杭州湾跨海大桥海中平台钢结构工程焊接关键技术

浙江精工钢结构有限公司 （绍兴 312030） 何乔生 戴为志 曾祥文 陆安洪

一. 钢结构概况

跨海大桥海中平台位于杭州湾跨海大桥K66+120处下游150m，平台成椭圆形，平台上部结构造型为大鹏展翅，平台建筑面积为36 616.73m2，六层，建筑高度为24m。观光塔位于海中平台的东侧，观光塔总建筑面积为5100.42m2，地上16层，建筑高度为145.6m，如图1所示。

图1 跨海平台工程

主体结构采用钢框架支撑结构体系，柱网采用6m×8m与12m×8m柱网相结合，柱采用φ800mm×32mm的圆管截面，底部三层为钢管混凝土柱，框架支撑布置在10、11、17、25轴及E、F、G、J、K、L轴，自承台顶到结构顶部，楼层结构平面由椭圆形转变为不规则形状。主梁截面有H750mm×400mm×18mm×25mm，H750mm×450mm×18mm×25mm，H750mm×450mm×20mm×30mm三种，楼盖采用钢筋混凝土楼板。

屋盖采用焊接球网架结构。悬挑部分采用三层网架，其余部分采用双层网架。网架由下弦多点支撑，鸟尾设斜撑。网架中间为天窗架，由管桁架与网架连接。

观光塔为筒体结构，筒体由半径4.6m圆上均匀分布的八根柱及柱间支撑等共同构成，其平面布置为八边形。筒体柱截面为φ800mm、φ1600mm，在筒体中部有部分为变截面柱。观光塔顶部竖有桅杆，桅杆高18.84m，底部固定于观光塔水箱层。

二、焊接特点与难点

1. 焊接施工特点

（1）节点形式复杂，焊接难度高。

（2）铸钢件与Q345异种钢焊接质量控制。

（3）焊接变形控制尤为重要，难度很高。

2. 焊接施工难点

（1）钢结构焊接变形及残余应力控制难度大。

（2）圆管及椭圆管焊接均为全位置焊接，焊接技术水平要求高，焊接质量控制难度大。

（3）海上海风大，湿度比较高，导致焊缝金属中氢的聚集，容易形成冷裂纹。

3. 焊接方法

综合考虑工程现场焊接效率和操作难度，平台和网架采用CO2气体保护焊；观光塔21.9m以下采用CO2气体保护焊，21.9m以上采用焊条电弧焊或药芯自保护焊。

三、焊接工程的关键技术

1. 平台的焊接原则

杭州湾平台现场焊接必须遵循以下原则：统一对称、分片进行；自中心向四周推进；单杆双焊、双杆单焊。

（1）分区对称焊接 平台分为3个焊接施工区(A区、B区及C区，见图2)，先进行A区和B区的对称施焊，施工区域布置一个焊接施工班组，A区和B区焊接结束后，再进行C区杆件安装，待C区所有杆件安装就位后，进行焊接。

图2 平台分区示意

（2）局部构件焊接顺序 两根圆管柱之间梁的焊接顺序如图3所示。

图3 局部构件焊接顺序示意

2. 网架的焊接原则

杭州湾网架现场焊接必须遵循以下原则：统一对称、分片进行；自中心向四周扩散焊接；隔片（奇、偶）焊接；单杆双焊、双杆单焊。

（1）网架结构焊接顺序 根据现场安装顺序先进行两边“翅膀”的安装，再安装中间桁架。特制定以下焊接顺序。

确定全面开焊时间：对单个翅膀纵向分为1～11个。纵向1～2为A片，2～3为B片……10～11为J片，最后为K片，共11片。按照顺序安装横向钢件（1～11）之后，再安装纵向腹杆（A～K），焊接腹杆（A～K）时应隔片焊接，焊接顺序A→C→B→D→F→E→G→I→H→J→K（见图4、图5）。

焊接顺序：统一对称、分片进行；自中心向四周扩散焊接；隔片焊接；单管双焊、双管单焊（见图6、图7）。

图4

图5

图6

正式施焊时，从中心向四周施焊，分两组焊工同时施工，保证每个班组的焊机数量与焊工人数相同，焊接电流、电压及焊接速度尽量一致，在图7中以中心a（1）为对称点进行焊接。焊接顺序如图7所示，先焊接1→2→3→4→5，再焊接①→②→③→④→⑤，为减少焊接变形先焊奇数杆件，再焊偶数杆件。

图7

（2）焊接要求 网架构件连接处用夹具固定，不能定位焊。如情况特殊需用定位焊，严禁在焊缝坡口处使用。

3. 观光塔的焊接原则

杭州湾观光塔现场焊接必须遵循以下原则：统一对称，分区进行；先内后外，隔节焊接；单杆双焊，双杆单焊；分节合拢。

（1）分区对称焊接 观光塔以平面圆为基准，分为两个焊接施工区(A区和B区)，每个焊接施工区域布置一个焊接施工班组，保证每个班组的焊机数量与焊工人数相同，焊接电流、电压相同，焊接速度尽量一致，以圆心为对称点进行焊接，如图8所示。

图8 焊接顺序

（2）先内后外，隔节焊接 观光塔焊接顺序如下：①安装内环一节柱：内1柱和内2柱，柱之间梁用耳板连接，然后依次安装内3柱及内2、3柱之间的梁到内8柱及内8、1柱之间的梁。 ②安装外环一节柱：安装外1柱，将外1柱和内1柱的梁安装，用耳板连接；安装外2柱，将外2柱和外1柱及外2柱和内2柱之间梁用耳板连接；然后依次安装外3柱直至外8柱。③安装内2节柱和外2节柱：安装顺序同内1节柱和外1节柱的安装。④内1节柱的焊接：以合拢口（内柱4）为基准。焊接顺序如图9、图10所示。

图9 观光塔平面图

图10 观光塔内环焊接顺序

（3）外1节柱的焊接 先焊环向梁后焊径向梁。以合拢口（外柱4）为基准，两区进行对称施焊。环向梁焊接顺序(见图10)：a→b→c→d→e→f，g处为合拢口。径向梁焊接顺序(见图11):h→i→j→k→l→m→n→o→p→q。

（4）梁的焊接 每段柱之间梁的焊接，按照由下向上的顺序进行施焊。

单杆双焊、双杆单焊：针对环向梁、径向梁采用此焊接原则，如图12、图13所示。单杆双焊即两根梁与柱间的焊缝采用两人对称焊，要求保证焊接速度一致，焊接电流、电弧电压相同。

双杆单焊即横梁与立柱焊接，先焊接一端，待焊缝温度冷却至常温方可进行另一端的焊接。

图11 观光塔外环焊接顺序

图12 单杠双焊示意

图13 双杠单焊示意

分节合拢：观光塔焊接时，每层设置焊接合拢，相邻层合拢位置依次错开90°→45°→90°→45°，控制顶层合拢温度。合拢温度就是钢结构在合拢过程中的初始平均温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点。

4. 铸钢件焊接关键技术

（1）铸钢件坡口形式 观光塔圆管柱与弧形柱转换部位采用铸钢GS-20Mn5V（调质）材料，上下圆管结构采用Q345GJC钢材。接头焊接为铸钢件与建筑结构钢的异种钢接头焊接，其连接接头的焊接坡口形式如图14所示。铸钢件模型如图15所示。

图14

图15

（2）铸钢件与异种钢焊接的工艺原则 ①正确选用焊条及相应焊材是异种钢焊接成功的关键。②在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若强度和塑性不能兼顾时，则应选塑韧性较好的焊条和焊材。焊缝金属性能只需要符合两种母材中的一种即认为满足使用技术条件要求。③对相同等级结构钢焊条选用时，优先考虑抗裂性能好的低氢型焊条。在满足性能要求的前提下，选用工艺性能好、价格低、易于采购的焊条。④预热温度一般应根据淬硬裂纹倾向大的一侧母材和焊缝金属合金化程度的大小综合确定，应通过焊缝工艺评定来确定。⑤焊工要专门进行培训，应具有焊接质量保证体系及技术责任制，并在监理的督促下进行。

（3）铸钢件焊接工艺 ①预热温度为150℃。②层间温度控制在150~200℃。③焊接参数选择如表1~表3所示。④铸钢GS—20Mn5V为改善了焊接性的铸造调质钢，焊接性能良好，但是由于接头板厚，原则上拟采用稍高的焊前预热温度来防止裂纹，作为调质钢材，要控制热输入量和道间温度的上限，以防止近缝区软化，同时采取道间锤击工艺，松弛接头焊接收缩应力。⑤铸钢件与异种钢施焊前应进行焊前预热，采用2~3把烘枪进行火焰预热。预热温度为170℃。待温度降至150℃时方可进行焊接。⑥焊接结束后，用烘枪对焊缝进行后热处理。后热温度为200℃，之后采用50mm的保温棉对焊缝后热处理部分进行包裹，缓冷至室温。

表1 立焊焊接参数

表2 横焊焊接参数

表3 仰焊焊接参数

5. 焊接质量控制

（1）GMAW局部防风措施 ①在焊口周围用防风塑料布围成栅栏防风。②在焊口两侧用0.8~1.0mm后铁皮（或采用三防雨布），如图16所示制成局部防风装置。③局部防风装置用永久磁铁固定在焊缝两侧，两端可设置端板，以不影响焊接操作为原则确定其间距，根据焊工的实际需要随时调整位置。

图16 局部防风装置

（2）工艺缺陷对策 主要工艺缺陷对策如表4所示。

表4 工艺缺陷对策

四、结语

实践证明，在相同的钢结构类别中，不同的施工方法会使系统从零件到部件，从部件转换成系统封闭稳定自承重钢结构体系的路径不同，因此，所获得的应力应变结果也不一致，甚至有很大的差异。由于杭州湾跨海大桥海中平台钢结构焊接工程采用了本文所述关键技术，因此获得了成功，得到了各方好评，荣获了全国优秀焊接工程一等奖。