上海世博會(huì)中國館鋼結(jié)構(gòu)工程制造與焊接技術(shù)

2010年上海世世博會(huì)中國館館鋼結(jié)構(gòu)工程程制造與焊接接技術(shù)

作者:周觀根,劉貴旺,,趙鑫關(guān)鍵字:焊接,世博會(huì),鋼結(jié)構(gòu)【摘要】本文從分分析鋼結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)入手，詳詳細(xì)介紹了2010年上海世博博會(huì)中國館-地區(qū)館鋼結(jié)結(jié)構(gòu)工程大型型鋼桁架的深深化設(shè)計(jì)方法法、制造技術(shù)術(shù)、焊接方法法、焊接材料料的選用、焊焊接工藝及參參數(shù)的確定和和焊接質(zhì)量的的控制等。這這些技術(shù)對其其他類似鋼結(jié)結(jié)構(gòu)工程大型型鋼桁架的制制造與焊接具具有借鑒作用用。

一、工程概況況2010年上海世世博會(huì)中國館館是上海世博博會(huì)永久性場場館之一，也也是上海世博博會(huì)園區(qū)的核核心建筑與點(diǎn)點(diǎn)睛之筆。中國館位于世世博園區(qū)南北北、東西軸線線交匯處的核核心地段，東東接云臺路，南南鄰南環(huán)路，北北靠北環(huán)路，西西依上南路，軌軌道8號線在基地地西南角地下下穿過。中國國館由國家館館、地區(qū)館和和港澳臺館三三個(gè)部分組成成。國家館高高63m，架空層高33m，架空平臺臺高9m，最大平面面尺寸為138m××138m，建筑面積積約為2.7萬m2。地區(qū)館高13m，建筑面積積約4.5萬m2，港澳臺館館建筑面積約約3000mm2。國家館居中升升起、層疊出出挑，成為凝凝聚中國元素素、象征中國國精神的雕塑塑感造型主體體——東方之冠。地地區(qū)館水平展展開，以舒展展的平臺基座座的形態(tài)映襯襯國家館，成成為開放、柔柔性、親民、層層次豐富的城城市廣場；二二者互為對仗仗、互相補(bǔ)充充，共同組成成表達(dá)盛世大大國主題的統(tǒng)統(tǒng)一整體，見見圖1和圖2。

二、鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)中國館－地區(qū)區(qū)館為大型鋼鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁桁架按其結(jié)構(gòu)構(gòu)形式可分為為：平面桁架架和四邊形空空間桁架。桁桁架桿件采用用箱形或H形構(gòu)件，腹腹桿與上下弦弦桿采取直接接相貫焊接。桁桁架的外形尺尺寸大，單體體重量重，四四邊形空間桁桁架外形尺寸寸為（6500～111000mm）×34000mm×34450mm，上下弦、腹腹桿均為400mmm×400mmm的箱形構(gòu)件件，最重達(dá)50多t。平面桁架架外形尺寸（7911～189882mm）×400mmm×34550mm，上、下弦弦桿為400mmm×400mmm的箱形構(gòu)件件，腹桿為400mmm×400mmm箱形或H形構(gòu)件，最最重達(dá)30多t。桁架最大鋼板板厚度100mm。鋼板材質(zhì)質(zhì)：當(dāng)厚度δ＜40mm時(shí)，采用Q345B鋼材；當(dāng)厚厚度δ=40mmm時(shí)，采用Q345GGJC鋼材；當(dāng)厚厚度δ≥50mm時(shí)，采用了Q345GGJC—Z15鋼材。板厚厚從10mm至100mm共有12種規(guī)格。本工程大型桁桁架為全焊接接結(jié)構(gòu)，構(gòu)造造復(fù)雜，制造造焊接難度大大，如：（1）工程主主要使用了Q345B、Q345GGJC低合金高強(qiáng)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，鋼鋼板最大厚度度100mm，焊接時(shí)，冷冷裂紋敏感性性大。

（2）桁架所有有焊縫均要求求全熔透一級級，質(zhì)量等級級要求高。組組裝時(shí)，大量量焊縫只能采采取CO2氣體保護(hù)半半自動(dòng)作業(yè)，焊焊接工位復(fù)雜雜，對焊工的的焊接技能等等級要求高。

（3）焊縫數(shù)量多，焊接變形傾向大；桁架剛度大，變形后難矯正。

（4）根據(jù)焊接工藝，桁架裝焊時(shí)，要進(jìn)行多次翻身，需設(shè)計(jì)焊接翻身專用胎架。

（5）桁架弦桿采用400mm×400mm×50mm焊接箱形，主焊縫采取單面加襯墊板角對接形式，焊縫熔敷金屬填充量大，翼板產(chǎn)生層狀撕裂傾向大。

（6）大型桁架弦桿與腹桿之間采取了直接相貫焊接，組裝時(shí)需精確定位。模板和支撐材料用量大。三、制造關(guān)鍵鍵技術(shù)1.深化設(shè)計(jì)方法根據(jù)本工程鋼鋼結(jié)構(gòu)形式，深深化設(shè)計(jì)采用用Xsteeel鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)軟件。該軟軟件能快捷、準(zhǔn)準(zhǔn)確地建出結(jié)結(jié)構(gòu)整體三維維實(shí)體模型，并并依據(jù)實(shí)體模模型自動(dòng)導(dǎo)出出桁架及構(gòu)件件深化設(shè)計(jì)圖圖樣（包括尺尺寸規(guī)格及材材料表）。同同時(shí)還能根據(jù)據(jù)預(yù)先給定的的編號原則，自自動(dòng)生成各構(gòu)構(gòu)件及零件編編號命名及組組合，準(zhǔn)確性性極高，大大大降低了錯(cuò)誤誤率。深化設(shè)計(jì)圖樣樣始終與三維維實(shí)體模型緊緊密保持一致致，在施工全全過程中，均均按此模型，確確保各節(jié)段精精度一致，滿滿足設(shè)計(jì)要求求。2.制作技術(shù)中國館－地區(qū)區(qū)館鋼結(jié)構(gòu)加加工制作主要要為平面桁架架和四邊形空空間桁架。平平面桁架由上上下弦桿、腹腹桿（豎、斜斜腹桿）、加加強(qiáng)板以及加加強(qiáng)環(huán)等構(gòu)件件組成；四邊邊形空間桁架架由上下弦桿桿、腹桿（橫橫、豎腹桿和和斜腹桿）、加加強(qiáng)板、支座座底板以及加加勁板等構(gòu)件件組成。桁架架制作技術(shù)可可分為桁架桿桿件的加工和和桁架組裝。（1）桁架桿桿件加工桁架桿件有有焊接箱形和和H形兩種，截截面均為400mmm×400mmm。桿件的加加工全部在相相應(yīng)焊接型鋼鋼自動(dòng)生產(chǎn)線線上完成，以以確保桿件加加工精度要求求。（2）桁架組組裝技術(shù)桁架均為型型鋼組合構(gòu)件件，桿件之間間通過焊接形形成桁架，桁桁架焊縫數(shù)量量多，大量焊焊縫焊接對桁桁架組裝質(zhì)量量的影響不容容忽視。如四四邊形空間桁桁架，桁架桿桿件交匯集中中（部分節(jié)點(diǎn)點(diǎn)處有5根等截面的的焊接箱形構(gòu)構(gòu)件相交），并并在支座處豎豎腹桿兩側(cè)設(shè)設(shè)有8塊1300mmm×11000mm×550mm加強(qiáng)板，制制作難度高。經(jīng)經(jīng)深入分析研研究后，確定定桁架組裝采采取“逐步組裝、分分步焊接、整整體成形”的工藝方法法，組裝工藝藝流程見圖3。圖4和圖5分別為平面面桁架組裝和和四邊形空間間桁架組裝的的現(xiàn)場實(shí)景。四、焊接技術(shù)術(shù)1.焊接材料選選擇焊接材料選擇擇應(yīng)根據(jù)所使使用鋼材（Q345B、Q345GGJC、Q345GGJC—Z15）的力學(xué)性性能、化學(xué)成成分、焊接條條件以及使用用要求等選取取。本工程焊焊接方法主要要有：CO2氣體保護(hù)焊焊、埋弧焊和和CO2氣體保護(hù)焊+埋弧焊組合合焊等，焊接接材料選用見見表1。2.焊接方法（1）桁架桿桿件焊接采取取埋弧焊或CO2氣體保護(hù)焊+埋弧焊組合合焊。（2）桁架組組裝焊接采用用CO2氣體保護(hù)焊焊。3.焊接順序（1）桁架桿桿件桁架桿件焊焊接遵循先內(nèi)內(nèi)后外的總體體原則，縱向向主焊縫由一一端向另一端端施焊。當(dāng)構(gòu)構(gòu)件長度較長長時(shí)，采取從從中間向兩邊邊同時(shí)對稱施施焊。（2）平面桁桁架平面桁架組組裝焊接順序序遵循先弦桿桿后腹桿，然然后焊加強(qiáng)板板和定位板的的原則。在進(jìn)進(jìn)行桁架整體體焊接時(shí)，以以桁架中心線線為軸線對稱稱的腹桿焊縫縫同時(shí)施焊。在進(jìn)行桁架腹腹桿裝焊時(shí)，先先焊立焊縫，后后焊平焊縫。同同一接口由兩兩名焊工對稱稱施焊，見圖圖6。（3）四邊邊形空間桁架架四邊形空間間桁架裝焊順順序?yàn)椋菏紫认冗M(jìn)行兩邊平平面桁架的裝裝焊，然后進(jìn)進(jìn)行桁架中間間橫腹桿、豎豎桿和加強(qiáng)板板的焊接，最最后進(jìn)行支座座底板、加勁勁板的焊接，見見圖7。在進(jìn)行桁架腹腹桿裝焊時(shí)，先先焊立焊縫，后后焊平焊縫，同同一接口由兩兩名焊工對稱稱施焊。4.焊接參數(shù)焊接參數(shù)數(shù)如表2所示。5.焊接質(zhì)量控控制技術(shù)（1）厚鋼鋼板窄間隙坡坡口技術(shù)依據(jù)《建筑筑鋼結(jié)構(gòu)焊接接技術(shù)規(guī)程》(JGJ881—2001)相關(guān)規(guī)定，在在滿足焊縫質(zhì)質(zhì)量的條件下下，對桁架弦弦桿截面為400mmm×400mmm×50mmm的箱形構(gòu)件件坡口大小進(jìn)進(jìn)行了修改，采采取了厚鋼板板的窄間隙坡坡口技術(shù)，坡坡口角度由原原來的35°變?yōu)?0°，翼腹板間間距由6mm變?yōu)?mm，見圖8。不僅大大大減少了焊接接熔敷金屬的的填充量，提提高了生產(chǎn)效效率，還大大大提高焊縫成成形的合格率率。（2）焊接翻翻身胎架的設(shè)設(shè)計(jì)如圖9所示，四邊邊形空間桁架架8塊1300mmm×11000mm×550mm支座加強(qiáng)板板，板四邊分分別與桁架橫橫腹桿和豎腹腹桿相焊，焊焊縫坡口形狀狀均為單面加加襯墊板，采采取CO2氣體保護(hù)半半自動(dòng)焊，焊焊接難度大。焊焊接時(shí)采取以以下焊接順序序：先進(jìn)行焊焊縫①的立焊，焊焊至焊縫坡口口深度的1/3時(shí)，將桁架架翻身進(jìn)行焊焊縫②的焊接，當(dāng)當(dāng)焊縫②焊至坡口深深度的1/3時(shí)，再翻身身至焊縫①進(jìn)行焊接，按按此對稱順序序直至焊縫焊焊接完成。每每塊加強(qiáng)板兩兩邊焊縫由兩兩名焊工同時(shí)時(shí)對稱施焊。構(gòu)構(gòu)件翻身，采采用自制焊接接翻身專用胎胎架，見圖10。（3）焊接預(yù)預(yù)熱預(yù)熱采取履履帶式電加熱熱片進(jìn)行，預(yù)預(yù)熱溫度見表表3。（4）焊后熱熱處理當(dāng)使用鋼板板厚度δ≥40mm時(shí)，焊后需需進(jìn)行后熱消消氫處理，其其加熱溫度為為200～250℃。而后采用用多層保溫棉棉覆蓋，保溫溫時(shí)間依據(jù)鋼鋼板厚度按每每25mm≥0.5h，且總保溫溫時(shí)間≥1h。五、結(jié)語（1）利用專專用軟件進(jìn)行行數(shù)字化空間間三維實(shí)體建建模，并自動(dòng)動(dòng)生成深化設(shè)設(shè)計(jì)詳圖；準(zhǔn)準(zhǔn)確性極高，大大大降低了人人工轉(zhuǎn)化出錯(cuò)錯(cuò)率。

（2）對焊接箱箱形構(gòu)件的