李海兵 丁剑强 汪洋 李建华
摘 要 球型钢支座广泛应用于各类大跨钢结构和桥梁中，而焊接是其加工和安装中的一道重要工序。在焊接过程中由于大量瞬时热量的输入，可能在焊接部位引入焊接缺陷，这些焊接缺陷不但会影响支座的外观质量，还会对支座的整体受力性能、疲劳强度、使用寿命等带来不利的影响。针对北京新机场航站楼项目中使用的钢结构球型支座，北京城建集团公司、江苏沪宁钢机股份有限公司、上海路博橡胶减振器技术有限公司三方技术人员共同进行了焊接影响评定试验，检测了平面滑板表面在整个焊接过程中的温度变化及焊接对平面滑板储油槽内硅油的影响，并检测了上支座顶板焊接完成后的变形情况。试验结果表明，在制定严格工艺的条件下，焊接质量满足规范要求，可以投入工程使用。
关键词 球型钢支座，焊接缺陷，焊接影响试验，温度变化，焊接变形
1 引言
北京新机场航站楼核心区在钢结构柱底或顶部共使用362套支座，其中182套球型支座，180套销轴支座。支座是连接上部结构和下部结构的主要构件，通过支座将上部结构的反力可靠地传递到下部结构中，并能够释放上部结构的变形，维持上部结构的安全与稳定[1]。球型钢支座是在土木工程中应用较为广泛的一种支座形式，具有传力可靠、转动灵活、承载力高、允许位移量大的优点，能够满足支座大转角的设计要求。近些年来，球型钢支座在大跨空间结构中被广泛采用[2,3]。
焊接是钢支座在生产加工和安装中一道必不可少的工序。由于各种原因，钢支座在焊接过程中会产生各类焊接缺陷[4-7]，除了焊接缺陷将会导致焊接接头承载力的下降，进而影响到整个钢支座的安全性外，尤其是焊接过程中形成的高温，是否会影响到球型支座内部的滑动材料（PTFE）的性能，同时导致过大的焊接变形，使得支座的外形尺寸和形状不符合规范和设计的要求[8-10]，都是亟待弄清楚的问题。
北京新机场航站楼地上钢结构采用的球型支座由于承载力达31500kN，导致平面尺寸大和焊接工作量均很大，技术人员针对该项目中使用的球型钢支座，进行了焊接影响评定试验，根据相关规范要求[11,12]，分别检测了平面滑板表面在整个焊接过程中的温度变化；焊接对平面滑板储油槽内硅油的影响；上支座顶板焊接完成后的变形情况。
2 试验设备及步骤
2.1 试验支座
本试验完全模拟实际工程中采用的钢支座在制作和安装过程中的焊接情况，考虑实际的需要，主要针对上支座板的加工和安装焊接进行试验测定，试件的主、俯视图如图1和图2所示：
图1. 钢支座主视图
图2. 钢支座俯视图
图1中，上部构件、上支座顶板和下支座板的材质均为Q345B，不锈钢板的材质为1Cr18Ni9Ti，平面滑板的材质为MHP（超高分子量聚乙烯），考虑焊接需要，试样未做外部涂装，上部构件与上支座顶板连接处焊缝采用2mm钝边，35°坡口。上支座板内部环形60°坡口焊缝为等强度熔透焊接。平面滑板表面储油槽内涂满5201-2硅脂。60°环向焊缝距离聚四氟乙烯板的距离为180mm，本项目中部分支座的该项距离比实际用支座中的距离小，热影响更大，更偏于保守。
2.2 试验内容
为检验焊接对该支座的外形和滑动性能的影响，本次试验共检查了三项内容。
首先，由于焊接产生的高温可能引起钢支座的永久变形和各种焊接缺陷，因此，本次试验全程监测平面滑板（MHP）表面在整个焊接过程中的温度变化。然后，焊接引起的高温可能引起硅油性能的变化进而对支座的耗能能力产生影响，故本次试验的第二项检测内容为焊接对平面滑板储油槽内硅油的影响。最后，为了满足钢支座的外观要求，本次试验检测了上支座顶板焊接完成后的变形情况。
2.3 试验步骤
为完成2.2节中的三项试验内容，本次试验的步骤如下：
（1）将下支座板水平放置在试验台上，凹槽朝上，然后把平面滑板镶嵌在下支座板凹槽内（储油槽面朝上）。在平面滑板表面涂满5201-2硅脂，所有工艺均严格按照成品支座的装配工艺执行；
（2）按试样图纸将焊接好不锈钢板的上支座板居中放置在平面滑板上，然后在图示上支座板内部环形60°坡口内施焊，焊接方式为CO2气体保护焊，等强度熔透焊接。在图示位置布置4个温度计（探头），实时监测平面滑板处温度（焊接每完成一次就记录一次温度至全部焊接结束后）；
（3）试件完全冷却后，测试上支座板的变形情况，采用卡尺和直尺测定上表面的平面度；
（4）按照图示图纸，将上部构件与上支座顶板进行焊接连接，焊接方式为CO2气体保护焊，等强度熔透焊接。实时监测平面滑板处温度（焊接每完成一次就记录一次温度至全部焊接结束后）；
（5）焊接过程中全程观测平面滑板储油槽内硅油的变化情况（有无液化流淌现象），焊接结束后，移除上支座板及上部构件，观察硅脂的留存情况及平面滑板变化情况。
3 试验结果
3.1 焊接温度数据
本次试验中，焊接过程如图3所示，焊接中所用的温度计如图4所示：
图3. 焊接过程图 图4. 温度计图
试验过程中，监测到的不同时刻的温度值如下表1所示：
表1. 焊接温度时刻表
|
时间 |
温度（℃） |
|||
|
1#通道 |
2#通道 |
3#通道 |
4#通道 |
|
|
2016.11.7-14：34（焊接时） |
33.4 |
22.1 |
31.1 |
34.3 |
|
2016.11.7-15：04（焊接完） |
27.6 |
25.3 |
26.1 |
29.4 |
|
2016.11.7-15：40（焊接时） |
39.3 |
29.1 |
29.7 |
48.9 |
|
2016.11.7-16：28（焊接完） |
32.1 |
28.9 |
29.1 |
35.5 |
|
2016.11.8-09：50（焊接时） |
38.8 |
36.9 |
40.3 |
41.1 |
|
2016.11.8-10:10（焊接完） |
36.6 |
29.8 |
24.8 |
24.8 |
|
2016.11.8-14：30（焊接时） |
40.9 |
46.8 |
41.5 |
40.7 |
|
2016.11.8-15：20（焊接完） |
32.2 |
40.6 |
29.8 |
22.7 |
|
2016.11.9-09：20（焊接时） |
47.2 |
34.5 |
57.9 |
58.3 |
|
2016.11.9-10：10（焊接完） |
40.3 |
30.4 |
41.2 |
39.8 |
|
2016.11.9-13：40（焊接时） |
42.5 |
40.2 |
50.8 |
44.6 |
|
2016.11.9-14：20（焊接完） |
32.8 |
33.6 |
42.1 |
28.3 |
|
2016.11.9-15：40（焊接时） |
38.8 |
47.6 |
56.6 |
51.2 |
|
2016.11.9-16：20（焊接完） |
29.8 |
31.3 |
31.6 |
33.1 |
|
2016.11.10-10：08（焊接时） |
22.3 |
24.2 |
22.1 |
23.6 |
|
2016.11.10-14：20（焊接完） |
27.8 |
29.6 |
25.8 |
27.6 |
|
2016.11.10-16：30（焊接时） |
26.6 |
25.3 |
26.7 |
22.8 |
|
2016.11.11-09：30（焊接完） |
18.2 |
18.4 |
20.3 |
21.2 |
|
2016.11.11-10：20（焊接时） |
20.1 |
22.2 |
20.6 |
24.5 |
|
2016.11.11-13：20（焊接完） |
23.1 |
24.4 |
21.8 |
23.6 |
|
2016.11.11-16：10（焊接时） |
22.6 |
22.8 |
24.3 |
21.8 |
3.2 硅油质量检测
焊接完成后，拆除试验试件上表面后的平面滑板如图5所示：
图5. 平面滑板硅油图
由图5可见，硅油状况良好，焊接对平面滑板储油槽内硅油几乎没有影响。
3.3 焊接变形检测
支座焊接完成后，支座顶板变形量记录如表2所示：
表2. 支座顶板变形量记录表
|
时间 |
变形量（mm） |
|||
|
1#顶板边 |
2#顶板边 |
3#顶板边 |
4#顶板边 |
|
|
2016.11.11-19：25 |
1.6 |
2.3 |
1.9 |
1.3 |
文献[12]中指出，支座顶板的焊接变形量不宜超过3mm。本次试验中，支座顶板的焊接最大变形量为2.3mm，满足规范的限值。焊接完成后，支座顶板的变形情况如图6所示：
图6. 支座顶板变形图
图6中，卡尺和上支座顶板之间的间隙代表变形情况。焊接完成后的整体试件如图7所示：
图7. 支座整体图
4 结论
从试验数据及图片可以看出，整个焊接过程当中，平面滑板处最高温度在60℃左右（聚四氟乙烯板的改性温度约为260-300℃），因此焊接过程不会对平面滑板造成影响。焊接过程中油槽内的硅油无流淌现象，试验完成后拆除试验件上部构件，平面滑板的硅油留存情况良好。焊接完成后支座顶板最大变形量在2.3mm左右，满足相关规范的要求。本次试验结果可为以后相关工程项目提供参考。
参考文献
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