摘要: 焊缝质量的优劣是影响整个钢结构施工质量的重要因素, 也是钢结构施工及监理中需要重点关注的问题。文章结合西宁电视塔工程, 从监理前期和构件加工制作报价阶段以及安装过程, 从材料质量控制、安装工序、焊接工艺等方面, 探讨了钢结施工过程中的焊缝质量控制。
关键词: 钢结构; 焊缝; 质量控制
引言
随着国民经济的发展和工程技术水平的提高, 加之钢结构具有重量轻、塑性和韧性好、工业化制作程度高等诸多优点, 使得钢结构在高层、超高层、大跨度和高耸结构中的应用越来越多。近年来, 钢结构电视塔越来越多地取代钢筋混凝土塔而成为首选的建造方案, 这主要是因为与混凝土电视塔相比, 钢结构电视塔又具有造价低、工期短、抗震性能好、造型多等优点[ 1] 。由于钢结构电视塔往往具有造型独特、高度大、受力复杂的特点, 因而对施工工艺及施工质量要求较高,大部分钢塔都是在工厂制作构件而后运到工地散件安装, 也有些钢塔采用现场拼焊后大件吊装, 无论采用哪种施工方法, 在钢结构施工中都需要进行大量的拼接焊接工作, 作为连接节点的焊缝质量的优劣就成为影响整个钢结构施工质量的重要因素。因而, 对焊缝质量的控制就成为钢结构电视塔在施工监理过程中需要重点关注的问题。为此, 本文结合西宁电视塔工程, 对钢结构焊缝在施工监理中的质量控制技术进行探讨。
1 工程概况
浦宁之珠 西宁电视塔工程, 位于青海省西宁市西山植物园海拔2 395m 的东山顶。钢塔总高188m, 采用组合式钢管空间桁架结构。塔身由4个正方形布置的钢管格构塔柱组成, 塔柱间距45. 8m, 每个塔柱由3根平面布置为等边三角形的圆柱组成, 塔身沿高度布置若干道钢管格构桁架式横隔, 与塔柱构成空间桁架结构。塔楼为空间网球结构, 水平分为十六边, 沿高度分为5 层,网球结构的斜柱上、下边支承在塔身外筒。塔楼抗侧力结构主要由外塔柱内侧8根柱向上延伸形成中筒柱, 中筒采用框架一支撑结构。电梯内筒采用框架结构, 通过位于塔楼避难层处的转换桁
架支承在中筒柱。塔楼风荷载、地震作用等水平荷载通过位于避难层处的水平加强桁架、避难层上、下两层楼板传递给外塔柱。塔楼楼面由钢梁与组合楼板构成, 组合楼板板厚150mm (转换层处楼板厚180mm ), 压型钢板采用开口型, 仅作施工模板, 肋高76mm。塔架中间的电梯筒体为自承重空间桁架结构, 下端支承在塔座结构屋面, 上
端在塔楼下部设置伸缩缝, 与塔楼内电梯内筒脱开, 消除了内筒与外围塔架温差效应的影响。内筒水平风荷载经塔架横膈传给外塔架, 内筒与外塔身之间在横隔处作水平连接, 并保证内筒竖向能自由变形。顶部天线高59. 49m, 为四棱锥体钢管格构结构, 通过塔楼顶部的转换桁架传给内筒结构, 天线沿高度设置若干道水平横隔。
2 施工难点
1)该项目位于西宁市西山植物园海拔2 395m 的东山顶, 属于高原地区, 空气稀薄, 含氧量低,施工效率不高。
2)施工在削平的山头上进行, 施工现场可利用施工场地狭小, 施工作业面难以开展。
3)天线施工阶段操作面很小, 施工安全和施工技术要求较高。
4)转换层及以上结构的施工中需要进行大量的高空焊接工作, 施工难度大。
5)单层壳体塔楼平面刚度差, 吊装施工中易产生变形, 焊缝技术要求较高。
3 施工前期的监理准备
为进一步确保工程质量和工程监理工作正常顺利进行, 达到事前控制的目的, 根据对设计施工图纸和施工技术方案的研究, 结合该项目工程实际, 工程施工前做了如下准备工作。
1)加强对施工承包单位的资质审查由于钢结构工程施工是较为专业的工程, 在选择施工承包单位时及时提醒业主对所选的承包商进行严格的资质审核, 必须具有相应的的专业资质证书。
2)加强对施工作业人员的资格审查钢结构施工作业人员尤其是施焊人员必须具有相应的资格证书方可上岗操作。
3)加强对钢结构深化设计和构件加工单位的甄选工作本工程钢结构深化设计和加工由上海宝冶建设有限公司独立完成, 事前监理方向业主提出, 承包商自行深化设计和加工的构件, 必须提供完整的加工构件图和安装图以及有关的技术控制指标, 并且需要经工程的总设计单位华东建筑设计研究院作技术审查后加盖有效的出图章, 图纸方可生效。
4)认真审查图纸、熟悉有关的施工规范和验收规范, 全面了解施工的各项技术要求和控制指标。组织图纸会审, 会同设计人员解答图纸疑问,认真审查钢结构施工组织设计。
5)组织召开由监理项目部全体成员参加的学习、讨论会, 深入学习验收规范和相关技术知识以及做为本项目监理人员所需要的必备条件和基本要求; 通过对设计施工图纸和施工技术方案的研讨, 编写适合本工程的监理技术方案。
4 施工过程中的焊缝质量控制
4. 1 焊缝质量问题成因分析为了保证工程质量和监理工作的顺利进行,根据设计和施工的各项技术要求, 结合本工程的实际特点, 施工前对可能产生焊缝质量问题的原因进行分析。根据理论分析, 可能产生焊缝质量问题的原因有如下几种情况。
1)构件在加工、运输工程中产生尺寸偏差或变形, 现场在对这些偏差的冷校正过程中势必会产生局部焊接节点的应力过大, 从而产生焊缝裂纹。
2)由于本工程的结构特点, 对加工、安装过程要求较高, 在安装过程中由于累计误差, 在安装部分杆件, 尤其是最后封闭杆件的节点势必产生较大应力, 致使焊缝裂纹产生。
3)构件装配时, 由于局部拼装调整需要对个别相贯口边缘进行手工切割修正, 导致相贯焊缝局部位置间隙过大, 造成焊缝开裂或外观质量不佳。
4)由于对三级焊缝的未熔合、未焊透等没有检验要求, 因此, 对该类焊缝在外观符合三级焊缝要求的同时, 可能存在焊缝熔透深度不足。
5)钢材和焊接材料质量、施工环境、施工单位及施工人员的技术水平是产生焊缝质量问题的重要原因。
4. 2 构件加工制作阶段的焊缝质量控制
( 1)原材下料和变形控制
为了防止构件尺寸偏差和变形产生的集中应力所引起的焊缝质量问题, 驻场监理人员要求构件加工制作人员在钢材下料时应考虑到材料损耗引起的构件尺寸偏差, 保证构件尺寸满足设计要求; 钢材下料过程中因高温而产生的局部变形, 必须在组装前进行矫正, 钢材在1m 范围内的局部挠曲矢高, 其偏差不得大于规范中的允许值; 经过切割的钢板, 在平整度矫正后, 其边缘不平整部分, 须经刨铣加工, 以达到规定的要求。
( 2)焊接变形控制原材焊接拼接时局部高温可能引起钢材的局部变形, 要求施工人员在焊接过程中必须采取有效措施防止焊接变形(如采取预变形措施等), 对焊接接头的间隙, 接头高差按规范要求进行严格控制; 针对本工程中的钢柱、屋面梁等构件多数腹板采用4mm、5mm 厚钢板, 局部采用6mm、8mm厚钢板, 翼缘板采用8mm, 10mm, 12mm 厚钢板,构件刚度不均匀, 焊接过程中变形不一致, 容易产生翘曲变形, 以及结构中焊缝布置不对称易产生的变形。要求施工方在施焊时采取焊前反向预留偏差、采用合理的焊接顺序、氧乙炔加热等方法进行矫正。
( 3)焊接质量控制在保证焊接工艺的前提下, 构件加工制作过程中的焊接质量的控制重点从材料和对焊缝的后期质量检查着手。施焊前严格审核所使用钢材和焊条的规格、型号是否符合设计及规范要求, 不满足要求的材料严禁使用。本工程中设计级别为二级的焊缝, 对其质量的检查分为外观检查和内部检查, 焊缝的外观质量检查主要检查焊缝的高度是否达到设计的要求, 焊缝表面是否有裂纹、焊瘤、气孔、夹渣、弧坑裂纹、未满焊、咬边和气孔以及针眼等缺陷; 焊缝的内部检查采用超声波无损检测的方法进行检查。对于有细小外部缺陷的焊缝, 要求施工方进行返修处理, 但同一焊的处理不能超过两次; 对于不合格焊缝, 严禁出厂使用。通过上述控制措施, 使得构件焊缝质量得到良好的控制, 为构件现场安装打下良好的基础。
4. 3 安装过程中的焊缝质量控制本工程对构件安装过程中的焊缝质量控制主要从构件安装工序及安装精度、焊接施工工艺、材料、焊缝检查四个方面着手进行控制。
4. 3. 1 材料的质量控制与构件加工制作阶段的要求相同, 对所使用的钢材必须具有质量证明书或出厂合格证, 要求写明钢材的炉号、钢号、化学成分和机械性能等。并应按照国家现行的有关标准的规定进行材料的检验, 对使用的焊条严格审核其规格、型号是否符合设计及规范要求, 不满足要求的材料严禁使用。
4. 3. 2 安装工序及安装精度控制本工程钢结构安装过程中采取整体构件先分片安装, 次杆散装补缺的安装方法, 该安装施工方法可以减小焊缝的应力集中带来的影响焊缝质量问题, 能较好地保证焊缝的质量。钢构件的安装精度直接影响焊缝质量, 若构件安装偏差过大, 冷校正过程中势必会产生局部焊接节点的集中应力过大, 安装过程中的累计误差也将在焊接节点处产生较大的应力集中, 过大的集中应力将致使焊缝产生开裂。因此, 必须在施工监理过程中对钢构件的安装精度进行严格控制。根据施工技术方案和该工程的结构布置特点, 重点对平面测量控制网和高程测量控制网进行复核, 以控制构件安装精度。在对平面测量控制网进行复核时, 为了保证测量精度, 复测时间分别选在早上和傍晚两个温度大致相等的时间段进行; 在高程测量复核时, 根据施工进度逐段重点复核塔体内部的钢结构筒体和塔柱外边柱主管的标高和垂直度, 确保构件安装施工偏差在规范允许的范围内。根据工程需要, 对关键节点和关键位置的安装精度随时进行测量复核, 测量复核合格后方可进行焊接。
4. 3. 3 焊接施工工艺控制
( 1)焊前准备
由于本工程施工现场可利用施工场地狭小,尤其是天线施工阶段操作面很小, 施工作业面难以开展, 而施工中需要进行大量的高空焊接工作,为保证焊接施工顺利进行, 要求施工方对焊接区操作脚手架平台的搭设进行严格计算, 并保证平台高度和宽度有利于焊工正常操作。施焊前要求施工方对焊条按规定要求进行烘焙、保温, 并做好烘焙记录, 且焊条严禁暴露在空气中; 同时, 施焊前应检查坡口装配质量, 去除坡口区域的氧化皮、水份、油污等影响焊缝质量的杂
质, 本工程中要求用角向砂轮机去除坡口上的镀锌层后方可进行焊接施工。
( 2)焊接预热控制本工程焊接预热主要采用电加热法, 要求施工时的预热范围严格控制在坡口及坡口两侧不小于板厚的1. 5 倍宽度, 且不小于100mm, 测温点设在加热侧的背面, 距焊接点各方向上不小于焊件的最大厚度值, 但不得小于75mm处。
( 3)焊接施工控制本工程中, 钢管焊接为全位置焊, 同一个接头焊缝连续施焊, 一次完成, 如若不得不中断焊接,则要采取后热、保温措施, 再次施焊前按工艺重新预热。
因该部分施工正值寒冷时节, 当地气温较低,为了保证焊接质量, 防止焊缝区域出现裂缝, 焊接完成后根据现场的实际情况进行必要的保温。为了控制焊接变形和避免产生过大的焊接应力, 焊接施工时, 无论从整体结构还是单个构件都严格遵从对称原则, 但任何杆件的两端不允许同时焊接。
4. 3. 4 焊缝质量检查
( 1)检查方法焊缝质量检查是焊缝质量控制的最后一道关键控制工序。与构件加工制作阶段的焊接质量控制类似, 安装期间的焊缝检查也分为外观检查和内部检查。焊缝的外观检查和构件加工制作阶段的要求相同。安装焊接完成的焊缝内部缺陷, 采用UT 法进行检查, UT在外观检查合格及焊后24 h 后进行, 检查标准严格按GB 11345! 89 标准执行, 并提供相应检查报告。
( 2)焊接缺陷处理措施
如发现焊缝表面有气孔、夹渣, 要求用碳刨清除后重焊; 母材上若产生弧斑, 则要求用砂轮机打磨, 必要时进行磁粉检查; 焊缝内部的缺陷, 根据UT 对缺陷的定位, 要求用碳刨清除。对裂纹, 碳刨区域两端要向外延伸至各50mm的焊缝金属。焊缝同一部位的返修不宜超过两次。如若超过两次, 则要制定专门的返修工艺并报请监理工程师批准。
5 结语
目前, 西宁电视塔工程已施工完成, 从最终施工效果看, 采用前文所述的焊缝质量控制方法, 焊缝总体质量合格率达到98% , 取得了良好的效果。该工程虽然具有其特殊之处, 但也具有普遍意义, 本文中使用的方法为类似工程的焊缝施工质量控制积累了一定的经验, 可为类似工程的施工监理提供参考。
参考文献:
[ 1] 何敏娟, 马人乐. 钢结构电视塔结构形式合理性研究了[ J]. 特种结构, 1998( 3) : 6- 10.