大剧院钢屋盖结构吊装焊接分阶段施工技术研究

1　工程概况

榆林文化艺术中心即榆林大剧院地处榆林市高新区，为框架剪力墙，局部钢结构，总体以地下2层以及地上4层为主要构成的6层建筑结构，总高34.8m，整体建筑面积为41500m ² 。钢结构工程主要由观众厅屋面钢结构、主舞台屋面钢结构、观众厅屋面光桥及格栅屋面钢结构、屋面装饰构架钢结构等部分构成。钢结构屋盖分布效果如图1所示。

   

图1　榆林文化艺术中心钢结构屋盖分布效果

钢结构形式有多种类型，如钢桁架以及平面钢架等，由于观众厅屋盖结构较其他几种结构最为复杂，单榀重量最高可达53t，且吊路程最远，因此只针对观众厅屋盖钢结构进行吊装焊接分阶段施工技术研究。

观众厅屋盖钢结构实际上是以纵向三榀型钢桁架、横向H形钢梁为主要支撑。桁架跨度为30m，上下弦均为焊接H型钢，钢梁以及周边混凝土结构埋件相连接，并且将三榀型钢桁架连接成较为完整的平面空间钢体系，剩余面光桥以及影响桥均处于桁架下部，隶属下挂体系，材质均为型号为Q345C的钢材。

2　大剧院钢屋盖结构吊装焊接分阶段施工

2.1　大剧院屋面钢结构分段拼装焊接

2.1.1　大剧院屋面钢结构桁架拼装焊接与胎架设置

由于大剧院观众厅钢屋盖采用的钢构件界面尺寸较大，地面拼装具有一定的复杂性，且钢屋面结构跨度较大，观众厅屋盖面桁架每榀重量约53t，整榀桁架跨度达到了30m的距离，因此各钢构件在拼装时采用特种设备以及地面拼装架，也就是胎架完成，桁架在工厂分阶段制作，然后运输至大剧院施工现场，在高空进行整体拼接。

胎架是一种能够为钢结构屋面桁架拼装焊接提供便利的工艺性设备，对其实施合理的设置是能够使大剧院屋面钢结构分段拼装焊接工作得以有效完成的首要前提。设置时应使其高度最低位置能够满足全部钢结构桁架焊接工作需要的高度，且要保持其稳定性，不能使搭设出的胎架产生明显晃动，否则不仅会使钢结构桁架焊接工作效果受到影响，还有可能危害工作人员的人身安全。

在大剧院屋面钢结构桁架拼装焊接工作中，为有效避免刚性平台因沉降作用引发胎架变形，在胎架设置过程中，应在其旁设立胎架沉降现象观察点，以便于及时观察是否有胎架变形状况发生，及时调整，待沉降现象达到一定平稳状态后，再实施大剧院屋面钢结构桁架拼装焊接。

2.1.2　大剧院屋面钢结构桁架弦杆定位组装与分段焊接

胎架设置工作完成后，通过20t行车式起重机对钢结构桁架在水平方向的上弦杆、下弦杆以及胎架实施吊装，并进行准确定位。与此同时，对在竖直方向的某一相邻小分段的上弦杆、下弦杆实施合理吊装定位。值得注意的是，上下弦杆定位过程中，还需预留出焊接收缩空间余量，接口部位使用强肋实施合理固定，焊接部分需要用明确的标记识别。组装桁架腹杆之前，首先要确定上下弦杆的位置并完成焊接工作。在安装腹杆时，应将其与平台上的投影中心线对准，并保证弦杆之间有充足的合理间隙。

因该艺术中心观众厅屋盖钢结构较为复杂，故其对焊接工作的质量以及工期要求比较高，以往在对屋盖钢结构实施焊接时，多采用手工电弧焊的方式，尽管其操作简单，适应性较强，但是在完成相关焊接工作时，却需要消耗更多的能量和时间，焊接后的钢结构也相对容易出现变形状况，显然不能满足该大剧院观众厅钢屋盖结构对焊接效果的要求。二氧化碳气体保护焊接技术是将二氧化碳当成电弧性介质，在高温条件下将要焊接构件表面高温熔化，将其焊接成一体。与手工电弧焊相比，该技术产生的熔渣较少，并且在进行焊接时，产生气体可给予焊区很好的保护，将其应用于屋盖钢结构桁架焊接过程中，不仅焊接效率较高，焊缝质量也较高，为此采用该技术对桁架实施焊接。

采用该技术对屋盖钢结构桁架实施焊接时，首先应对焊丝直径、焊接电流以及焊接电压3个主要参数进行正确选择。在选择焊丝直径时，通常需要考虑多种因素，但是对其选择影响最大的因素为母材的厚度，焊丝直径选择标准见表1。

表1　焊丝直径选择标准            mm

   

因在大剧院钢屋盖结构所使用的原材料厚度均在4mm以上，因此对于焊丝直径这项参数应选择1.0~1.6mm，结合该大剧院观众厅钢屋盖原材料成分分析报告与现场焊接装置的输出功率，加之相关技术人员测算，最终选择由天津某焊接设备公司生产的型号为ER50–6、直径为1.2mm的焊丝，用于完成大剧院观众厅钢屋盖结构的相关焊接工作。

在完成大剧院观众厅钢结构相关焊接工作时，使用直流反接焊接接入形式，即焊接构件是阴极，焊丝是阳极，即可使电弧呈现更稳定的状态，从而使焊接工作具有大熔深、小飞溅的特点。实际上，焊接电流以及电压两个焊接参数的确定均与焊丝直径的大小存在相关性，当焊丝直径发生变化时，焊接电流与电压也会发生一定的变化，因此在实际焊接工作中，应尽量使电流以及电压值相匹配，本工程焊接电流以及焊接电压的选定标准见表2。根据表2以及确定的焊丝直径，最终确定焊接电流为120~130A，焊接电弧电压为19V。

表2　焊接电流与焊接电压选定标准

   

通常状况下，焊接速度对焊接效果会产生一定程度的影响，若焊速过快，二氧化碳无法更好地发挥保护作用，会降低熔深，且容易出现未焊透等质量问题。若焊速过慢，又容易发生焊穿、变形等现象，根据焊丝融化时的速度与焊接电流呈正相关的关系，为了确保焊接施工过程的效果和质量，本工程规定焊丝的出丝速度为每秒5~5.5mm。焊丝伸出长度设置为焊丝直径的10~15倍，此处设定为焊丝直径的12倍。焊接速度被调整为每道每分40~50mm，以控制焊接进度和熔池形成。

此外，在实际焊接工作中，为避免气体喷溅受空气干扰和产生卷入效应，二氧化碳气体要具有一定的稳定性，将其流量控制在35L/min，并且在实施焊接过程中应充分注意防风。

上述工作完毕，从中间部位向桁架两端进行焊接。首先焊接收缩量大的部位，再去焊接收缩量小的部位。为了有效降低焊接变形现象发生的概率，通常紧邻的两柱不能在同一时间开焊，需等全部钢柱焊接完成后，才能进行横梁焊接。实际上桁架的焊接可分为3个阶段，如图2所示。

   

图2　桁架焊接顺序示意

焊接前需要进行必要的检查。首先，需要确保选取的焊材在强度方面与母材一致，以确保焊接接头的强度达到预期要求。选择的焊机类型和极性也应符合焊材在焊接方面的要求，以保证焊接过程的稳定性和有效性。坡口内部以及垫在坡口背的衬板表面要保持清洁，若存在杂物要清理干净。垫板、引出及引弧板所使用的材质要与被焊大剧院观众厅钢屋盖结构的材质相同，坡口样式要与被焊接的焊缝一样。并且焊缝引出性长度以高于50mm为宜，引出以及引弧板所拥有的宽度值也应高于50mm，厚度应不小于8mm。

其次，对于较厚的板材，在焊接之前还需要进行预热。预热的目的是使钢板材的根部温度接近表面温度，从而提高焊接质量，并防止冷裂缺陷的形成。根据设定，预热可以采用氧气和乙炔气体以中性焰的形式进行。预热时应保持火焰距离钢材表面至少5cm的距离，避免钢材表面的烧化和冷却后的细微裂纹产生，以提供适当的温度梯度，确保焊接接头的可靠性和质量。

再次，在对观众厅钢屋盖桁架进行多层多道焊接时，还应注重焊接环节的连续性，工序完成后需立即对焊渣以及一些飞溅物进行清理，若发现焊接存在缺陷，应及时返修，确认无误后再进行下一道焊接工序。待焊接工作完毕，在移除引出和引弧板时，应采用火焰切割的方法进行操作。切割完成后还需要进行修整，以确保表面光滑平坦。

最后，在焊接过程中，最重要的是防止出现焊接变形，而有效防止这一现象出现的最好方式就是在钢结构安装阶段充分考虑焊接接口的焊接收缩量。通常要在每个接口部位留出约3mm的收缩量，并在焊接过程中及时调节焊接顺序。

2.2　大剧院屋面钢结构吊装施工工艺

考虑到本工程钢结构主要位于地块中央地带，并且有2层地下室结构，起重机无法开进室内进行，也不允许在地下室顶板站位，加之钢桁架屋面整体结构体系也较为复杂，充分结合以往经验，对大剧院观众厅钢屋盖施工项目合理分析，最终确定大剧院屋面钢结构吊装施工方案，工艺流程如下。

（1）起重机、索具及吊装验收。SCC4000履带式起重机组装完毕后，严格执行使用前验收程序，包括限位装置、报警装置、启停钩刹车装置等，经验收合格后方可使用。吊耳外观尺寸、卸扣规格、钢丝绳直径及编插接头长度等所有进场的吊装用索具必须全部100%报验，吊耳现场焊接采用双面坡口全熔透焊接，焊接完成后100%探伤，并经验收合格后使用。

（2）起重机站位点工况选择。根据观众厅桁架重量及现场起重机站位作业半径，选用SCC4000—48m主臂+51m副臂超起工况（LJDB），配250?t超起配重。

（3）吊装作业人员配备。钢桁架吊装作业时，在作业范围内拉设警戒线，禁止非作业无关人员进入作业场区。地面配备4名司索人员绑扎索具；1名指挥人员、1名起重工，负责地面起吊工作和给予起重机司机指挥信号。屋面配备1名起重工、1名指挥员负责与地面司机的协同指挥。指挥人员应使用统一指挥信号，信号要鲜明、准确。起重机驾驶人员应听从指挥，不得擅离工作岗位；配备4~6名安装工负责桁架安装就位、螺栓紧固及桁架稳固连系梁的安装。

（4）索具计算。因在本工程项目中，最大构件重量约53t，加上相关配件以及附属设施，绳索的计算重量需按54t考虑，通常在钢桁架吊装时，一般设置4个吊点、2根绳索，每根绳索由2个吊点负责，吊点受力设计如图3所示。

   

图3　绳索吊点受力设计示意

（5）起重机、索具及吊装二次复验。钢桁架吊装 前，对起重机站位点、起重机作业半径进行现场二次复核；并对钢丝绳、卸扣、吊耳焊接等所有的索具再次检查验收，经确认无误后进行负荷试吊。起吊构件距离地面1m高，起重机主副臂送至吊装作业半径范围。现场观察1h，确认无误后开始吊装。

（6）桁架安装。将单榀桁架作为第一个安装单元，第一榀桁架吊装就位后，桁架两支座端与预埋锚栓固定后，依次安装第一榀桁架R轴、N轴、L轴、H轴桁架上下弦刚次梁GL1a、GL1b、GL1c、GL1d，使其与原混凝土结构形成稳固的平面空间体系。然后按同样的方法依次安装第二榀、第三榀桁架，三榀桁架。全部安装完成后开始安装补齐所有次钢梁等连系钢构件，然后进一步完成螺栓紧固等工作。

3　试验与分析

为有效分析与验证施工技术在大剧院钢屋盖结构施工方面的优势，将组装完成的钢屋盖结构划分为8个区域，对其取荷载组合系数为1.3，向观众厅钢屋盖结构各个划分区域，实施竖向荷载，分析竖向荷载状况下的各区域位移以及应力状况，验证技术的有效性。对各分区实施竖向荷载后获得的钢屋盖结构位移以及应力状况见表3。

表3　钢屋盖位移以及应力状况

   

由表3可以看出，在加载作用下，各划分区域的最大应力比均低于1.0，并且竖向最大变形值最高仅为195?mm，完全符合钢结构屋盖吊装焊接施工相关规范要求。结果表明：本技术可应用于实际大剧院钢结构屋盖结构施工，施工效果理想。

应用本技术对大剧院观众厅钢屋盖结构实施整体焊接，获得的二氧化碳气体保护焊的焊接接头效果以及获得的桁架各接口偏差对比效果见表4。

表4　接口偏差对比效果      mm

   

对大剧院观众厅钢屋盖结构执行合理的焊接操作后，获得的焊接接头，焊包非常饱满，外观较光滑，并且焊包与钢材紧密贴合。由此说明将本技术应用于大剧院钢屋盖结构施工过程中，可获得较理想的钢结构焊接施工效果，为获得更稳定的大剧院钢屋盖结构提供保障。

分析表4可知，尽管钢屋盖整体焊接过程中桁架个别的焊接接口位置预留量存在一定偏差，但是最终总的预留量等于焊接操作完毕后的总收缩量，其主要原因是在实施焊接过程中，对各焊接表示点位置实施了有效监测，当出现问题时及时通过对焊接顺序进行合理调整，确保了桁架的整体焊接精度，可有效防止焊接变形，进一步保障了大剧院钢屋盖施工效果。

通常所设置的胎架长度需结合工程实际状况组装确定。为进一步验证本技术的有效性，在所设置胎架上对吊装单元实施合理拼装时，根据吊装单元自身的重量，对各个支撑点位处分别执行大小为10kN、12kN、14kN、16kN的荷载操作，获得的胎架整体位移状况见表5。

表5　胎架整体位移状况

   

由表5可以看出，在各个支撑点位处分别执行大小为10kN、12kN、14kN、16kN的荷载操作，获得的胎架整体合位移值均较低，几乎为0。证明所设置胎架刚度能够满足大剧院观众厅钢屋盖结构吊装焊接需要。

4　结论

对大剧院屋盖结构焊接分阶段施工技术实施合理研究，并对该技术在大剧院钢屋盖结构吊装焊接工作优势进行合理验证。 研究表明，应用该大剧院钢屋盖结构吊装焊接分阶段施工技术后，可收获较理想的大剧院钢屋盖施工效果。如果将该技术推广应用于实际工作中，会产生深远且有益的影响。