上海世博會中國館鋼結構工程制造與焊接技術

2010年上海世世博會中國館館鋼結構工程程制造與焊接接技術

作者:周觀根,劉貴旺,,趙鑫關鍵字:焊接,世博會,鋼結構【摘要】本文從分分析鋼結構特特點入手，詳詳細介紹了2010年上海世博博會中國館-地區(qū)館鋼結結構工程大型型鋼桁架的深深化設計方法法、制造技術術、焊接方法法、焊接材料料的選用、焊焊接工藝及參參數(shù)的確定和和焊接質量的的控制等。這這些技術對其其他類似鋼結結構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年上海世世博會中國館館是上海世博博會永久性場場館之一，也也是上海世博博會園區(qū)的核核心建筑與點點睛之筆。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、互相補充充，共同組成成表達盛世大大國主題的統(tǒng)統(tǒng)一整體，見見圖1和圖2。

二、鋼結構特點中國館－地區(qū)區(qū)館為大型鋼鋼桁架結構，桁桁架按其結構構形式可分為為：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的箱形構件件，最重達50多t。平面桁架架外形尺寸（7911～189882mm）×400mmm×34550mm，上、下弦弦桿為400mmm×400mmm的箱形構件件，腹桿為400mmm×400mmm箱形或H形構件，最最重達30多t。桁架最大鋼板板厚度100mm。鋼板材質質：當厚度δ＜40mm時，采用Q345B鋼材；當厚厚度δ=40mmm時，采用Q345GGJC鋼材；當厚厚度δ≥50mm時，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構，構造造復雜，制造造焊接難度大大，如：（1）工程主主要使用了Q345B、Q345GGJC低合金高強強度結構鋼，鋼鋼板最大厚度度100mm，焊接時，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，質量等級級要求高。組組裝時，大量量焊縫只能采采取CO2氣體保護半半自動作業(yè)，焊焊接工位復雜雜，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，要進行多次翻身，需設計焊接翻身專用胎架。

（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，組裝時需精確定位。模板和支撐材料用量大。三、制造關鍵鍵技術1.深化設計方法根據(jù)本工程鋼鋼結構形式，深深化設計采用用Xsteeel鋼結構設計計軟件。該軟軟件能快捷、準準確地建出結結構整體三維維實體模型，并并依據(jù)實體模模型自動導出出桁架及構件件深化設計圖圖樣（包括尺尺寸規(guī)格及材材料表）。同同時還能根據(jù)據(jù)預先給定的的編號原則，自自動生成各構構件及零件編編號命名及組組合，準確性性極高，大大大降低了錯誤誤率。深化設計圖樣樣始終與三維維實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，滿滿足設計要求求。2.制作技術中國館－地區(qū)區(qū)館鋼結構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）、加加強板以及加加強環(huán)等構件件組成；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）、加加強板、支座座底板以及加加勁板等構件件組成。桁架架制作技術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焊接型鋼鋼自動生產線線上完成，以以確保桿件加加工精度要求求。（2）桁架組組裝技術桁架均為型型鋼組合構件件，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)點點處有5根等截面的的焊接箱形構構件相交），并并在支座處豎豎腹桿兩側設設有8塊1300mmm×11000mm×550mm加強板，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)場實景。四、焊接技術術1.焊接材料選選擇焊接材料選擇擇應根據(jù)所使使用鋼材（Q345B、Q345GGJC、Q345GGJC—Z15）的力學性性能、化學成成分、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氣體保護焊焊、埋弧焊和和CO2氣體保護焊+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氣體保護焊+埋弧焊組合合焊。（2）桁架組組裝焊接采用用CO2氣體保護焊焊。3.焊接順序（1）桁架桿桿件桁架桿件焊焊接遵循先內內后外的總體體原則，縱向向主焊縫由一一端向另一端端施焊。當構構件長度較長長時，采取從從中間向兩邊邊同時對稱施施焊。（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，然然后焊加強板板和定位板的的原則。在進進行桁架整體體焊接時，以以桁架中心線線為軸線對稱稱的腹桿焊縫縫同時施焊。在進行桁架腹腹桿裝焊時，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為：首先先進行兩邊平平面桁架的裝裝焊，然后進進行桁架中間間橫腹桿、豎豎桿和加強板板的焊接，最最后進行支座座底板、加勁勁板的焊接，見見圖7。在進行桁架腹腹桿裝焊時，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.焊接質量控控制技術（1）厚鋼鋼板窄間隙坡坡口技術依據(jù)《建筑筑鋼結構焊接接技術規(guī)程》(JGJ881—2001)相關規(guī)定，在在滿足焊縫質質量的條件下下，對桁架弦弦桿截面為400mmm×400mmm×50mmm的箱形構件件坡口大小進進行了修改，采采取了厚鋼板板的窄間隙坡坡口技術，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設計如圖9所示，四邊邊形空間桁架架8塊1300mmm×11000mm×550mm支座加強板板，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氣體保護半半自動焊，焊焊接難度大。焊焊接時采取以以下焊接順序序：先進行焊焊縫①的立焊，焊焊至焊縫坡口口深度的1/3時，將桁架架翻身進行焊焊縫②的焊接，當當焊縫②焊至坡口深深度的1/3時，再翻身身至焊縫①進行焊接，按按此對稱順序序直至焊縫焊焊接完成。每每塊加強板兩兩邊焊縫由兩兩名焊工同時時對稱施焊。構構件翻身，采采用自制焊接接翻身專用胎胎架，見圖10。（3）焊接預預熱預熱采取履履帶式電加熱熱片進行，預預熱溫度見表表3。（4）焊后熱熱處理當使用鋼板板厚度δ≥40mm時，焊后需需進行后熱消消氫處理，其其加熱溫度為為200～250℃。而后采用用多層保溫棉棉覆蓋，保溫溫時間依據(jù)鋼鋼板厚度按每每25mm≥0.5h，且總保溫溫時間≥1h。五、結語（1）利用專專用軟件進行行數(shù)字化空間間三維實體建建模，并自動動生成深化設設計詳圖；準準確性極高，大大大降低了人人工轉化出錯錯率。

（2）對焊接箱箱形構件的