型钢拱架焊接作业指导书

型钢拱架焊接作业指导书(总
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新建杭州至黄山铁路站前Ⅶ标型钢拱架焊接加工
作业指导书
编制：
复核：
审核：
中铁二局杭黄铁路站前Ⅶ标项目部
二〇一五年三月
目录
1.编制目的 (2)
2.适用范围 (2)
3.作业准备 (3)
3.1 内业技术准备 (3)
3.2 外业技术准备 (3)
4.技术要求 (3)
5.施工要求 (4)
5.1施工准备 (4)
5.2制作模具 (4)
5.3型钢下料加工 (5)
5.4型钢钢架焊接 (5)
5.5检查验收........................................................................................... 错误!未定义书签。

5.6型钢钢架运输 (11)
6.质量控制及检验 (11)
6.1质量控制 (11)
6.2质量检验 (11)
7.安全及环保要求 (12)
7.1安全要求 (12)
7.2 环保要求 (13)
型钢拱架焊接加工作业指导书
1.编制目的
为明确隧道型钢拱架焊接加工施工工艺、操作要点和相应的标准要求，指导、规范隧道型钢拱架焊接加工施工，满足设计及规范要求。

2.适用范围
适用于本标段内隧道IV、V级围岩初期支护型钢钢架焊接加工。

3.作业准备
3.1 内业技术准备
⑴应在开工前组织技术人员认真学习实施性施工组织设计，阅读和审核设计图纸，熟悉规范和技术标准。

⑵对班组作业人员进行岗前安全培训及技术交底。

⑶钢拱架大样尺寸交底时，应考虑隧道开挖断面预留沉降量引起的断面尺寸变化。

⑷对钢架焊接工艺进行交底。

3.2 外业技术准备
⑴钢架加工场地的布置及地面硬化。

加工场内分区明显、合理（原材料堆放区、加工区、成品区、半成品区、废料堆放区）。

⑵原材料取样送检，合格后方可使用。

⑶在加工区内进行钢架分节段大样放样，制作钢架模型并固定。

⑷场地内各种标识醒目、齐全，机具设备调试性能良好。

4.技术要求
采用型钢钢架施工的围岩为：Ⅳb级、Ⅳ级下锚、Ⅴb级、Ⅴc级、Ⅴ级下锚。

Ⅳb级、Ⅳ级下锚围岩采用I18型钢钢架，钢架间距0.8m～1.0m；
Ⅴb级围岩采用I20a型钢钢架，钢架间距0.6m；
Ⅴc级围岩采用I22a型钢钢架及HW175型钢钢架，钢架间距0.6m；
Ⅴ级下锚围岩采用I20a型钢钢架，钢架间距0.8m。

隧道各部开挖完成初喷砼后，分单元及时安装型钢钢架，与定位锚杆、径向锚杆以及双侧锁脚锚杆固定，纵向采用Φ22钢筋连接。

钢架之间铺挂钢筋网，然后复喷混凝土到设计厚度。

图4-1 型钢标准截面图
表4-1 型钢标准截面尺寸表
5.施工要求
5.1施工准备
⑴做好施工用电，机械设备（如电焊机、弯筋机、切断机、卷扬机等）运转调试工作。

⑵型钢拱架加工所用的原材料必须满足设计及规范要求。

⑶型钢拱架应按分部开挖情况分段、分节制作加工，在加工场地按1：1放样，型钢钢架宜采用冷弯成型。

型钢钢架不得在拱顶等剪应力较大或弯矩最大的地方分段、分节，型钢钢架加工的焊接不得有假焊，焊缝表面不得有裂纹焊瘤等缺陷。

⑷型钢钢架安装前，根据设计断面尺寸及预留沉降量要求，对开挖净空尺寸进行检查。

5.2制作模具
复核型钢钢架截面设计模具，模具材料型钢、钢板和钢筋（Φ25）均可，做好模具可按大样线直接焊在钢平台上，必须保证焊接牢固和竖向垂直。

5.3型钢下料加工
⑴复核下料单上型钢的尺寸及用料规格型号，开始阶段应少下几根料现场弯制，检查是否符合设计要求，严禁以拱部顶点作为分节接头。

⑵按复核后的下料单进行下料，下料后各种规格、尺寸必须分类分开放置并标识，以免误用，对一些小料应合理利用。

⑶进行型钢弯制，可用人工也可用机械弯制，但弯制必须做到以下几点要求：弯起点必须做标记；型钢弯制形状正确，平面上无翘曲不平现象。

5.4型钢钢架焊接
以I18工字钢型号为例，计算型钢焊接加强钢板尺寸确定。

施工当中最为常见的焊接方法是手工电弧焊，通电后，在焊条与焊件间产生电弧，电弧的高温（可达到3000°C）将电弧周围的金属变成液态，形成熔池，同时高温也使焊条金属融化，滴落至熔池中，与焊件的熔融金属结合。

冷却后即形成焊缝。

手工电弧焊优点是操作简便、焊接方便，但是焊缝带的质量有一定的缺陷，在焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区刚才表面或者内部的缺陷。

常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、电弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合等。

焊缝缺陷的存在势必削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。

《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定，焊缝质量等级分为一级、二级和三级；三级焊缝只要求对全部焊缝做外观检查，在平时的施工当中由于焊接技术和检测手段的影响，可以把我们日常施工当中所遇到的焊缝质量规定为三级。

⑴Ⅰ18截面达到设计强度的弯矩计算
由已知资料查出I18工字钢截面特性：
x I =16604cm
x W =1853cm mm 5.6t w = 7.10d =mm
x W M max = 23/21510185mm N M =⨯（设计强度）
m ax M =215N/2mm ⨯3
10185⨯3mm =39.775m KN ⋅
x I ——对x 轴的截面惯性矩
x W —— x 轴的截面模量
w t —— 工字钢翼缘板厚度
d —— 工字钢腹板厚度
m ax M ——使截面达到材料设计强度的计算截面弯矩（荷载乘以分项系数）
⑵三级焊缝达到设计强度的弯矩计算
对接焊缝（三级）对截面的轴向受压和受剪力削弱可以忽略不计，主要是削弱了截面弯矩的抵抗力（受拉）。

按照焊缝的最大弯曲应力计算当焊缝承受最大的弯曲应力时所受的弯矩M ，由于三级焊缝的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，即通过对接焊透焊缝作业后，焊缝截面的焊材的拉强度的85%，根据《钢结构工程施工质量验收规范》可以得出对接焊缝的抗拉、抗剪设计强度
=0.85f =182.75 N/2mm 抗剪 w
f v =125N/2mm σ=W M
=182.75Mpa
w t f
M =182.75 N/2mm ⨯185 ⨯ 3
103mm =33.809m KN ⋅
w t f 、w
f v ——对接焊缝的抗拉和抗压设计强度
f —— Q235 钢材抗拉强度设计值（215 Mpa ） ⑶加强钢板截面尺寸的计算
焊缝对截面抵抗矩的削弱在腹板处和翼缘处（由于施工中对翼缘处平整的要求一般不再翼缘处加强），因此在腹板两边添加加强钢板来弥补焊缝对截面的削弱。

现假设焊缝长度满足要求，由于焊缝质量不足降低的强度由加强钢板增加的截面尺寸来弥补，从而初步确定加强钢板的截面面积。

以I18工字钢截面焊接加强钢板后承受极限应力的弯矩（轴力、剪力忽略不计），由于截面的弯矩抵抗力主要是有截面的尺寸来提供，所以初步计算选取在腹板处焊接两片130mm 宽10mm 厚的钢板来加强如下图：
图5-1 工字钢立面图
截面几何性质的计算：
x I =16604cm +2130.11213⨯⨯⨯=2026.24cm
x W =max x y I =9
2026.2=225.133cm
σ=W M =31013.225M
⨯=182.75Mpa （焊缝达到设计强度）
当焊接加强钢板后抵抗弯矩：
M=3
1013.22575.182⨯⨯=41.14KN.m
由焊缝质量不足抵抗弯矩减小值：
39.775 KN.m -33.809 KN.m =5.966 KN.m
加强钢板焊接后抵抗弯矩值增加值：
所以当腹板增加加强钢板后，截面的抵抗弯矩增大了7.333 KN.m ，大于由焊缝质量不足引起的抵抗弯矩减小值5.966 KN.m ，此次计算旨在找出临界的截面积，因此采用钢材（Q235）、焊缝强度均采用设计值，实际施工当中按照容许应立法，统一折减以保证有一定的安全储备。

由计算得出宽度为13cm 的钢板对于加强焊接截面的弯矩，大于所需要提空的弯矩值，这样造成当焊接截面处最危险点出的弯曲应力达到最大应力值时，其他截面（未焊接截面）早已断裂，造成了加强钢板的浪费，应选择宽度小的钢板，所以厚度不变，经过试算后得出最经济，最安全的钢板宽度为:10mm 厚⨯130mm 宽的钢板最为经济，而且满足截面最大应力的要求并与母材截面强度相同。

⑷焊缝长度和宽度的计算
Ⅰ截面位于弯矩和剪力（轴力忽略不计）最不利的组合作用下，计算最危险点1、2、3、4点（见图2）各处应力值小于焊缝强度设计值来保证焊缝的长度满足要求，当临近未断开截面Ⅱ处应力达到设计强度时焊缝刚好破坏的临界状态，以确定焊缝最小长度和最小的有效截面面积。

通过试算选取130mm ⨯130mm ⨯10mm 的加强钢板。

图5-2 加强钢板立面图
①截面最不利荷载组合值计算
Ⅰ截面最大剪力值和弯矩值按照使截面达到设计强度的确定，最大弯矩值已计算得出：m ax M =39.775m KN ⋅
w It S max max ντ=
=125MPa
=max s 91.843cm
I=16604cm
w t =6.5mm
则
m ax V =KN 86.1461084.915.610166012534=⨯⨯⨯⨯ m ax M ——使截面达到强度设计值的最大弯矩
m ax
τ ——剪切应力设计值 m ax s ——计算剪力处中性轴的面积矩
I ——计算截面惯性矩
w t ——工字钢腹板厚度
m ax
V ——使截面达到设计强度的剪力最大值 所以一块加强板承受的剪力值为：
146.86KN/2=73.43( 实际承受的剪力值要小于此值，保留一定的安全储备)
一块加强钢板承受的弯矩值为：
39.775 KN.m /2=19.888 KN.m
②焊缝强度计算
有效截面面积：e A =0.7⨯8⨯（2⨯130+2⨯130）=29122
mm 形心位置：x =60mm
惯性矩：x I =0.7⨯8⨯（2⨯2
3601302130121⨯⨯+⨯）=46mm 10297.7⨯
因为是对称截面所以
⨯=2I p x I =46mm 10297.7⨯⨯2=46mm 10593.14⨯
验算危险点（1、2、3、4）点的应力：
==a P M fy x I M σ581.8810.593416510888.9166=⨯⨯⨯ N/2mm
==a P m fX y I M τ581.8810.593416510888.9166=⨯⨯⨯ N/2mm
2m fx 2f M fy v fy )()(τβσσ++=
2
2581.88)22.1581.88216.25(++=128.636 N/2mm ≤160 N/2mm
e A ——焊缝有效面积（计算宽度按照焊缝宽度的0.7倍）
x ——形心位置
x I ——x 周惯性矩
y
I ——y 轴惯性矩 p
I ——焊缝有效截面对形心轴的极惯性矩y x p I I I += a x 、a y ——焊缝角点（1、2、3、4）到截面形心轴的距离
v fy σ——剪力作用下角点引起的应力
M fy
σ——弯矩作用下角点引起的应力 m fX τ——弯矩作用下角点应力
f β——端焊缝的强度设计值增大系数。

对承受静力荷载和间接承受动
力荷载结构取1.22
经过试算得出达到临界状态（临近截面达到设计强度时焊缝破坏）下焊缝的长度和有效面积，I18对接焊接截面腹板处的加强钢板的设计尺寸为：130mm ⨯130mm ⨯10mm 并具有一定的安全储备满足使焊接截面处的强度和母材（Q235）强度相同及临近未断开截面强度达到设计强度破坏时，焊接截面处最危险点应力达到焊缝设计强度而破坏，实际施工当中要不小于按照理论计算的出的加强钢板的规格，保证施工安全和材料的合理利用。

同比于以上I18型钢焊缝对接加强钢板检算，I20a、I22a、HW175型钢加强钢板需求尺寸如下表。

表5-1 型钢加强钢板尺寸表
图5-3 I20a加强钢板立面图
图5-4 其I22a加强钢板立面图
图5-5 HW175加强钢板立面图
5.5检查验收
对焊接好的型钢钢架取试件进行拉伸、弯曲试验检测，要求试验结果数据不低于母材材质要求。

5.6型钢钢架运输
根据隧道掌子面每循环安装型钢钢架榀数，人工在型钢钢架加工场选型、配号，装载机或汽车运输型钢钢架至洞内，再由人工抬运型钢钢架至掌子面设计位置安装就位。

6.质量控制及检验
6.1质量控制
⑴钢架要根据计算尺寸要求加工；
⑵焊接质量控制；
⑶螺栓连接质量控制。

6.2质量检验
⑴制作型钢钢架所用型钢的品种、规格、型号必须符合设计及规范和标准要求，进场抽样检验合格。

检验数量：全部检查。

检验方法：观察，钢尺检查。

⑵型钢钢架的弯制应符合设计要求。

钢架的结构尺寸应符合设计要求。

检验数量：全部检查。

检验方法：观察、尺量。

⑶型钢等原材料应平直、无损伤，表面不得有裂纹、油污、颗粒状或片状锈蚀。

检验数量：全部检查。

检验方法：观察。

⑷钢架制作应符合下列规定：
①采用型钢弯制钢架时，分节长度应根据设计尺寸及所采用的开挖方法确定，腹板上钻孔的位置应符合设计要求。

②钢架节点焊接长度应大于4cm，且对称焊接。

③钢架周边拼装允许偏差为±3cm，平面翘曲应小于2cm。

检验数量：每榀钢架检查一次。

检验方法：观察、尺量。

7.安全及环保要求
7.1安全要求
⑴项目部安全生产工作严格按照安全生产三级管理制度执行：项目部设专职人员负责进行安全生产制度制定、总体管理、监督控制工作；作业队设置专职安检员，负责日常安全管理、监督防范工作；班组严格按照有关安全制度执行。

⑵严格按照有关安全操作程序进行施工作业，设置安全标识警示牌以及特殊作业操作牌，
特殊作业制定相应的防护措施（钢板钻孔、型钢弯制），以确保工程有序进行。

⑶配备相应的安全防护设施以及佩戴相应的防护用具，提供必要、合理的施工条件和环境，严禁违章操作，避免造成不良后果和隐患。

⑷进行定期和不定期的安全检查，制定相应的防范措施和整改措施，并加以落实和实施。

⑸修改施工当中不合理、有隐患的条款和措施，进行不断调整和总结，并加以避免类似情况重复出现。

7.2 环保要求
⑴减少运输途中产生的扬尘，对人口稠密地区的施工场地、施工道路进行洒水或采取其他措施抑尘。

⑵施工产生的废料，在施工期间和施工结束以后及时清理，统一收集，妥善处理，以减少对环境的污染。

⑶采取措施或改进施工方法，使施工噪声、振动达到施工场界环境标准。