關(guān)于超高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工方法研究與應(yīng)用

馬元學(xué)

(甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司 ，甘肅 蘭州 730300)

1 工程概述

蘭州鴻森銀灘廣場(chǎng)項(xiàng)目總建筑面積48.6萬(wàn)m2，1#樓建筑面積為8.7萬(wàn)m2，11#樓建筑面積為3.2萬(wàn)m2。項(xiàng)目單體分布示意圖及典型構(gòu)件形式如圖1所示，其中1#樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度為215.6m，地下3層地上45層，最高層高(負(fù)一層)為7.4m，轉(zhuǎn)換層層高為5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括型鋼混凝土柱和勁性鋼梁。11#樓為剪力墻型鋼結(jié)構(gòu)，建筑高度為161m，地下3層地上31層，最高層高(負(fù)一層)為7.2m，轉(zhuǎn)換層層高為5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.8m。鋼結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件主要有型鋼混凝土柱和勁性鋼梁，鋼材材質(zhì)主要為Q355B、Q235B。此項(xiàng)目典型的構(gòu)件形式主要為：十字型鋼骨柱、H型鋼骨柱、十字對(duì)接柱、H型對(duì)接鋼柱、十字柱牛腿與鋼梁連接、H型鋼梁[1]。

圖1 蘭州鴻森銀灘廣場(chǎng)項(xiàng)目單體分布示意圖及典型構(gòu)件形式

2 焊接H型構(gòu)件加工工藝

2.1 焊接H型構(gòu)件加工工序及工序說(shuō)明

焊接H型構(gòu)件的主要加工工序?yàn)椋轰摪逍Ｆ?、鋼板?duì)接、數(shù)控下料、開設(shè)坡口、T型鋼組裝、H型鋼組裝、主焊縫焊接、H型鋼校正、端頭加工及劃線、H型鋼制孔、裝焊牛腿及筋板、尺寸檢查[2]。

鋼板下料前進(jìn)行校平，平面度控制在1mm之內(nèi)，消除鋼板內(nèi)應(yīng)力，提高切割質(zhì)量和下料精度；鋼板需對(duì)接加長(zhǎng)時(shí)，采用坡口全熔透焊接，小車式自動(dòng)埋弧焊機(jī)焊接對(duì)接焊縫，反面碳弧氣刨清根，焊后及時(shí)進(jìn)行超聲波檢測(cè)；H型鋼腹板和翼緣板采用多頭火焰切割機(jī)同時(shí)進(jìn)行切割下料，可使板材兩側(cè)均勻受熱，避免產(chǎn)生彎曲變形，下料時(shí)預(yù)留焊接收縮余量；腹板坡口采用小車式自動(dòng)火焰切割機(jī)進(jìn)行切割成型，切割后需對(duì)坡口及周邊進(jìn)行打磨及清理，保證焊接質(zhì)量；T型鋼組立在型鋼組立機(jī)上進(jìn)行，可保證腹板和翼緣板的垂直度，并用CO2氣保焊進(jìn)行定位焊接，定位焊長(zhǎng)度為40mm～60mm，間距300mm～600mm；組立機(jī)上T型鋼組裝另一翼緣板時(shí)，液壓頂緊后用CO2氣保焊進(jìn)行定位焊接，定位焊長(zhǎng)度為40mm～60mm，間距300mm～600mm；H型鋼主焊縫采用門型埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，并采用合理的焊接順序，減少焊接變形，保證H型鋼加工質(zhì)量[3]，H型鋼兩端頭設(shè)置“T”形引弧板及引出板，焊后及時(shí)進(jìn)行超聲波檢測(cè)；H型鋼焊接變形優(yōu)先采用H型鋼矯正機(jī)進(jìn)行矯正，當(dāng)翼緣板較厚時(shí)，輔以手工火焰矯正，保證翼緣板垂直度；H型鋼采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)進(jìn)行端頭余量切割及坡口加工，然后在其上劃出牛腿/筋板組裝的基準(zhǔn)線、定位控制線以及制孔線；H型鋼的制孔優(yōu)先采用三維數(shù)控鉆床，鉆孔前先放出H型鋼的中心線，再由中心向兩端分尺寸，在孔中心放出孔位的十字中心線；裝配H型鋼牛腿及筋板，精確定位后點(diǎn)焊固定，然后用CO2氣保焊進(jìn)行焊接，牛腿可預(yù)先裝焊成一個(gè)單體部件，矯正制孔后再與H型鋼本體裝配；矯正后進(jìn)行尺寸檢查，包括H型鋼本體的外形尺寸、牛腿及筋板定位尺寸、孔定位尺寸等，并做好相關(guān)記錄，如有偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

2.2 關(guān)鍵工序控制點(diǎn)

鋼板校平控制點(diǎn)：鋼板平面度控制；對(duì)于≤14mm鋼板，控制在1mm 以內(nèi)；對(duì)于>14mm 鋼板，控制在 1.5mm 以內(nèi)。

鋼板對(duì)接關(guān)鍵控制點(diǎn)：對(duì)接高低差，對(duì)于≥25mm，偏差≤1mm；對(duì)于<25mm，偏差<0.5mm；角度偏差<5°，根部間隙偏差≤2.0mm；加設(shè)對(duì)接引熄弧板，焊后及時(shí)超聲波檢測(cè)。

開設(shè)坡口關(guān)鍵控制點(diǎn)：角度偏差<5°，開設(shè)好坡口后，必須使用砂輪機(jī)對(duì)坡口內(nèi)的氧化鐵進(jìn)行打磨，去除毛刺及氧化鐵，為后續(xù)焊接做好前期準(zhǔn)備工作，保證焊接質(zhì)量。

H型鋼制孔關(guān)鍵控制點(diǎn)：孔的直徑、圓度及垂直度；同組孔內(nèi)任意兩孔間距，當(dāng) L小于等于500mm 時(shí)偏差為±1.0mm，當(dāng) L大于500mm時(shí)偏差為±1.5mm；相鄰兩組的端孔間距，當(dāng) L大于3000mm時(shí)偏差為±3.0mm；當(dāng)L在 120mm至3000mm時(shí)，偏差為±2.5mm；

3 焊接H型鋼梁起拱工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)國(guó)家規(guī)范的規(guī)定，跨度較大的鋼梁必須在工廠制作預(yù)拱度。鋼梁起拱工藝主要有三種方法：冷加工起拱如圖2、火校起拱如圖3、腹板下料起拱如圖4。

圖2 冷加工起拱示意圖(液壓油頂法)

圖3 火校起拱示意圖(三角形加熱法)

圖4 腹板下料起拱

冷加工起拱工藝是采用油壓機(jī)配以專用的工裝設(shè)備進(jìn)行，加工時(shí)將 H 型鋼吊上專用加工平臺(tái)徐徐進(jìn)行壓制，壓制過(guò)程中用專用樣板進(jìn)行測(cè)量，最終達(dá)到所要求的拱度。

火校起拱利用熱脹冷縮原理，采用烘槍對(duì) H 型鋼的面、腹板進(jìn)行火焰加熱，加熱時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定幾個(gè)加熱部位(起拱點(diǎn))，而后對(duì)各個(gè)部位采用三角形加熱法進(jìn)行集中加熱，加熱溫度控制在 800～900℃，但不得超過(guò) 900℃，同一部位加熱不得超過(guò)兩次，加工過(guò)程中采用樣板或拉線測(cè)量的方法進(jìn)行觀測(cè)其拱度，直至符合要求。冷卻時(shí)自然冷卻，嚴(yán)禁冷水降溫。

腹板下料起拱是利用鋼梁腹板的下料形狀來(lái)控制鋼梁的起拱，鋼梁腹板可采用數(shù)控排版、切割下料成型，然后再與翼緣板裝焊。

4 十字型構(gòu)件加工工藝

4.1 十字型構(gòu)件加工工序及工序說(shuō)明

十字型構(gòu)件的主要加工工序?yàn)椋轰摪鍖?duì)接、數(shù)控下料、組裝H型構(gòu)件、T型鋼小合攏組裝、十字中合攏組裝、焊接。

鋼板對(duì)接焊后對(duì)焊縫余高采用砂輪機(jī)打磨平整，方便后續(xù)對(duì)鋼板進(jìn)行矯平；鋼板下料前檢查鋼板是否平整，如果不平整使用矯正機(jī)進(jìn)行矯正，矯正后使用數(shù)控下料機(jī)進(jìn)行下料，下料后進(jìn)行二次矯正處理；使用H型鋼組立機(jī)進(jìn)行H型鋼的拼裝，當(dāng)遇到腹板和翼板有對(duì)接焊縫時(shí)，必須要錯(cuò)開，避免翼板和腹板的拼接焊縫位置重疊，以免影響型鋼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，拼裝后按焊接工藝要求進(jìn)行焊接和矯正，矯正時(shí)如果型鋼變形較大可采用機(jī)械矯正，如果變形較小可以采用火焰矯正，火焰矯正溫度不能超過(guò)900℃，不能使用澆水降溫方式冷卻，防止鋼材性能改變影響強(qiáng)度。焊接十字型鋼拼裝時(shí)，將H型鋼平放于胎架上，并在型鋼腹板上找到T型鋼定位線，確定位置后，拼裝T型鋼并進(jìn)行點(diǎn)焊，然后將構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°固定于胎架上，用同樣的方法將另一個(gè)T型鋼進(jìn)行拼裝并點(diǎn)焊，拼裝時(shí)必須保證T型鋼的垂直度與直線度。焊接時(shí)主焊縫位置必須使用全熔透焊接，焊接完成后必須對(duì)主焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)探傷，保證焊縫質(zhì)量。

4.2 十字型構(gòu)件加工工藝細(xì)則

十字柱是由一根焊接H型鋼與二根焊接T型鋼拼焊而成，下面將其制作過(guò)如下。

4.2.1 焊接H 型鋼拼裝

1)焊接H型鋼是由兩條翼緣板與一條腹板拼裝而成，焊接H型鋼拼裝由專用H型鋼組立機(jī)進(jìn)行拼裝，拼裝時(shí)為保證焊接H型鋼的截面尺寸，拼裝時(shí)多預(yù)留2mm的拼裝余量，避免后續(xù)焊接時(shí)收縮造成截面尺寸變小，保證外觀尺寸質(zhì)量。

2)當(dāng)遇到焊接H型鋼尺寸過(guò)長(zhǎng)時(shí)，影響板料的轉(zhuǎn)運(yùn)及組立時(shí)，必須對(duì)焊接H型鋼進(jìn)行分段處理，為保證焊接H型鋼的強(qiáng)度，分段位置不能在焊接H型鋼的中間位置，應(yīng)在焊接H型鋼兩頭1/3處，且最短的焊接H型鋼的長(zhǎng)度必須大于500mm。

3)焊接H型鋼對(duì)接焊縫質(zhì)量要求為全熔透一級(jí)，當(dāng)鋼板厚度小于等于10mm時(shí)，采用I型對(duì)接形式；鋼板厚度為10mm～20mm之間時(shí)，采用單面斜坡口，正面焊接完成后，反面要進(jìn)行清根焊接；當(dāng)鋼板厚度大于20mm，采用雙面坡口焊接，焊接完成后必須進(jìn)行超聲波探傷。

4)當(dāng)環(huán)境溫度低于零下20℃時(shí)嚴(yán)禁焊接。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，不能直接進(jìn)行焊接作業(yè)，必須先采取加熱及保溫措施，須將母材坡口施焊處100mm的范圍內(nèi)進(jìn)行火焰加熱，至少加熱到20℃以上溫度才可以進(jìn)行焊接作業(yè)，且在焊接過(guò)程中要進(jìn)行保溫處理，保證溫度不能低于20℃。

5)焊接H型鋼焊接前必須對(duì)焊縫進(jìn)行砂輪機(jī)打磨處理，將焊縫內(nèi)的氧化鐵及其它雜質(zhì)去除干凈，漏出金屬光澤，保證焊接質(zhì)量，防止出現(xiàn)氣孔、未熔透、夾渣等焊接缺陷。

6)焊接H型鋼的焊接順序應(yīng)遵循的原則：應(yīng)使焊接變形和收縮量最?。粦?yīng)使焊接過(guò)程中熱輸入量平衡；收縮變形量大的焊接位置先焊，收縮量小的焊接位置后焊，H型鋼焊接如圖5所示。

7)當(dāng)H型鋼焊接完成后，檢查翼板和腹板是否存在變形，如果發(fā)現(xiàn)變形，必須進(jìn)行矯正處理，當(dāng)采用火焰矯正時(shí)，為保證強(qiáng)度，火焰溫度不能高于900℃，冷卻過(guò)程中不能使用澆水方式進(jìn)行降溫，必須使用空冷的方式進(jìn)行緩慢冷卻。

圖5 H 型鋼焊接

4.2.2 焊接T型鋼拼裝

焊接T型鋼是將一個(gè)焊接H型鋼從腹板長(zhǎng)度方向中心處進(jìn)行切割，得到兩個(gè)焊接T型鋼，T型鋼切割采取半自動(dòng)小車式切割機(jī)在專用胎架上進(jìn)行切割；由于考慮切割產(chǎn)生的變形，腹板采取均勻間隔切割方法：每氣割2000mm保留10mm的間隔；組立、焊接好、矯正好H型鋼后剖割T型鋼。

4.2.3 焊接十字型鋼拼裝

1)焊接十字型鋼拼裝如圖6

圖6 焊接十字型鋼拼裝

2)焊接十字型鋼拼裝時(shí)在胎架上進(jìn)行拼裝，在焊接H型鋼的腹板上確定好焊接T型鋼的拼裝位置并進(jìn)行劃線標(biāo)記，將T型鋼吊裝到標(biāo)記位置后進(jìn)行拼裝，并進(jìn)行點(diǎn)焊，然后將構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°固定于胎架上，用同樣的方法將另一個(gè)T型鋼進(jìn)行拼裝并點(diǎn)焊，為保證截面尺寸，拼裝時(shí)應(yīng)預(yù)留2mm的收縮余量，保證焊后截面尺寸要求，拼裝時(shí)必須保證T型鋼的垂直度與直線度。

3)檢驗(yàn)合格后進(jìn)行焊接，焊接時(shí)在專用胎架上進(jìn)行。

4)焊接后檢查外觀質(zhì)量，如果發(fā)現(xiàn)有變形，應(yīng)進(jìn)行矯正處理，確保焊接十字型鋼的外觀截面尺寸符合規(guī)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合實(shí)際案例，分析了超高層鋼結(jié)構(gòu)H型構(gòu)件及十字型構(gòu)件的加工方法，分析結(jié)果表明，超高層鋼結(jié)構(gòu)H型構(gòu)件及十字型構(gòu)件是超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，其成本低、抗震強(qiáng)、裝配程度高、工期短、性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，影響加工質(zhì)量和精度的因素較多，任何一個(gè)細(xì)節(jié)把控不嚴(yán)，都會(huì)影響施工質(zhì)量。因此，需要嚴(yán)格按照H型構(gòu)件、十字型構(gòu)件加工工藝執(zhí)行，尤其是在構(gòu)件拼裝過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制好工序、材料、人員、設(shè)備，以最大限度保證超高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工質(zhì)量，在焊后矯正處理時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)矯正，保證構(gòu)件外觀尺寸符合規(guī)范要求。