浅谈新疆国际会展中心主体建筑钢结构工程冬季施工焊接管理

摘要：伴随着钢结构工程项目在建筑舞台上的广泛应用，越来越多的机场、会展中心、火车站、体育场馆以及多高层的民用建筑等广泛使用了钢结构。本文通过对“新疆国际会展中心主体建筑钢结构工程”冬季施工焊接管理对钢结构工程冬季施工特点、焊接管理、冬季焊接防风防雪措施、焊接合拢口的设置以及本工程使用电加热技术进行了阐述。

关键词：新疆国际会展中心、钢结构冬季施工、焊接、合拢口、电加热

Abstract: as the steel structure project project in the application of construction stage, more and more of the airport, exhibition center, the railway station, sports venues and high-rise civil construction etc widely used steel structure. This article through to "xinjiang international conference and exhibition center subject construction steel structure engineering" winter construction management on the welding steel structure engineering winter construction characteristics, welding management, the winter wind and snow measures, welding welding the Settings of the mouth shut and the project use electric heating technology is discussed in this paper.

Keywords: xinjiang international exhibition center, steel structure winter construction, welding, gather together mouth, electrical heating

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

一、工程概况

新疆国际会展中心项目分两期建设，本次施工的范围为一期工程的钢结构标段，工程位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山片区、河南东路北侧，工程总建筑面积113317平方米，其中地上建筑面积95845平方米，地下室17472平方米，地面以上5层，地下1层，建筑高度50.40米，展览中心部分为框架-大跨张弦桁架结构，会议中心为框架-剪力墙结构。会议中心上部结构为明月造型，造型内为会议室及多功能厅。整个工程总用钢量近27000吨。

乌鲁木齐地区冬季降雪主要集中在11月份~3月份，地表风力集中在3级~5级之间，高空风力变化更大。

本工程钢结构施工要经历一个冬季施工阶段。在此冬季施工将涉及钢结构几乎所有的工序：钢柱、钢梁的吊装及焊接；大跨度张弦桁架的拼装、焊接、吊装及张拉。因此本次冬季施工的施工质量和实际进度将是整个钢结构工程的重中之重，冬施期间的施工质量和进度将直接影响下一步其它工序的及时插入。

二、本工程冬施特点

1、高空作业，风大湿滑，安全隐患多、危险性高

冬施阶段风速较大，变化没有规律，构件吊装稳定性差；下雪时，构件表面湿滑，工人操作安全隐患增多、危险性加大。

2、焊接工程量大、难度大

本工程为全焊接结构，吊装分段多，现场焊缝数量多，加之高空焊接，焊接的防风、防雪、防低温措施更使得焊接难度增大。

3、工人低温操作，工作效率降低

乌鲁木齐地区冬季室外平均气温低，室外作业，工人动作僵化，操作灵活度降低，工效随之降低的同时也增加作业危险性，以及容易出现焊缝质量下降。

4、低温下吊机、焊机等施工机械工作性能不稳定

本工程施工机械众多，低温下机械设备的运行稳定性降低。重要的机械如使用燃油的300t等履带吊机必须做好冬季性能维护，确保在整个冬施阶段能全性能运转。

5、施工任务多，工期要求紧

主体钢结构1/3工程量进入冬施阶段，冬期施工时间长，一直持续近2个月时间。因此冬季施工进展是否顺利将直接影响整个钢结构工程乃至新疆国际会展中心工程的进展。

三、焊接管理

1、人--焊工

焊工在进行低温焊接前，需进行低温焊接技术理论教育和低温焊接适应性训练。低温焊接适应性训练用t≥25mm钢板，进行横、立、仰位置的施焊，以UT检测及外观检验合格为标准。

焊工在正式焊接前，必须具备个人防寒用品，包括棉鞋、帽子、护膝、手套等，必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。

低温焊接对焊工的个人体力消耗较大。倒班时间适当缩短。

低温焊接操作时，应设有专门监护人，对焊工工作状态进行监控及判断，必要时应采取相应措施保证焊接工作的顺利进行和焊工人身安全。

下雪天气及雪后，进行高空焊接作业，通道应设专人清扫，特别扫除薄冰，以保证焊工的安全通行和保存焊工体力。

2、机---焊接设备

焊机应尽量集中摆放在可移动的焊机防护棚内，防护棚内应设置加热设备，使焊机在正温状态下工作。

使用前，气瓶应尽可能集中存放，在气瓶存放棚应设有加热装置，确保气体随用随有；气瓶在使用时，应放置在焊机棚内，实现正温管理，单机使用时，气瓶必须采取加热保温措施，采用电热毯加热外包岩棉或其它保温材料进行保温保证液态气正常气化，使保护气体稳定通畅。

冬季施工采用接触式测温仪控制预热、后热及层间温度，环境温度使用普通温度计监控。

3、料---焊接材料

保护气体应使用纯度为99.9％的CO2气体，以保证焊接接头的抗裂性能。

严格焊材库的管理，焊条必须按标准进行烘干，烘干次数不得超过2次，在空气中的暴露时间不得超过2小时。焊条烘干后放入100-2000C保温箱内。

药芯焊丝使用过程中应采取防潮措施，焊机上的焊丝防护罩必须保持完好，未用完的焊丝应及时送回焊材库，防止受潮。

4、法---焊接方法

预热方式的设定：t≥30mm，采用电加热；t≤25mm，采用火焰预热。

预热温度要求：

注：铸钢预热温度为180~250℃。

点焊焊接预热温度同正式焊缝。

严格控制焊缝层间温度，测温时采用远红外测温仪，测温点在焊缝坡口内部。层见温度控制原则：Q345大于预热温度小于250℃，Q420小于200℃。

在负温度下焊缝焊完后，应采取保温措施，并使焊缝缓慢冷却，冷却速度应不大于10℃/min。

二氧化碳气瓶应倒置24小时后打开阀门把水放尽方可使用，防止冻结。 瓶内气体高压低于1MPa时应停止使用。焊接前要先检查气体压力表上的指示，然后检查气体流量计并调节气体流量。

超声波探伤耦合剂采用环保防冻型，避免气温过低导致冰冻，影响探伤检测。

加强焊接环境保暖、御寒措施，给焊工一个更为舒适的施焊环境，必要时限制焊工工作时间，采取轮班作业制度。

所有高空对接焊接全部在保温棚内进行。保温棚材料采用采用三防布材料，即防风、防火、防水。保温棚的做法详见4.4.2.3。

焊前严格按照预热温度对焊缝进行预热，预热的加热区域应在焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的2倍，且不小于100mm；必要时采用伴随预热的方法，确保预热温度和层间温度。

测温采用远红外测温仪，测温点在距坡口边缘75mm处，平行于焊缝中心的两条直线上。

在拘束度大的情况下，预热温度应提高15～30℃。没有特殊说明时，执行上述规定。

异种钢焊接，预热温度应执行强度级别高的钢种的预热温度。

不同板厚对接，预热温度应执行板厚较厚的钢板预热温度。

由于本工程大部分构件均为箱形构件，预热时在正面加热，测温点设置在坡口底部垫板中心。

层间温度测温点在焊道的起始点。

采用火焰加热的主要目的是烤干焊接区域水气，实现正温焊接。烘烤范围是焊缝两边各50mm范围，烘烤温度为20~40℃。焊接时需连续施焊。

焊接工作结束后，应立即进行紧急采用岩棉包裹焊接接头，自然冷却；

焊接方法具体采用SMAW（焊条电弧焊）、GMAW（实心焊丝二氧化碳气体保护焊）、FCAW-G（药芯焊丝二氧化碳气体保护焊）三种焊接方法之一或两者组合。

焊接顺序：根据吊装顺序从中间向四周推进，对称焊接。

5、环---焊接环境

低温焊接环境温度范围为0～-15℃。低于-15℃，需停止焊接作业。

低温焊接时需搭设防风装置。

高空焊接作业时，防风装置应严密保温，特别是防风棚底部应密实，防止沿焊道形成穿堂风。

雪天及雪后进行作业时，焊缝两端1米处，应设置密封装置，防止雪水进入焊接区域。

6、焊接材料选择

四、焊接防风、防雪、保温措施

1、高空焊接在焊缝的周围尽量采用封闭的方法，用三防布制造各种不同的规格的防风棚，把焊口封闭起来。

2、在下雪天施工，焊缝上部支设防雪棚并伸出焊缝两侧不小于1米，以防飘雪影响焊缝。

3、地面焊接过程中如果没有防雪、防风棚突然下雪，应立即停止施焊并采用加厚的保温岩棉进行保温缓冷，雪停后要对焊缝预热至层间温度方可接续焊接。

5、焊接合拢口的设置

在结构形成和使用过程中，温度变化对结构应力分布存在较大影响，掌握钢结构温度场的分布情况对于钢结构的施工和后续使用有着十分重要的意义。钢结构六大合拢要素：

（一）第一要素---合拢温度的确定

合拢温度就是钢结构在合拢过程中的初始平均温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点。也称安装校准温度,其确定原则如下：

（1）、确定结构合拢温度时，首先考虑当地的气象条件，应使合拢温度（设计院要求合拢温度控制在（+100C--+150C）接均气温，也就是可进行施工的天数中所占比例最大的气温。

（2）、合拢温度应尽量设置在结构可能达到最低温度之间，使结构受温度影响最合理，从而达到最小构件截面减少用钢量的目的。

（3）确定合拢温度应充分考虑施工中的不确定因素，预留一定温度的允许偏差。

（二）第二要素---温度监测

钢结构的温度是由周围环境所决定的，是太阳辐射、空气流动、环境温度等多种因素共同作用的结果。钢结构的构件温度与周围的环境温度是有差别的，存在滞后性，在一些特殊条件下，存在钢构件温度比环境温度高的可能性。同时，对于新疆国际会展中心如此大体量的空间钢结构工程，各部位的钢结构温度也会存在差别。因此，不能简单的通过环境温度的测量而得到钢构件的温度，必须使用专门的测量设备对钢构件进行直接的温度测量。

新疆国际会展中心钢结构施工过程中的温度监测主要有3个目的：

1、测量钢结构各部位的本体温度及主要位置的大气温度、湿度，以判断钢结构温度的滞后时间效应，并由此建立钢结构本体温度与大气温度、湿度及天气预报之间的关系，通过天气预报资料和设计确定的合拢温度确定初步的合拢时间，以便组织合拢工作。

2、根据钢结构各部位的本体温度的分布情况，确定合拢温度测量基准点，确保合拢温度的可操作性和准确性。

3、根据钢结构本体温度的变化情况，确定最适宜的合拢时间段，保证合拢质量和合拢工作的有序进行。

由于新疆国际会展中心钢结构体量大，钢结构各部位的温度变化十分复杂，要精确测量和准确掌握钢结构各部位的温度场分布情况十分困难，故只能做一些典型部位的温度监测。根据新疆国际会展中心钢结构的结构特点和现场实际情况，温度监测主要有以下两种方法：

（1）人工测温法

采用干湿式温度计测量大气温度和湿度，红外线测温仪测量钢结构本体温度，每隔1小时测量一次。此方法操作简便，成本低，但监测精度受测量仪器和人为因素的影响较大，精度相对较低。

（2）自动测温系统

自动测温系统采用热电偶作为测温元件，体积小，经济、灵活。测温范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内精度可达±0.5℃。同时，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性。

（三）第三要素---合拢焊缝尽量对称均匀布置

带临时支撑的钢结构体系转换成封闭稳定钢结构体系的过程叫合拢，使钢结构形成封闭稳定系统的焊缝叫合拢焊缝。

合拢线上的合拢焊缝焊接残余应力，比普通焊缝的残余应力大得多，对称均匀布置合拢线，可以使钢结构系统应力尽可能的均匀，从而达到控制钢结构系统初始应力的目的。

（四）、第四要素----负载转移

从焊接的本质上讲，合拢焊缝属于带载焊接类型。因为一旦形成封闭稳定结构，就形成了系统的一次应力。而合拢焊缝便是应力最大的焊缝，随着温度的变化，应力随之变化，不仅在大小上变化，而且在方向上变化，这就给合拢焊缝的焊接带来很多困难，特别是在拉应力强大时焊接过程中极易形成热裂纹。

根据焊接应用技术理论和我们的经验，最有效的方法是用卡马转移负载，待焊缝形成后，割除卡马。使一次应力全部转移在卡马上，然后再转移在焊缝上，确保焊缝的安全，所谓负载转移，其实质是：在合拢焊缝和焊缝热影响区，在焊接过程中不带负载。

（五）、第五要素----合拢工程必须选在整个冬施过程气温较高同时接近整个冬施结构的日平均气温进行

温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构合拢的安全性将产生显著的影响，由于合拢温度是以钢结构杆件的平均温度为准，因此、合拢工程必须在构件受热均匀的环境中进行。

（六）、第六要素----合拢口必须同时进行

为什么合拢焊缝焊接要同时进行呢？主要有两个原因：

其一、合拢温度的限制，只有在相同的构件和环境温度条件下，所形成的焊缝的差别受温度的影响最小；环境温度随时间的推移会发生变化，时间一长很有可能超出合拢温度的范畴，使合拢焊接不能进行，所以要同时焊接。

其二、从严格的意义上讲：合拢焊缝的焊接属于带截焊接范畴，如果两条或两条以上的焊缝不同时焊接，那么，先焊的焊缝负载要小，因而焊接的残余应力小，后焊的焊缝则刚好相反，负载比先焊的焊缝大得多，容易形成应力集中，焊缝的中心也容易出现热裂纹。这种情况在“负载转移”的卡马焊接时要特别小心，一个断面上的所有卡马，必须在同一段时间内完成，也就是说：不能一个卡马焊好后再焊另一个卡马，而是所有卡马都同时焊接；如果卡马太多，要采取巡回焊接的技术，使所有卡马完成焊接时间大致相同；

GMAW、FCAW-G非常适合合拢焊缝和卡马的焊接。这样，能够使一个断面的卡马负载基本均匀，这种应力状态的形成对正式焊接主焊缝十分有利。所以，只有同时焊接所有的合拢焊缝，合拢焊缝才能获得基本相同的负载，从而使钢结构体系形成我们所希望的基本均匀的一次初始应力状态，达到封闭、稳定的目的，为卸载的成功提供有力的技术支持。

6、电加热在本工程冬季施工中的应用

为保证本工程冬季施工的顺利开展，本工程采用了“柔性陶瓷电阻加热器”对焊缝进行焊接前的预热以及焊后的热处理应用技术。

（1）柔性陶瓷电阻加热器一般由电阻丝、陶瓷套管（片）、引出线及附件组成，可以是绳型加热器、指状加热器和片状加热器。其工作温度不超过1000℃。

（2）电阻丝应采用C-20Ni80合金材料，单股直径以0.3mm-0.4mm为宜，质量符合GB/T1234-1992的要求。在绞制电阻丝时，不允许有接头、断丝。

（3）陶瓷套管（片）应使用氧化物和复合氧化物陶瓷制作。其软化温度应大于1200℃，绝缘强度应大于20KV/mm。其抗热震性要求为在750℃ 入25℃水中3次不开裂。

（4）加热器引出线与电阻丝的连接，宜采用双不锈钢导管连接压制，压接前应检查不锈钢导管有无毛刺：也可采用低电阻合金焊接材料进行焊接来保证接头的质量。每根洛电阻丝引出线的长度应大于或等于400mm，铜丝截面积大于或等于10mm2。加热器电阻丝接插件应采用承插式。

（5）加热器的耐压性能应在2000V交流电压下1min无击穿，绝缘电阻大于或等于100（400℃以下）。高温泄露值小于等于0.5mA/kw(750℃时)。

（6）有效发热部分的尺寸误差：绳型加热器、指状加热器不大于1%，片状加热器不大于3%。

（7）采用冷态电阻计算加热器的功率，其计算功率与额定功率误差应小于或等于5%。

（8）对绳型加热器，在750℃×3的工作条件下，使用3次后电阻丝的伸长量不大于0.5%，对履带式加热器的两端，应根据加热器的宽度放置适当数量的带连接孔的陶瓷件，且两端位置应一致。

本工程冬季施工技术的成功运用，不但有效的保证了本工程的施工进度和施工质量，同时也开创了如此大体量钢结构工程的北方地区进行冬季施工的先例。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。