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中央電視臺(tái)特殊構(gòu)件的制作工藝

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    李文杰 虞明達(dá) 賀明玄
    (上海冠達(dá)爾鋼結(jié)構(gòu)有限公司)

    摘要：本文介紹中央電視臺(tái)外框地下特殊埋入箱形柱和三箱柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制作分段、加工順序、焊接變形的預(yù)防措施、如何降低焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的方法等，使制作后構(gòu)件的焊接內(nèi)應(yīng)力降到最低，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳力明晰、可靠的要求。
    關(guān)鍵詞：角柱、 菱形、 部件、 焊接收縮量的預(yù)設(shè)、橫向收縮量。
    1 構(gòu)件概況
    特殊埋入箱形柱位于塔樓外框的角上，雙向傾斜6度，由于2個(gè)面連接支撐，所以此柱子的斷面為菱形，而水平剖面為矩形，設(shè)有縱向隔板和2層底板。三箱柱位于塔樓外框上，雙向傾斜6度，斷面為3箱矩形，而水平剖面為菱形，在外側(cè)1箱設(shè)有巨大的蝶形連接板。

    2 結(jié)構(gòu)介紹
    2.1外框角柱
    外框角柱位于塔樓1的角部，構(gòu)件在空間為雙向6度內(nèi)傾斜，構(gòu)件的本體由地上段和埋入段組成，主體由板厚100mm的 Q390D?Z35厚板構(gòu)成，底板厚為135mm的Q390D?Z35。角柱垂直于柱軸線的的截面為菱形，水平截面為矩形，兩墻面?zhèn)扔信c斜撐相連的箱形牛腿，其中箱形牛腿的一塊翼板為柱本體翼板的延伸。結(jié)構(gòu)焊接型式為全焊透一級(jí)焊縫，角柱的凈截面寬為1米?1米，長(zhǎng)度為10米，單根凈重60噸。
    角柱的結(jié)構(gòu)圖

    2.2三箱柱
    外框3箱柱位于塔樓的外立面，構(gòu)件在空間為雙向6度內(nèi)傾斜，與外框梁連接的牛腿為水平設(shè)置，柱子本體由板厚100mm的 Q420D?Z35厚板構(gòu)成，多箱柱由3個(gè)箱體組成，外側(cè)箱體的翼板通過蝶形板與箱形結(jié)構(gòu)的斜撐相連，結(jié)構(gòu)焊接型式為全焊透一級(jí)焊縫，3箱柱的凈截面為1.4米?1米，長(zhǎng)度為14.88米，單根凈重123噸。
    三箱柱的結(jié)構(gòu)圖

    3 問題提出
    ①厚板焊接的收縮量的大小和制作時(shí)的預(yù)設(shè)。
    ②焊接變形預(yù)防和糾正。
    ③焊接引起的內(nèi)應(yīng)力如何控制在最小。
    ④多箱柱子端部凹凸面的銑加工
    ⑤多箱柱子的斷面尺寸控制
    ⑥多箱柱的焊接順序設(shè)定。
    4 解決問題的思路
    ①從結(jié)構(gòu)的整體考慮，應(yīng)將構(gòu)件拆分為幾個(gè)獨(dú)立而自身能穩(wěn)定的部件，目的是使部件自身焊接內(nèi)應(yīng)力保持平衡，而拆分后的部件之間又以自由端相互焊接，這樣就減少焊接時(shí)部件相互的牽制。同時(shí)將部件之間在連接處的材料預(yù)放一定的余量來消除部件焊接變形引起的尺寸誤差，從而控制了構(gòu)件整體的變形和將內(nèi)應(yīng)力降為最低。將不定的因數(shù)轉(zhuǎn)為可預(yù)見和可控制的因數(shù)。
    ②在部件的選擇上，盡量考慮部件焊縫的對(duì)稱性，對(duì)非對(duì)稱的焊縫應(yīng)通過計(jì)算及以往工程的經(jīng)驗(yàn)比較后得出焊接引起的變形量，在零件準(zhǔn)備和焊接順序上下工夫。這也就要求制作和焊接工藝要相結(jié)合出對(duì)策。
    ③對(duì)此類結(jié)構(gòu)在編制工藝時(shí)要一切從焊接的可操作性可控制性出發(fā)，安排組裝次序。因?yàn)橐坏?gòu)件變形，矯正工作受溫度和結(jié)構(gòu)形式的影響而很難進(jìn)行和奏效，尤其對(duì)于多箱柱更為重要。
    ④正確地應(yīng)用好鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范上的公差規(guī)定的范圍，在規(guī)定公差的基礎(chǔ)上考慮余量的設(shè)放，從而保證產(chǎn)品在合格的范圍內(nèi)。
    ⑤要建立一套較完整的工藝編制和審核制度，其好處是在工程的開工之初就能預(yù)計(jì)到工程進(jìn)行中的問題，即自己提問題和解決問題，把構(gòu)件的制作在文件上先畫圓了。
    ⑥根據(jù)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)形式，多箱柱的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定以滿足安裝需要、滿足規(guī)范為原則。




    5 外框角柱制作工藝
    5.1部件的拆分
    ①根據(jù)埋入式柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將構(gòu)件拆分為地上段、埋入段、底板、可拆分的斜撐箱形牛腿、不可拆分的斜撐箱形牛腿等五個(gè)分部。
    ②在拆分段的連接處預(yù)放用于銑削、調(diào)整位置用的二次切割余量。
    ③規(guī)定了這些部件制作成形后的測(cè)量基準(zhǔn)。


    5.2 構(gòu)件的制作方法
    5.2.1構(gòu)件的制作流程安排


    5.2.3上節(jié)菱形角柱的制作步序
    第一步：①由于菱形箱體內(nèi)有80mm的斜撐連接板的支持板，此板與菱形箱體的 腹板為焊透焊縫。如菱形箱體組成后再焊接此板，目前條件行不通。因此先以下圖三角組件開始。

    由上圖可以看出，三角組件在組裝時(shí)要考慮三條縱縫在焊接時(shí)的焊 橫向收縮量和收縮引起的截面變形的協(xié)調(diào)，根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮實(shí)際焊縫為拘束狀態(tài)的角接焊縫，因此橫向收縮量的大小取2～3mm。而在這里的根據(jù)此數(shù)值調(diào)整三角組件的裝配角度從90.626調(diào)整為91.459度，同時(shí)由焊透焊縫引起的角變形根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為1度，此角度是在縱縫打底焊完成后用火工完成。焊接接后使截面回復(fù)到圖紙尺寸。

    ②三角段在縱縫焊接時(shí)還存在扭曲問題，因此在三角組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上采用工藝隔板，目的是增加面板在焊接時(shí)的抗扭剛度，縮短扭曲的計(jì)算長(zhǎng)度。同時(shí)在焊接時(shí)采用同規(guī)范、同方向的焊接順序。
    ③為了減少三角組件在長(zhǎng)度方向的拱曲，兩翼板間的焊縫僅焊1/2高度，目的是在組合成方箱體時(shí)，使方箱體的四條縱縫在焊接時(shí)對(duì)稱進(jìn)行，減少箱體在長(zhǎng)度方向的拱曲變形。
    第二步：
    ①由于構(gòu)件在垂直于軸線的截面為菱形，必須采用工藝隔板來保證截面組裝后的形狀。因此在胎架上固定三角部分的一塊翼板，加隔板和工藝隔板，利用隔板調(diào)整另一腹板扭曲。加另外兩塊翼腹板，組合成方箱體。
    ②焊接箱體四條縱縫時(shí)，構(gòu)件必須多點(diǎn)墊實(shí)。以防焊接時(shí)焊縫收縮和構(gòu)件自重引起的彎曲和扭曲變形。
    ③焊接完成的部件必須要進(jìn)行過程中的變形檢驗(yàn)，要有檢驗(yàn)人員的參與，因?yàn)閷?duì)此類剛度特大的構(gòu)件，部件的合格決定了構(gòu)件的合格。
    ④焊接后的箱體其焊縫及焊縫附近1倍板厚的位置其應(yīng)力已達(dá)材料的屈服應(yīng)力，因此后焊的零件對(duì)箱體的變形影響不大。此時(shí)可對(duì)箱體進(jìn)行銑削定長(zhǎng)。銑削后的上段柱放3mm的與底板焊接的焊接收縮余量。
    第三步：下節(jié)柱的制作過程略同上節(jié)柱，工藝隔板選用2塊，柱本體焊接完成后，銑本體端口。定長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)度放6mm的與底板焊接收縮余量。
    第四步：大斜撐連接牛腿的制作
    a.大斜撐牛腿有2種形式：
    ①可單獨(dú)制作的斜撐牛腿（圖1）；


    b.制作過程
    ①圖1中可單獨(dú)制作的斜撐牛腿的制作要點(diǎn)是斜撐連接板要按圖紙的最大輪廓切割，單獨(dú)組合焊接完成后的斜撐牛腿與柱本體的焊接邊要進(jìn)行二次切割，以適合變形后的本體，目的是保證焊縫的尺寸間隙和保證斜撐上口與柱上端口的相對(duì)尺寸。
    ②圖2與主體在同一塊板上的斜撐連接板在下料時(shí)其上端與斜撐連接口的3條邊均應(yīng)放寬5mm的調(diào)整余量，原因是此板是上節(jié)柱箱體的翼板之一，本體的縱縫焊接收縮導(dǎo)致斜撐上端的位置移動(dòng)。本體焊接完成后可切除余量。在此板上組合牛腿的其余部分，當(dāng)焊接另一斜撐連接板時(shí)要考慮焊縫收縮時(shí)導(dǎo)致的整個(gè)牛腿轉(zhuǎn)動(dòng)，解決的方法是在保證焊縫間隙時(shí)調(diào)整斜撐連接板的寬度。
    第五步：底板
    ①柱底板由數(shù)控切割外形。底板上的錨栓孔由鉆小孔后火焰切割而成，檢測(cè) 切割面，打磨或補(bǔ)焊（按焊接作工藝要求）孔表面。在底板的上、下面畫出柱本體的輪廓線，用于組裝。

    第六步：總裝，要求是使上、下節(jié)段的柱的中心線調(diào)整在一條直線上。
    ①胎架為水平狀態(tài)。調(diào)整胎架間的高差小于3mm。放入上、下段后，復(fù)查上、下柱段的對(duì)齊狀態(tài)。
    ②在柱底板的向上面必須畫出柱的安裝輪廓，十字中心線的位置。
    ③將135mm厚的有孔底板插入柱間，與上節(jié)柱點(diǎn)焊在一起。
    ④推動(dòng)下節(jié)柱頂緊底板，點(diǎn)焊焊接處。
    ⑤測(cè)量安裝位置的是否準(zhǔn)確，焊接收縮余量是否設(shè)置。在胎架上焊接底板與柱身直到完成。
    ⑥矯正底板，焊接栓釘，清理構(gòu)件表面，完成各類標(biāo)記。



    6 外框三箱柱
    6.1部件的拆分
    ①根據(jù)多箱柱柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將構(gòu)件拆分2個(gè)л和1個(gè)箱體、2個(gè)蝶形節(jié)點(diǎn)和牛腿等七個(gè)部件。
    ②在拆分時(shí)考慮各部件的焊接收縮余量和銑削余量。
    ③規(guī)定了這些部件制作成形后的測(cè)量基準(zhǔn)。
    6.2 三箱柱子的制作方法
    6.2.1 構(gòu)件的制作流程安排


    6.2.3三箱柱的制作步序
    第一步：三箱柱本體
    ①由于三箱柱的現(xiàn)場(chǎng)焊接需要，柱子端面設(shè)計(jì)為凸臺(tái)形，整體焊接后無法銑削，所以把三箱拆散分別組裝，中間為典型的箱形柱，二邊為л形柱，由于三箱柱焊接后的剛性很大，而且內(nèi)側(cè)翼板成形后無法進(jìn)行矯正，矯正的量及其有限，所以從一開始就要進(jìn)行變形控制，如：翼腹的旁彎、拱度矯正，使其直線度控制在3～4mm以內(nèi)，而且彎曲的方向最好一致，避免部件組裝后扭曲。裝配的胎架進(jìn)行校平，保證裝配的質(zhì)量。測(cè)量工藝隔板和隔板的對(duì)角線，使其在裝配時(shí)處于同向。

    ②從上圖可以看出，三箱柱在斷面高度方向中有6條全焊透焊縫，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加工經(jīng)驗(yàn)每條焊縫放2mm收縮余量，每個(gè)部件放4mm收縮余量，則在三箱柱的高度方向總共放焊接收縮余量12mm。

    ③為了減少焊接變形(拱度方向)，在焊縫設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證焊接收縮的對(duì)稱性，見上圖，按下列公式進(jìn)行校核：
    Σ上F×L ＝Σ下F×L 。如果差異很大，應(yīng)調(diào)整焊縫坡口的角度和間隙（焊縫面積）來解決。
    ④為了端面的銑削需要，先分別對(duì)箱形柱和л柱進(jìn)行打底焊接。

    第二步：
    ①箱形柱只銑上端面，л柱按圖紙尺寸上下兩端均銑削。
    ②為了增加本體剛度減少焊接變形，部件不進(jìn)行埋弧焊，必須待三箱柱組裝后進(jìn)行焊接，三箱柱組裝時(shí)上端按圖紙尺寸進(jìn)行拼裝，也就是說只保證上端凸臺(tái)尺寸，然后進(jìn)行三箱柱的縱縫打底。
    ③為了防止焊接變形，在埋弧焊焊接時(shí)應(yīng)盡量按軸心線進(jìn)行對(duì)稱、同步、同向、同規(guī)范焊接，同時(shí)為了控制拱度，在焊接過程中應(yīng)進(jìn)行翻身焊接，不能一次焊完。外側(cè)翼板在焊到1/2焊高時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行矯正。焊接順序見下圖，先焊距離中心較近的焊縫，再焊距離中心較遠(yuǎn)的焊縫。本體焊接完成后必須要進(jìn)行過程中的變形檢驗(yàn)，特別是外測(cè)翼板，要有檢驗(yàn)人員的參與，因?yàn)閷?duì)此類剛度特大的構(gòu)件，如果把部件的變形放到構(gòu)件成后再矯正就很困難。

    ④本體矯正后進(jìn)行焊縫的UT檢查，有缺陷及時(shí)返修，最后按圖紙的長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行柱子下端的總長(zhǎng)銑削，以柱子兩端口的中心劃出修正后的中心線，確定蝶形節(jié)點(diǎn)的中心基準(zhǔn)線，同時(shí)測(cè)量下端凸臺(tái)的尺寸，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)焊接的π段長(zhǎng)度。

    第三步：蝶形節(jié)點(diǎn)
    ①首先在蝶形板上劃出基準(zhǔn)中心線，按基準(zhǔn)線組裝蝶形節(jié)點(diǎn)，腹板的高度同樣放4mm焊接收縮余量，在斜撐連接口處放3mm銑削余量，焊接后矯正蝶形板的平面度。
    ②劃出端口基準(zhǔn)線，銑削上下連接端口。以柱子本體中心基準(zhǔn)線到翼板邊緣的實(shí)際尺寸，切割蝶形節(jié)點(diǎn)與本體的焊接坡口，安裝襯墊板時(shí)放出2mm的焊接收縮余量。

    第四步：總裝
    ①裝配蝶形節(jié)點(diǎn),要求蝶形節(jié)點(diǎn)的各個(gè)連接端口與柱子本體在同一個(gè)平面內(nèi)，在組裝前先調(diào)整胎架的水平，測(cè)量蝶形節(jié)點(diǎn)各端口與本體的平面度（使其控制在5mm范圍以內(nèi)），測(cè)量各端口的坐標(biāo)尺寸。
    ②蝶形節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)，應(yīng)以柱子為中心進(jìn)行對(duì)稱焊接和翻身焊接，不能一次焊完，減少焊接變形。

    第五步：
    ①裝配牛腿和其他吊裝附件板，焊接、矯正附件板。對(duì)柱子進(jìn)行整體的測(cè)量和檢查。
    ②焊接栓釘，清理構(gòu)件表面，完成各類標(biāo)記。

    7 總結(jié)
    通過合理的部件拆分，控制部件的焊接變形來達(dá)到構(gòu)件整體的合格。采取有效的制作工藝措施和焊接控制措施，嚴(yán)格的工藝控制和檢驗(yàn)，確保了箱形柱的制作質(zhì)量，從而加快了制作進(jìn)度，并經(jīng)多方檢驗(yàn)和最終安裝檢驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)安裝一步到位。



    參考文獻(xiàn)
    1.《焊接設(shè)計(jì)》 （美） O。W。勃?jiǎng)诮?br /> 2．《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GBJ50017-2003
    3．《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50205－2001

    作者簡(jiǎn)介：李文杰，男，1964年12月，上海冠達(dá)爾鋼結(jié)構(gòu)有限公司主任工藝師，從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝方案的制定。

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