1、高海拔、大温差、大跨度复杂钢结构中铸钢件施工技术【摘 要】本论文主要针对西藏地区的环境特点，结合西藏会展中心钢结构施工过程的经验，重点论述铸钢件施工在高海拔、大温差、大跨度负责钢结构中的应用及施工技术，因为此项目环境的特殊性，同行业人员同类地区施工可借鉴此施工技术。 【关键词】高海拔；大温差；大跨度管桁架；铸钢件；施工技术 工程概况 西藏会展中心管桁架钢结构屋盖由平面管桁架组成，属大型管桁架结构，屋面桁架部分结构体系复杂，多杆件交叉相贯，主桁架次桁架交错连接，为体现建筑设计白云漂浮的理念，场馆顶部及边缘飘带次桁架、悬挑结构较多，管管相管节点复杂， 。其中会展中心 1 号馆及 2 号馆为全钢结构
2、，其中 1 号展馆最大高度约为 27.285 米，最大跨度 58 米，最大悬挑长度约为 16.0 米；2 号展馆最大高度约为 27.582 米，最大跨度75.6 米，最大悬挑长度约为 16.2 米。屋面采用双向空间管桁架结构体系，并通过若干斜杆支撑于框架结构柱顶。 本工程铸钢件选型特点 本项目设计初考虑节点部位多个杆件交汇，连接杆件薄厚不一、管管相贯连接复杂，杆件应力分布无规律、直接动力荷载要求高。 铸钢件晶粒粗大，可焊接性能较母材差，晶间存在低熔点偏析，且杂质较多，高的热应力作用情况下可能导致铸钢件内部热裂纹；铸钢件本身存在疏松气孔，焊接过程中内部气体的分解，增加了熔池中气体的成分，易产生气
3、孔； 综上所述，铸钢件在大跨度结构中应用，需要从材料选择、到节点深化设计、到工厂出厂验收、再到现场施焊全过程必须层次把关，考虑西藏地区高海拔、大温差的环境特点，对现场施焊进行有针对性的准备，充分发挥铸钢件在复杂钢结构中应用的优点。 铸钢节点设计 铸钢节点设计时，铸钢件受力计算截面考虑与之连接的管材对应的截面积，材质、节点构造受力等，如不满足规范条件将会给铸钢节点的制作和受力带来极大风险，给结构安全带来严重隐患。所以节点的设计不仅须满足承载能力要求，同时还应考虑铸造、制作及焊接工艺方面的要求。综合以上因素，本项目铸钢类型选择空心实心结合的结构，在减轻重量的同时，确保结构受力要求，同时满足焊接及铸
4、造要求。 多管相贯位置采用材质为 G20Mn5QT 的铸钢件与母材低合金钢 Q345C焊接。G20Mn5QT 为焊接结构用铸钢，淬火加回火处理，其冲击韧性、抗拉强度有较好提高，其力学性能与母材相近匹配性好，因铸钢材料屈服强度叫母材低，考虑综合受力，将铸钢相应壁厚加厚，以弥补其力学性能欠缺。 接头类型考虑管壁厚度较厚，焊接填充量大，势必造成焊接热输入增加，为确保接头力学性能，并充分利用铸钢自身特点，将铸钢件接头设计为台阶、匀顺过度坡口形式，在满足焊接角度的前提下，减少填充量，减低接头热输入。 铸钢件厂内铸造控制 鉴于铸钢节点应用于本工程荷载较大、受力复杂的关键部位，加上铸钢材料本身固有的一些缺点
5、，因此铸钢件自身可靠与否直接关系到整体结构的安全。为此项目从厂家选择、合同中技术质量约束、排专职检验员及第三方无损检测人员驻厂，全程跟踪验收，确保出厂应用与工程之铸钢件的 100%合格。 出厂之前对铸钢件母材焊接接头的台阶部位 150 毫米区域、销轴孔四周 150进行超声波检测，检测标准为：GB/T/T7233铸钢件超声波探伤及质量评级方法 ，质量等级为 II 级。对变截面或交接部分以及接头的坡口面，按 GB/T9444铸钢件磁粉探伤及质量评级方法 ，采用磁粉表面探伤，II 级合格，按铸钢节点应用技术规程CECS235：2008 标准规定，对铸钢件其余外观质量要求进行验收。 在铸造每一批次构件
6、同时铸造一个理化性能试件，送相应资质实验室进行理化性能试验，以确保其内在质量满足相关标准要求，不合格试件代表批次拒绝出厂，依据先关标准进行处理，直至满足要求时出厂。 焊接工艺 本工程为 G20Mn5QT 的铸钢件与低合金钢 Q345C 管对接焊接，在高海拔、大温差的西藏地区尚属首例，无成熟经验借鉴，为此根据建筑钢结构焊接技术规程 （JGJ81-2002）要求，结合西藏地区施工环境，昼夜温差较大、日照时间长、紫外线强，面光侧与背光测存在较大温差，易产生温度应力，考虑以上因素确定做数组焊接工艺试验，以确保施焊工艺满足接头性能要求，试验全程跟踪控制，业主及监理单位见证进行。 焊接工艺指导书（表一）
7、预热温度（） 150-200（铸钢侧） 层间温度（） 15010 后热温度（）及时间（min） 250 2h 焊接工艺参数 道次 焊接 方法 焊条或焊丝 焊剂或 保护气 保护气流量（L/min） 电流（A） 电压（V） 焊接速度（cm/min） 热输入（kl/cm） 备注 牌号 （） 1 FCAW-G THY-51B 1.2 CO2 20-25 150200 2628 1015 - 正 2-5 FCAW-G THY-51B 1.2 CO2 20-25 180250 2632 1015 - 正 技术措施 焊前清理 打磨 道间清理 打磨 背面清根 - 其他： 控制焊前预热温度、焊中层间温度、焊后保
8、温温度，应避免受热条件不足及散热较快而产生焊道裂纹。 加强对根部焊道的检验，确认无缺陷后方可进行填充焊道和盖面焊道的焊接。填充焊道和盖面焊道亦采用小电流、快速度、多层、多道焊接工艺措施。 焊后加热温度至 250-300后石棉包裹保温两小时。 图 1 焊前预热 图 2 红外测温仪温度测量控制 图 3 钳形表测量焊接瞬时电流、电压 图 4 焊后石棉保温 焊缝检测及探伤 焊后对焊缝外观进行检验，目测有无气孔、咬边、未焊满、弧坑、裂纹等超标缺陷。必要时借助于放大镜、焊缝量规等工具进行目视检测。外观检验合格后打磨焊缝两侧至规定宽度，依据国家规范及图纸设计文件进行无损检测，为确保焊缝内在质量，避免延迟裂纹
9、漏检，必须确保无损检测在焊后 24 小时候进行。 焊接接头理化试验 对所有焊接试件均委托具有资质的实验室进行见证试验，最终见证试验结果显示，本工艺接头力学性能满足相关标准要求，具有良好的冲击韧性和较高的抗拉强度，工艺试验结果邀请业内焊接专家进行焊接工艺评定，最终确定采用本工艺进行现场焊接。 铸钢件现场安装及定位 本工程所用铸钢件均为多管相贯节点，支管角度各异，并有穿销轴耳板铰接节点穿插其中，这给铸钢件出厂验收及安装测量定位带来一定难度，为此，项目借鉴国内类似复杂铸钢结构的定位方法，结合现场实际，确定采用节点坐标拟合测量定位的方法进行测量，将铸钢件摆放在平台上，用全站仪实测特征点，将测量数据采集
10、后用 CAD 模拟实际线型，将实测模型套入设计位置进行拟合处理，从而确定实际铸钢件在设计图纸中的拟合绝对坐标，此坐标用于现场安装测量，具备唯一性，且已经与实际进行拟合，消除铸钢件铸造误差，确保实际测量定位准确。 西藏地区属于高海拔，大温差地区，昼夜温差较大，白天各时段温差也有明显差别，管桁架拼装后进行焊接，必须考虑温差造成的收缩变形问题，且铸钢件自身属于大填充构件，支管方向各异，在焊接是必须按照既定减小焊接应力、温差应力的方案进行焊接，本工程为确保焊接后整体尺寸，减少应力影响，采取同步、对称、分段焊接，先进行构件中部铸钢件主管焊缝焊接，上下弦杆两人同时焊接，便于焊接收缩同步，从中间向两头对称施
11、焊。腹杆采用从下弦到上弦的顺序，两人从中间向两边延伸对称焊接。铸钢件位置严格执行焊接工艺，做好预热，保温等措施。 结语 本工程经过国家钢铁研究院及西藏质检站对焊缝进行 100%超声波检测，自检合格率 97%，第三方检测合格率 100%，无危害性裂纹缺陷，达到既定质量目标，为项目争取西藏自治区“雪莲杯”打下坚实的基础。 大跨度复杂钢结构中，铸钢件已应用广泛，特别适合复杂节点，避免采用拼接节点的焊接应力集中现象，采取整体铸造节点，保证整体的力学性能，经过正火回火等热处理工艺，有效减少残余应力。在高海拔大温差的西藏地区，铸钢件施工还没有成熟施工经验，通过西藏会展项目现场施工工艺的实际实施，总结经验，汇集各方所长，形成一套适合高原的铸钢件施工技术，同行类似项目可借鉴使用推广。
