上海世博会中国馆钢结构工程制造与焊接技术

2010年上海世世博会中国馆馆钢结构工程程制造与焊接接技术

作者:周观根,刘贵旺,,赵鑫关键字:焊接,世博会,钢结构【摘要】本文从分分析钢结构特特点入手，详详细介绍了2010年上海世博博会中国馆-地区馆钢结结构工程大型型钢桁架的深深化设计方法法、制造技术术、焊接方法法、焊接材料料的选用、焊焊接工艺及参参数的确定和和焊接质量的的控制等。这这些技术对其其他类似钢结结构工程大型型钢桁架的制制造与焊接具具有借鉴作用用。

一、工程概况况2010年上海世世博会中国馆馆是上海世博博会永久性场场馆之一，也也是上海世博博会园区的核核心建筑与点点睛之笔。中国馆位于世世博园区南北北、东西轴线线交汇处的核核心地段，东东接云台路，南南邻南环路，北北靠北环路，西西依上南路，轨轨道8号线在基地地西南角地下下穿过。中国国馆由国家馆馆、地区馆和和港澳台馆三三个部分组成成。国家馆高高63m，架空层高33m，架空平台台高9m，最大平面面尺寸为138m××138m，建筑面积积约为2.7万m2。地区馆高13m，建筑面积积约4.5万m2，港澳台馆馆建筑面积约约3000mm2。国家馆居中升升起、层叠出出挑，成为凝凝聚中国元素素、象征中国国精神的雕塑塑感造型主体体——东方之冠。地地区馆水平展展开，以舒展展的平台基座座的形态映衬衬国家馆，成成为开放、柔柔性、亲民、层层次丰富的城城市广场；二二者互为对仗仗、互相补充充，共同组成成表达盛世大大国主题的统统一整体，见见图1和图2。

二、钢结构特点中国馆－地区区馆为大型钢钢桁架结构，桁桁架按其结构构形式可分为为：平面桁架架和四边形空空间桁架。桁桁架杆件采用用箱形或H形构件，腹腹杆与上下弦弦杆采取直接接相贯焊接。桁桁架的外形尺尺寸大，单体体重量重，四四边形空间桁桁架外形尺寸寸为（6500～111000mm）×34000mm×34450mm，上下弦、腹腹杆均为400mmm×400mmm的箱形构件件，最重达50多t。平面桁架架外形尺寸（7911～189882mm）×400mmm×34550mm，上、下弦弦杆为400mmm×400mmm的箱形构件件，腹杆为400mmm×400mmm箱形或H形构件，最最重达30多t。桁架最大钢板板厚度100mm。钢板材质质：当厚度δ＜40mm时，采用Q345B钢材；当厚厚度δ=40mmm时，采用Q345GGJC钢材；当厚厚度δ≥50mm时，采用了Q345GGJC—Z15钢材。板厚厚从10mm至100mm共有12种规格。本工程大型桁桁架为全焊接接结构，构造造复杂，制造造焊接难度大大，如：（1）工程主主要使用了Q345B、Q345GGJC低合金高强强度结构钢，钢钢板最大厚度度100mm，焊接时，冷冷裂纹敏感性性大。

（2）桁架所有有焊缝均要求求全熔透一级级，质量等级级要求高。组组装时，大量量焊缝只能采采取CO2气体保护半半自动作业，焊焊接工位复杂杂，对焊工的的焊接技能等等级要求高。

（3）焊缝数量多，焊接变形倾向大；桁架刚度大，变形后难矫正。

（4）根据焊接工艺，桁架装焊时，要进行多次翻身，需设计焊接翻身专用胎架。

（5）桁架弦杆采用400mm×400mm×50mm焊接箱形，主焊缝采取单面加衬垫板角对接形式，焊缝熔敷金属填充量大，翼板产生层状撕裂倾向大。

（6）大型桁架弦杆与腹杆之间采取了直接相贯焊接，组装时需精确定位。模板和支撑材料用量大。三、制造关键键技术1.深化设计方法根据本工程钢钢结构形式，深深化设计采用用Xsteeel钢结构设计计软件。该软软件能快捷、准准确地建出结结构整体三维维实体模型，并并依据实体模模型自动导出出桁架及构件件深化设计图图样（包括尺尺寸规格及材材料表）。同同时还能根据据预先给定的的编号原则，自自动生成各构构件及零件编编号命名及组组合，准确性性极高，大大大降低了错误误率。深化设计图样样始终与三维维实体模型紧紧密保持一致致，在施工全全过程中，均均按此模型，确确保各节段精精度一致，满满足设计要求求。2.制作技术中国馆－地区区馆钢结构加加工制作主要要为平面桁架架和四边形空空间桁架。平平面桁架由上上下弦杆、腹腹杆（竖、斜斜腹杆）、加加强板以及加加强环等构件件组成；四边边形空间桁架架由上下弦杆杆、腹杆（横横、竖腹杆和和斜腹杆）、加加强板、支座座底板以及加加劲板等构件件组成。桁架架制作技术可可分为桁架杆杆件的加工和和桁架组装。（1）桁架杆杆件加工桁架杆件有有焊接箱形和和H形两种，截截面均为400mmm×400mmm。杆件的加加工全部在相相应焊接型钢钢自动生产线线上完成，以以确保杆件加加工精度要求求。（2）桁架组组装技术桁架均为型型钢组合构件件，杆件之间间通过焊接形形成桁架，桁桁架焊缝数量量多，大量焊焊缝焊接对桁桁架组装质量量的影响不容容忽视。如四四边形空间桁桁架，桁架杆杆件交汇集中中（部分节点点处有5根等截面的的焊接箱形构构件相交），并并在支座处竖竖腹杆两侧设设有8块1300mmm×11000mm×550mm加强板，制制作难度高。经经深入分析研研究后，确定定桁架组装采采取“逐步组装、分分步焊接、整整体成形”的工艺方法法，组装工艺艺流程见图3。图4和图5分别为平面面桁架组装和和四边形空间间桁架组装的的现场实景。四、焊接技术术1.焊接材料选选择焊接材料选择择应根据所使使用钢材（Q345B、Q345GGJC、Q345GGJC—Z15）的力学性性能、化学成成分、焊接条条件以及使用用要求等选取取。本工程焊焊接方法主要要有：CO2气体保护焊焊、埋弧焊和和CO2气体保护焊+埋弧焊组合合焊等，焊接接材料选用见见表1。2.焊接方法（1）桁架杆杆件焊接采取取埋弧焊或CO2气体保护焊+埋弧焊组合合焊。（2）桁架组组装焊接采用用CO2气体保护焊焊。3.焊接顺序（1）桁架杆杆件桁架杆件焊焊接遵循先内内后外的总体体原则，纵向向主焊缝由一一端向另一端端施焊。当构构件长度较长长时，采取从从中间向两边边同时对称施施焊。（2）平面桁桁架平面桁架组组装焊接顺序序遵循先弦杆杆后腹杆，然然后焊加强板板和定位板的的原则。在进进行桁架整体体焊接时，以以桁架中心线线为轴线对称称的腹杆焊缝缝同时施焊。在进行桁架腹腹杆装焊时，先先焊立焊缝，后后焊平焊缝。同同一接口由两两名焊工对称称施焊，见图图6。（3）四边边形空间桁架架四边形空间间桁架装焊顺顺序为：首先先进行两边平平面桁架的装装焊，然后进进行桁架中间间横腹杆、竖竖杆和加强板板的焊接，最最后进行支座座底板、加劲劲板的焊接，见见图7。在进行桁架腹腹杆装焊时，先先焊立焊缝，后后焊平焊缝，同同一接口由两两名焊工对称称施焊。4.焊接参数焊接参数数如表2所示。5.焊接质量控控制技术（1）厚钢钢板窄间隙坡坡口技术依据《建筑筑钢结构焊接接技术规程》(JGJ881—2001)相关规定，在在满足焊缝质质量的条件下下，对桁架弦弦杆截面为400mmm×400mmm×50mmm的箱形构件件坡口大小进进行了修改，采采取了厚钢板板的窄间隙坡坡口技术，坡坡口角度由原原来的35°变为30°，翼腹板间间距由6mm变为8mm，见图8。不仅大大大减少了焊接接熔敷金属的的填充量，提提高了生产效效率，还大大大提高焊缝成成形的合格率率。（2）焊接翻翻身胎架的设设计如图9所示，四边边形空间桁架架8块1300mmm×11000mm×550mm支座加强板板，板四边分分别与桁架横横腹杆和竖腹腹杆相焊，焊焊缝坡口形状状均为单面加加衬垫板，采采取CO2气体保护半半自动焊，焊焊接难度大。焊焊接时采取以以下焊接顺序序：先进行焊焊缝①的立焊，焊焊至焊缝坡口口深度的1/3时，将桁架架翻身进行焊焊缝②的焊接，当当焊缝②焊至坡口深深度的1/3时，再翻身身至焊缝①进行焊接，按按此对称顺序序直至焊缝焊焊接完成。每每块加强板两两边焊缝由两两名焊工同时时对称施焊。构构件翻身，采采用自制焊接接翻身专用胎胎架，见图10。（3）焊接预预热预热采取履履带式电加热热片进行，预预热温度见表表3。（4）焊后热热处理当使用钢板板厚度δ≥40mm时，焊后需需进行后热消消氢处理，其其加热温度为为200～250℃。而后采用用多层保温棉棉覆盖，保温温时间依据钢钢板厚度按每每25mm≥0.5h，且总保温温时间≥1h。五、结语（1）利用专专用软件进行行数字化空间间三维实体建建模，并自动动生成深化设设计详图；准准确性极高，大大大降低了人人工转化出错错率。

（2）对焊接箱箱形构件的