在裂紋傾向較大時，特別是焊接材料屈服強度大于460 N/mm2、材料厚度大于30 mm時，在考慮使用低氫焊材的同時，焊后應采用200～300 ℃保溫以及2 h消氫處理，以利于焊縫中擴散氫的溢出，有效防止冷裂紋形成。

4 數字化三維測量控制

為使鋼結構節段節點等的加工拼裝精度滿足設計要求，采取全站儀精密三維測量、計算機輔助處理拼裝的方法，建立精度管理系統。

計算機模擬預測多結構拼接結果，通過控制節段節點加工過程精度，進而實現對安裝后整體精度的主動控制。防止由于單個節段節點加工誤差的累積造成安裝后節段節點的位置、線形、扭轉等超差。通過主控點位系統性測量，確保現場安裝質量。

系船樁主控為樁腿斜度尺寸偏差、靠船側法蘭連接平面及孔位偏差、與上層平臺相關連接偏差。

利用全站儀精密三維測量、計算機輔助處理拼裝的方法，保證制作過程中及時調整已有尺寸偏差，采取補救措施。再結合整體預裝及總裝，保證結構的尺寸精度，同時也保證了現場模塊化安裝的精度。首批Dolphin caps系船樁模塊發運及安裝如圖8所示。

圖8 系船樁模塊發運及安裝

5 結語

鋼結構模塊工廠集成化制作，能夠有效地縮短制作周期，但制作過程中的精度控制是提高現場安裝效率的關鍵因素。通過制作過程中裝配、焊接、測量等過程控制，可進一步保證現場安裝精度。

[1] 陳紅磊,陳琛,李國強,等.模塊化鋼結構建筑模塊間節點的研究綜述[J].鋼結構,2018(12):1-5;27.

[2] 郭曉偉.大型結構模塊現場組裝、安裝施工技術探討[J].科技經濟導刊,2018,26(30):1-4.

[3] 陳曉明.特種鋼結構焊接技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2019.