复杂空间钢网格体系焊接工艺评定试验

罗斯，张凌城，韦鹏，何俊霆，文宇豪，汪鹏，高翔

（中冶城市投资控股有限公司，广州 510000）

1 工程概况

金湾航空城市民艺术中心含大剧院、多功能厅、艺术馆、科普馆4 个单体，钢结构工程主要包含3 部分：各单体劲性钢骨、大剧院主舞台顶/观众厅顶钢平台梁和造型屋盖及其支撑结构体系。钢结构屋盖造型独特，结构复杂平面呈蝴蝶形状，外壳结构采用单层钢网格结构体系，支承于主体塔楼屋顶和裙楼混凝土托梁上，最大悬挑约15 m，最大跨度约65 m，总长度约260 m。屋盖按单体划分A、B、C、D 共4 个大区，28 个片区，由21 根树形柱、12 根幕墙柱、31 根屋面支撑组成支撑体系，上部布置空间环形主梁，钢网格为矩形管次梁，如图1 所示。本工程屋盖体系结构复杂，焊接位置、节点形式多，尤其是现场安装施焊难度非常大。本文主要讨论安装阶段的焊接工艺评定试验。

图1 屋盖钢网格体系示意图

2 试件材料和设备

2.1 试件选取

由表1 屋盖钢网格体系概况可知，钢材材质有Q355B、Q420C 两种，构件板厚类型多，范围20～60 mm，截面形式主要为圆形、矩形，其中，钢网格次梁主要采用了成品矩形管，壁厚范围8～22 mm，是本工程的主要特点之一。根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》，结合表1 项目概况，选取试件的材质、板厚/壁厚、管径以及焊接位置需满足以下要求[1-2]：

表1 屋盖钢网格结构体系概况

1）材质：按照实际使用构件类别，选取试件覆盖Q355B、Q420C 两种。

2）板厚：试件板厚需适用工程实际应用构件板厚范围。根据焊接方法类别，试件板厚选定20 mm、25 mm、35 mm、40 mm 4 种，适用3～80 mm 的厚度范围。

3）管材外径：管径越小，施焊难度越大。按照直径覆盖和板厚适用原则，试件管材选定外径450 mm，壁厚25 mm，覆盖直径450 mm 及以上、壁厚3～50 mm 的实际应用管材范围。

4）焊接位置：根据屋盖体系各类杆件的复杂空间连接关系，横焊位置替代平焊位置，直径不小于600 mm 的管材对接可用相应位置关系的板材对接进行替代，选定对接试件位置关系为横焊H、倾斜固定全位置焊6G、倾斜固定加挡板全位置焊6GR。

2.2 焊接方法、材料及设备

焊接采用半自动药芯焊丝二氧化碳气体保护焊（FCAW-G）的方法，药芯焊丝型号T492T1-1C1A（φ1.2 mm），对于采用Q420C 高强材质的构件，焊接采用T554T1-1C1A-N2 型药芯焊丝。气体保护焊采用NB-500 型直流电源焊接（直流反接）。

3 焊接工艺评定试验

根据屋盖钢网格体系的特点，按照材质、板厚、管材外径及类型、接头及坡口、焊接位置关系并兼顾经济性的原则，拟定11 组焊接工艺评定试验项目，编制了焊接工艺评定试验任务书和指导书，并进行了试验[3]。各试件的焊接参数如表2 和表3 所示。焊接前对坡口面及两侧进行打磨，焊接时层间清除熔渣、飞溅和毛刺等，预热温度≥60 ℃，层间温度≤200 ℃。

表2 焊接工艺评定试件参数表（横焊H）

表3 焊接工艺评定试件参数表（全位置6G、6GR）

4 试验结果分析

焊接工艺评定试件检测包含焊缝外观检查、无损检测和力学性能检测3 方面。本项目焊缝质量等级设计要求为全熔透一级焊缝。试件焊接后先进行焊缝外观质量和尺寸检查，不存在裂纹、未焊满、咬边、气孔和夹渣等外观缺陷，焊缝余高和错边满足规范要求。试件焊接完成24 h 后进行超声波无损探伤检测，检测结果符合GB/T 11345—2013《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》2 级标准[4]，焊缝质量良好。

试件力学性能检测标准依照GB 50661—2011《钢结构焊接规范》相关规定，对接接头试件1～7 进行拉伸、侧弯、冲击试验，T 形接头试件8～11 进行宏观金相检验。

如表4 中试验结果所示，试件1～7 对接接头的焊缝强度都高于母材的标准值；侧弯试验结果都为完好未断裂，表明接头塑性良好；冲击试验焊缝和热影响区的冲击吸收能量都大于标准值34 J，且储备值较大，表明对接接头冲击韧性良好。

表4 对接接头力学性能试验结果

试件8～11 T 形接头宏观金相检验表明，酸蚀后焊缝和热影响区部位均未发现裂纹、未熔合等缺陷。

5 结语

金湾航空城市民艺术中心项目屋盖钢网格体系复杂，焊接质量要求高，所进行的焊接工艺评定试验符合规范规定，焊接位置、接头坡口、焊接方法及焊接材料符合钢结构工程安装实际情况和要求。试件的焊缝外观检查和超声波无损探伤、力学性能、宏观酸蚀检测结果均满足规范和设计要求。本项目焊接工艺评定试验为屋盖体系焊缝质量提供了重要保障，施工过程中一次性探伤合格率99.8%，提前30 d 完成钢屋盖封顶，受到各方一致好评，也为类似项目实施提供了参考经验。