董宝平 李洋

0 引言

目前，项目施工工期普遍比较紧张，因此冬季焊接施工不可避免，国内冬季钢结构焊接施工较少，尤其管桁架冬季焊接施工更少，本文通过工程实例，为以后类似管桁架冬季焊接施工提供了借鉴。

1 工程概况

江苏省盐城市南海未来城市民中心工程屋面钢结构为倾角9.49°斜网格型大跨度圆形钢管桁架，跨度39.6m，总重约533t。管桁架上下弦杆为Φ500×25mm 钢管、腹杆为Φ402×20mm、Φ325×14mm 钢管。桁架最高点为19.96m。

2 低温焊接理论要点

冬季焊接，焊缝的降温速度比一般温度时快得多，容易出现脆硬组织，大大增加了冷裂纹的敏感性，从而使焊缝更易出现冷裂纹。另外，在焊接过程中，焊缝中熔融金属的冷却过程中周边的低温环境会严重降低游离的氢在金属中的溶解速率，极大增加了熔融金属中的氢原子的含量，冷却的速度超过一定范围值，就会产生冷裂纹。

本工程在管桁架弦杆、腹杆交叉节点焊接处存在三向应力，焊接速度过快，由于结构应力和焊接残余应力的共同作用，会导致结构的承载荷载能力降低，容易导致产生裂缝，甚至发生断裂。

结合上述分析，总结冬季钢结构焊接的关键因素：（1）提高焊接作业环境和焊接管桁架杆件的温度；（2）选择市场上价格经济的含氢量低的焊接材料；（3）杆件位置要定位准确，减小管桁架在弦杆、腹杆交叉处的结构应力，从而降低焊缝开裂风险。

3 施工方法

本工程钢结构管桁架弦杆及腹杆均采用Q345B 低合金高强度钢材，按照杆件位置、长度不同厚度分别为14mm、20mm、25mm 三种。以盐城以往各年的气象记录报告来看，冬季最低的天气平均温度基本在于-6℃至10℃两个温度之间，根据规定，钢结构焊接时的周边气温＜0℃，且≥-10℃的情况下，应采取合理有效的加热和安全简便的防护措施，本文据此给出管桁架冬季焊接施工方法。

3.1 施工准备

焊接所需管桁架杆件类钢材、含氢量低的焊丝等材料严格遵循设计和相关规范的规定和要求。

管桁架杆件类钢材的焊条应遵循产品保存手册来进行烘烤。施工前，从烤箱取出焊接棒，保存在对应的保温筒中，保温筒保持工作状态，不得切断电源。露出时间超过2h 及以上的必须再次进行烘烤，烘烤总次数不能超过2 次。管桁架杆件间主要采用焊丝焊接，安排专人对焊丝进行保管，焊丝贮存在通风干燥处，严禁油污污染，在保管仓库内采取木垫高度20cm的防潮措施，保证其性能始终良好。

管桁架杆件焊接采用二氧化碳的气体保护焊，焊接所使用的二氧化碳的体积纯度应≥99.5%，其含水率应≤0.005%。本项目采用瓶装气体，若气瓶内的压力出现＜1N/mm的情况，必须立即停止使用。作业中要经常检查瓶嘴有无堵塞、冰冻等情况，并及时疏通，避免发生危险。

本工程管桁架采用高空散拼法，在焊接作业区域四周，用木板、彩条布等，在杆件焊接节点位置搭设便于拆卸的防风围护棚，搭设过程中确保防护密实且不透风，同时外挂耐火保温帘，尽最大可能降低焊接作业区域与外界寒冷环境进行热传递的效率。

3.2 焊接预热处理

管桁架杆件采用150t 履带吊车，从管桁架钢材堆放场地运到规定位置焊接工作，在地面管桁架吊到指定位置前，将管桁架杆件焊接焊缝两侧的毛刺、铁锈、油污、泥浆和雨雪等进行清洁，确保焊接质量提升焊接效率。焊接前管桁架的安装位置要核对准确，确保结构符合设计位置及要求，避免因定位不准产生焊接部位的应力集中。

在工程中的焊接预热处理中，采用氧气乙炔烤枪的火焰对杆件焊接部位进行加热。施工中，将钢材杆件的相贯线的焊接区域，垂直于焊缝向两侧≥2 倍的钢材的厚度，并且至少要≥100mm 范围内的钢材加热到≥60℃，才能具备开始焊接的作业条件，在杆件相贯线焊缝焊接过程中定期采用专用红外温度计对焊接区域的温度进行测量，过程中焊接范围内管桁架杆件钢材温度均不得＜60℃的条件。

3.3 焊接过程控制

本工程管桁架杆件多达363 根，且长短型号不一，管桁架焊接过程中的焊接产生的应力如何控制是难点，为避免管桁架杆件因焊接应力偏位，施工过程中，节点处相贯线焊缝均由两个焊工对称施焊，确保杆件节点的自身内部的焊接应力处于平衡等状态。先进行同环境下的焊接试验段，检测焊缝后，焊缝结果满足设计要求。按照试验段的焊接顺序进行安装焊接。

屋面管桁架安装焊接顺序为：主管桁架→次管桁架→周边环侧管桁架；每榀屋面管桁架安装焊接顺序为：管桁架的下弦杆件→管桁架的竖向腹杆件→管桁架的上弦杆件→管桁架斜腹杆件。以上安装均采用以最高点和最低点为轴线的对称的焊接作业方式，并每天两次测量杆件轴线位置，确保杆件不偏位。

管桁架杆件焊缝焊接前应事先搜集气象资料，当强风、寒流等恶劣天气接近时，现场无有效对策，必须放弃焊接工作。若焊缝在焊接过程中，突然遇到恶劣天气变化，应采取相应保护措施，至少焊缝焊接层数累计厚度≥1/3 板厚，才能通知施工工人暂停手中工作，并安排施工人员进行热处理和保温措施。当继续焊接时，施焊前采用氧气乙炔火焰喷枪加热，将相应管桁架相贯线焊接区域加热温度达到80～90℃后，再继续进行焊接作业。

本工程管桁架杆件钢材厚度均＞9mm，故管桁架所有杆件对接焊缝处均应分多层焊接，焊缝焊接工人，要从上到下沿管桁架相贯线，逐层将焊缝堆叠。焊接焊缝的每道熔融金属的温度控制在60-240℃之间，焊接施工时派专人用红外温度计对杆件温度进行监视。

3.4 焊后热处理

本工程管桁架最多处有9 根杆件处在同一节点处焊接，焊后热处理显得尤为重要。如果合理地进行焊接完后的处理工作，不仅可以基本消除焊接施工产生的应力，可以使氢元素逃离焊缝，减少由于氢分子的形成而产生的焊缝的应力集中，避免发生氢脆性裂缝。

管桁架杆件焊后热处理范围最好被控制在焊缝两侧管桁架杆件的壁厚3 倍且≥200mm 范围内，用氧乙炔火焰进行烘烤，在焊接结束后焊缝金属没有完全冷却的时候立即进行，加热温度为200～300℃，由于气温低，热损大，烘烤时采用多把喷枪持续进行。

处理结束后用石棉等保温、耐火材料对焊缝焊接区域进行覆盖来保温。焊缝保温时间按板厚每30mm 保温1h 进行控制，但总保温时间≥2h，冷却速度控制在≤10℃/min。

慢慢冷却后，清扫检查焊缝并组织专业人员用超声波对焊接部位进行探伤，探伤不满足要求的逐个处理，速度要快，不能影响后续防腐防火工序的施工。

4 控制要点

焊接时严禁雨水、雪花等飘落在正在焊接的管桁架焊缝上，同时环境湿度＞90%时，严禁进行相关焊接作业。

管桁架杆件位置定位要准确无误，焊接前后均要及时进行复核，偏差超过相关规定应及时纠正，保证管桁架杆件间由于结构偏差产生的应力尽量最小，从而保证管桁架杆件的焊接的焊缝质量。

焊接前预热措施要提前调试，根据现场环境选择合适的加热方式，保证钢材在稳定的温度区间进行焊接。杆件的弧形焊缝焊接过程需要对称地、连续地、均匀地进行，使焊缝的收缩量变小，从而对结构内部应力的影响变小。

采用含氢量低的焊接材料，从根本方面着手降低氢含量，从而降低由于氢气过多产生薄弱点造成裂纹现象的发生概率。

管桁架冬季焊接施工开始前，必须安排专人进行相应的杆件焊接的连接施工方法的工艺评定，依据报告来确定焊接的实际流程及操作工艺是否满足工程需要。在焊接整体构件拼接的顺序选择中，从结构中心向周围对称展开焊接，不能同时焊接一个部件的两端。

5 焊缝质量效果验证

通过选择符合现场实际的安装焊接方法，管桁架的焊接质量得到了良好的保证，焊缝经超声波检测达到一级焊缝II 等。

6 结语

本工程通过试验段和焊缝检测结果确定了管桁架屋面在冬季焊接的施工方法与质量控制要点，希望为以后类似的钢结构管桁架结构冬季焊接施工提供借鉴。