一種巨型鋼管柱圓方過渡節(jié)點(diǎn)加工制作新工藝
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者；張毅
1 工程概況
重慶瑞安“嘉陵帆影”項(xiàng)目總用鋼量約73 340t。二期塔樓地上99層，建筑總高度468m，地上主體框架結(jié)構(gòu)高度為440m，為帶腰桁架的外框架+核心筒（鋼支撐）+伸臂桁架結(jié)構(gòu)。周邊裙樓鋼結(jié)構(gòu)主要為勁性鋼骨混凝土梁柱、型鋼梁、型鋼柱及桁架結(jié)構(gòu)。本工程所使用鋼材材質(zhì)主要有Q235B，Q345B，Q345 GJB，Q345 GJC，Q390GJC。鋼結(jié)構(gòu)最大板厚130mm。外框架由18根巨型鋼柱組成。巨型鋼柱壁厚最厚為70mm，4層以下為直徑2.8m的圓形柱，5層以上為邊長(zhǎng)2. 4m的正方形柱。因此，在4~5層之間設(shè)計(jì)一個(gè)巨型的圓方過渡節(jié)點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱圓方節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)高4m，板厚70mm，單個(gè)節(jié)點(diǎn)重約30t。圓方節(jié)點(diǎn)屬于重要構(gòu)件，設(shè)計(jì)年限為100年。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)目前國內(nèi)超高層項(xiàng)目均沒有類似本工程大截面、大板厚的圓方節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，即本工程的圓方節(jié)點(diǎn)在超高層上尚無成功加工經(jīng)驗(yàn)可參考借鑒。經(jīng)仔細(xì)研究圖紙，分析加工工藝，圓方節(jié)點(diǎn)可采用焊接件、鑄鋼件、鍛鋼件3種加工方式，其中鍛鋼件的質(zhì)量最好。但業(yè)主最終決定本工程圓方節(jié)點(diǎn)采用焊接件。目前，關(guān)于圓方節(jié)點(diǎn)已有相關(guān)的專利和實(shí)體加工報(bào)道，但是其中專利只涉及過渡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)概念，并沒有加工成實(shí)體。而其他加工成實(shí)體的圓方節(jié)點(diǎn)尺寸太小，其加工工藝無法指導(dǎo)本項(xiàng)目。本文主要闡述圓方節(jié)點(diǎn)焊接件的加工制作工藝。
2 焊接件加工方式
經(jīng)過分析，圓方節(jié)點(diǎn)主體分為4部分分別加工后進(jìn)行拼裝焊接。有以下2種加工方式：①加工方式1 由4個(gè)折彎鋼板組成，焊縫位于方口邊中心線處；②加工方式2 由4個(gè)面板組成，焊縫位于方口直角處。如圖1所示。
2.1 加工方式1重難點(diǎn)
由于加工方式1中需將鋼板進(jìn)行折彎，從圓口端至方口端，折彎的幅度越來越大，方口端需要折彎成900。此加工方式存在以下難點(diǎn)。
1)內(nèi)部應(yīng)力大，容易開裂
材質(zhì)為Q345 GJC的70mm厚鋼板軋制過程中會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，方口端直接形成900折角，在應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象。根據(jù)目前了解的加工經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)度厚板在壓彎的過程中有出現(xiàn)直接斷裂情況，而且是在開設(shè)止裂孔及加熱的前提下，產(chǎn)生了斷裂。同時(shí)，軋制完后部分構(gòu)件可能不會(huì)斷裂，但是在后期焊接過程中，在焊接熱應(yīng)力的影響下，也會(huì)產(chǎn)生斷裂的情況。
2)焊縫重疊
豎向板與管壁的焊縫、管壁與管壁的對(duì)接焊縫位于同一位置（共4條焊縫），焊縫重疊，而且焊縫豎向貫穿圓方節(jié)點(diǎn)，單條焊縫長(zhǎng)度> 4m。焊縫集中，焊接應(yīng)力大、變形大。如圖2所示。
所以，加工方式1將鋼板進(jìn)行折彎，存在較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。
2.2加工方式2重難點(diǎn)
加工方式2中圓方節(jié)點(diǎn)主體由4個(gè)面板組成，類似于箱形構(gòu)件制造，不同之處在于每個(gè)面板都需要軋制成圓到方的過渡曲面。此加工方式存在以下難點(diǎn)。
1)面板軋制
Q345 GJC的70mm厚鋼板軋制需要1萬t的軋機(jī)，過渡曲面需要多次軋制而成，軋制后曲面的精度、以及不產(chǎn)生較大應(yīng)力、防止開裂是制作的重難點(diǎn)。
解決措施：分多次軋制，并在軋制過程中跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整，以保證曲面的成型精度；鋼板開裂是從端部開始，為了防止鋼板在多次軋制過程中產(chǎn)生較大應(yīng)力、出現(xiàn)開裂情況，在軋制前對(duì)鋼板端部進(jìn)行局部加熱處理。面板軋制軋道線為水平間隔布置，確保同一高度截面的軋制曲率半徑相同。避免了因常規(guī)扇形板材軋道線為射線圓錐狀分布而造成的軋制弧形徑厚比越來越小，直至趨于零，導(dǎo)致超出規(guī)范要求，無法正常軋制成型，損傷母材，方口轉(zhuǎn)角處無法實(shí)現(xiàn)900折彎，只能切割后進(jìn)行補(bǔ)焊修補(bǔ)。
2)鋼板邊緣精度控制
鋼板軋制后，沿軋制方向容易出現(xiàn)翻邊現(xiàn)象，影響面板與面板拼接。
解決措施：鋼板下料時(shí)設(shè)置余量，在左右兩側(cè)的曲邊上加10cm的板面預(yù)留值，在圓口端預(yù)留10cm。
3)漸變坡口開設(shè)
圓方節(jié)點(diǎn)在不同高度處對(duì)應(yīng)的截面在不停變化，不同高度處面板的弧度不同，面板對(duì)接的角度也不相同，在方口端為T形接頭，形成90。的自然坡口，在圓口端為板與板的對(duì)接接頭，漸變坡口的開設(shè)尤為重要。
解決措施：面板拼接焊縫采用X形坡口，根據(jù)漸變情況開設(shè)漸變的坡口，坡口開設(shè)前需提前放樣畫線。焊縫焊接完成后需將焊縫打磨至需要的外觀尺寸。
綜上所述，圓方節(jié)點(diǎn)制作采用加工方式2：由4個(gè)面板組成，焊縫位于方口直角處。
2種加工方式在轉(zhuǎn)角處的最大偏差值約為99mm，如圖3所示。
3 節(jié)點(diǎn)制作工藝
3.1 鋼板預(yù)處理
為保證本工程鋼構(gòu)件的加工制作質(zhì)量，鋼板如有較大彎曲、凹凸不平等問題時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行矯正。
碳素結(jié)構(gòu)鋼在環(huán)境溫度低于- 16℃、低合金結(jié)構(gòu)鋼在環(huán)境溫度低于-12℃時(shí)不應(yīng)進(jìn)行冷矯正。
采用加熱矯正時(shí)，加熱溫度、冷卻方式應(yīng)符合表1規(guī)定。
矯正后的鋼板表面不應(yīng)有明顯的凹面或損傷，劃痕深度不得大于0. 5mm，且不應(yīng)大于該鋼板厚度負(fù)允許偏差的1/2。
鋼板矯正后的允許偏差應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001有關(guān)條款的規(guī)定。
3.2制作準(zhǔn)備
1)按圖紙尺寸制作1/4局部分段樣板及樣箱。
2)板面展開尺寸理論計(jì)算 根據(jù)三維的建模過程，確定圓方節(jié)點(diǎn)共由4個(gè)面板組合而成。每個(gè)面板包括1個(gè)平面三角形板和2個(gè)空間曲面板。平面三角形放樣后可直接使用，空間曲面板由沿底面為圓的傾斜柱體的母線作軋道線軋制而成。其中，傾斜柱體的母線根據(jù)方柱和圓柱之間特定連線確定，以保證要軋制斜曲面板的尺寸、角度滿足圓方節(jié)點(diǎn)要求�？臻g曲面板是“取自”斜圓柱面的1/8表面，8塊空間曲面板組合之后底面形成一個(gè)圓形。
計(jì)算出下料尺寸后，通過計(jì)算機(jī)放樣得出1/4理論放樣圖，按理論放樣圖下料后制作試件，檢測(cè)試件得出數(shù)據(jù)，然后結(jié)合計(jì)算機(jī)放樣圖得出實(shí)際放樣圖。
3)在制作試件及構(gòu)件工藝要求的基礎(chǔ)上編制產(chǎn)品工藝過程卡、檢驗(yàn)流轉(zhuǎn)卡及修正油軋機(jī)上下模。
3.3下料
按放樣圖通過數(shù)控下料，制作余量做好洋沖標(biāo)記。初步考慮為100mm余量（根據(jù)軋機(jī)模具實(shí)際情況，上模具為單板，下模具為雙板，結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)，考慮100mm的加工余量），該預(yù)留值主要作用是：在軋制過程中，防止由于軋制造成面板兩側(cè)板邊界處出現(xiàn)軋制缺陷，例如，厚板撕裂、邊部壓斷、板側(cè)翹曲等。在軋制完成后將預(yù)留部分的材料沿設(shè)計(jì)的邊線切割掉，并將切割處打磨平整。
3.4軋制
軋制步驟如下：①步驟1：根據(jù)圓方過渡節(jié)點(diǎn)上下端口尺寸及構(gòu)件高度，確定平面三角板斜邊的長(zhǎng)度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從而確定整塊組合面板板材下料具體尺寸和形狀。取軋道線間距計(jì)算公式為：b=1. 2t=1.2×70=84mm，式中：t為板材厚度，取70mm。最終將軋道線間距取為80mm。②步驟2：將2塊相同矩形鋼板(2 500mm x4 100mm)通過焊縫拼接（見圖4a）。分別在2個(gè)矩形鋼板中標(biāo)出組合面板的邊界線，邊界線以外部分為預(yù)留區(qū)域（見圖4b）。③步驟3：確定軋道線和三角板斜邊平行的方向。根據(jù)步驟1中確定的軋道線距離為80mm，軋道線示意如圖4c所示。④步驟4：在軋制前，應(yīng)對(duì)板材尺寸進(jìn)行檢查，根據(jù)提供的尺寸檢查參照表，對(duì)板材尺寸沿高度方向，每隔500mm進(jìn)行逐一檢查（見圖4d）。⑤步驟5：沿平行四邊形的斜向軋道線依次采用10 000t自制液壓機(jī)進(jìn)行初步軋制，然后采用3 000t的自制液壓機(jī)進(jìn)行修正。軋制時(shí)，根據(jù)底面圓的半徑以及每道軋道線的間距計(jì)算確定每條軋道線的軋制彎曲角度為1760，如圖4e所示。
軋制時(shí)采用分段軋制、分段檢測(cè)、分段完成的方法制作，用樣板檢測(cè)分段軋道線弧度，用樣箱檢測(cè)分段及整體。軋制分為多次進(jìn)行，軋制過程中及時(shí)采用樣箱檢測(cè)弧度是否滿足要求，若不滿足，則根據(jù)樣箱尺寸及時(shí)糾偏。軋制成型后、焊接之前，應(yīng)對(duì)成型的組合面板進(jìn)行再檢驗(yàn)，沿高度方向根據(jù)提供的尺寸參照表，檢驗(yàn)軋制成型質(zhì)量。
為了確保鋼板軋制成型后不出現(xiàn)裂紋，在鋼板軋制成型后對(duì)軋制區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷，探傷合格后才能進(jìn)入下道工序。
3.5拼裝焊接流程
拼裝焊接順序?yàn)椋?片面板組裝、焊接（設(shè)置臨時(shí)加強(qiáng)措施）->水平板組裝、點(diǎn)焊固定->豎向板組裝點(diǎn)焊固定->內(nèi)部板焊接。
1)對(duì)單片鋼板多次軋制部位進(jìn)行局部正火處理，使該部分材料的組織接近材料原始組織。
2)單片切割去除余量，焊接坡口嚴(yán)格按圖樣及焊卡要求進(jìn)行切割拼接坡口，清除毛刺。
3)按圖紙尺寸進(jìn)行4片組對(duì)、校正、拼裝并點(diǎn)焊。
4)在構(gòu)件兩端端口及中間加裝臨時(shí)加強(qiáng)措施，防止焊接變形。
5)按焊接工藝要求對(duì)構(gòu)件4條直縫進(jìn)行焊接。焊接完成后進(jìn)行UT探傷。
6)拆除臨時(shí)加強(qiáng)措施，復(fù)檢尺寸，并進(jìn)行局部校正。
7)內(nèi)部板裝配焊接：①在天圓地方內(nèi)壁按圖紙尺寸劃出加勁板位置線。②按構(gòu)件內(nèi)壁位置線，先裝配構(gòu)件中部水平加勁板，再裝配構(gòu)件豎向加勁板，最后裝配構(gòu)件兩端水平加勁板。③加勁板采取雙面坡口焊接，采取措施控制面板的焊接變形，保證其平面度。
8)在方形端口外部圓角處堆焊成直角，并打磨光滑。
圓方節(jié)點(diǎn)拼焊流程：①流程1：面板軋制完成后拼裝第1個(gè)面板（見圖5a）；②流程2：拼裝2塊側(cè)向面板，并在柱中和兩端設(shè)置3層加固措施(見圖5b)；③流程3：拼裝頂部面板，并按流程2中的要求設(shè)置加固措施，保證4個(gè)面板的定位，面板拼裝完成后進(jìn)行4條拼縫的焊接（見圖5c）；④流程4：面板4條焊縫探傷合格后開始組裝內(nèi)部板，先安裝柱中的水平板，進(jìn)行點(diǎn)焊固定（見圖5d）；⑤流程5：安裝豎向板（先將豎向板組焊成T形再與管壁進(jìn)行組焊），進(jìn)行點(diǎn)焊固定（見圖5e）；⑥流程6：安裝柱兩側(cè)的水平板，進(jìn)行點(diǎn)焊固定，待所有板組裝完成，尺寸檢測(cè)合格后統(tǒng)一進(jìn)行焊接。焊接順序?yàn)閺闹虚g往兩邊(見圖5f)；⑦流程7：焊接探傷合格，并經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行噴砂除銹、最后進(jìn)行底漆和中間漆施工，完成圓方節(jié)點(diǎn)制作（見圖5g）。
3.6焊接方法
圓方節(jié)點(diǎn)加工主要分為2部分：管壁和內(nèi)部板；焊接方法也分為2種：管壁與管壁對(duì)接焊縫、板與板及板與管壁對(duì)接焊縫。
1)管壁焊接方法 管壁分4片軋制完成后進(jìn)行拼焊，焊縫采用自動(dòng)埋弧焊，多道多層焊接。
焊縫焊接順序?yàn)椋?#9312;先焊正面（內(nèi)側(cè)）1->7；②反面（外側(cè)）碳弧氣刨清根、打磨清理、焊8->15；③再翻身焊正面16->22;④最后焊接反面23->26。如圖6所示。
單條焊縫整體焊接順序?yàn)椋?#9312;未放在焊接工裝平臺(tái)前，先焊縫及近焊縫區(qū)域清理，然后兩人同時(shí)面對(duì)面焊接BC段，其中AB段長(zhǎng)度1.8m，BC段長(zhǎng)度2. 2m。在外側(cè)采用氣體保護(hù)焊打3道底，依次把4條BC段打完底。如有坡口不到位時(shí)，先碳刨坡口，防止變形。②把天圓地方放置于工裝平臺(tái)上，AB段在內(nèi)側(cè)采用氣體保護(hù)焊打底3道，如有坡口不到位時(shí)，先碳刨坡口。打底AB段內(nèi)側(cè)采用埋弧焊焊接內(nèi)側(cè)，焊接采用多層多道焊，依對(duì)角方式把4條焊縫內(nèi)側(cè)焊完。③碳刨BC段內(nèi)測(cè)，采用氣體保護(hù)焊，焊接注意多層多道焊。④碳刨清根AB段外側(cè)，由于節(jié)點(diǎn)拼接在一起時(shí)，越接近A端，坡口尺寸越小，直至沒有坡口，碳刨時(shí)需碳刨一定寬度，以便焊接。⑤焊接過程中，如發(fā)現(xiàn)圓度等有明顯變形時(shí)，暫停焊接，糾偏處理后再繼續(xù)焊接。如圖7所示。
2)內(nèi)部板焊接方法
管壁拼焊完成后再依次組裝水平板和豎向板，最后進(jìn)行焊接，采用多層多道二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。先焊水平板，再焊豎向板；先焊中間再焊兩邊。內(nèi)部板焊縫修改為半熔透焊縫加角焊縫的組合焊縫。
3.7焊縫返修
焊接完成后如果存在探傷不合格的焊縫，則按下述補(bǔ)焊工藝進(jìn)行返修。補(bǔ)焊采用碳弧氣刨清根，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接。
補(bǔ)焊工藝流程：先焊正面(1->12)，另一面碳弧氣刨清根、打磨清理、焊13->22，再焊正面23->30，然后反側(cè)焊31->37。如圖8所示。
3.8焊縫檢測(cè)
超聲波探傷的方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)按照《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》GB/T11345-2013進(jìn)行。其合格等級(jí)應(yīng)為現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》B級(jí)檢測(cè)的Ⅱ級(jí)及Ⅱ級(jí)以上。
4 結(jié)語
巨型鋼管柱圓變方過渡節(jié)點(diǎn)加工制作工藝成功應(yīng)用于重慶瑞安項(xiàng)目圓方節(jié)點(diǎn)的加工制作中。工藝流程簡(jiǎn)單實(shí)用，指導(dǎo)加工出的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量可靠，不僅滿足設(shè)計(jì)要求，而且造型美觀獨(dú)特。對(duì)類似巨型鋼管柱過渡節(jié)點(diǎn)的加工可提供指導(dǎo)作用。
5[摘要]近年來，高層和超高層建筑在全世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展�，F(xiàn)代高層建筑在滿足基本的使用要求以外，還要求具有藝術(shù)美感的外觀。重慶瑞安“嘉陵帆影”項(xiàng)目在圓方節(jié)點(diǎn)的加工制作中，通過理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，總結(jié)出一套巨型鋼管柱圓變方過渡節(jié)點(diǎn)的加工制作工藝流程，用于指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)加工的下料、軋制、拼裝和焊接等工序。工藝流程簡(jiǎn)單實(shí)用，指導(dǎo)加工出的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量可靠，不僅滿足設(shè)計(jì)要求，而且造型美觀獨(dú)特。
