雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱的制作工藝

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱的制作工藝

杜冰冰，寇宗憲，路 凱，水 峰

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

北京麗澤SOHO工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨(dú)特，其中主體構(gòu)件圓管柱從下向上呈螺旋狀上升并在20～23層形成雙胞胎柱，特點(diǎn)是在空間呈現(xiàn)雙曲狀態(tài)并存在超長(zhǎng)相貫口。以雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱為例，著重闡述在工廠制作過程中選擇合理的工藝制作流程，通過各工序細(xì)節(jié)性的質(zhì)量精度控制、有效的焊接工藝及變形控制等措施，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的制作質(zhì)量精度要求。

雙曲；超長(zhǎng)相貫口；雙胞胎柱；工藝研究

1 工程概況

豐臺(tái)區(qū)麗澤金融商務(wù)區(qū)E-04地塊商業(yè)金融用地項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱麗澤SOHO）由ZAHA HADID建筑事務(wù)所承擔(dān)建筑方案設(shè)計(jì)。麗澤SOHO結(jié)構(gòu)高度191.5m，地下4層，地上45層。分兩個(gè)反對(duì)稱的單塔建筑，每個(gè)單塔采用筒體-單側(cè)弧形框架結(jié)構(gòu)體系，兩個(gè)單塔之間由4道橢圓形腰桁架連接組成一個(gè)整體，形成主結(jié)構(gòu)高度191.5 m的反對(duì)稱復(fù)雜雙塔用跨度9～38 m弧形鋼連廊組成的結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。建筑的主要特色是由兩個(gè)螺旋型塔樓旋轉(zhuǎn)上升圍合出近200m高的中庭空間，中庭空間貫穿所有樓層，形成盤旋上升直至天空的空間體驗(yàn)，如圖2所示。

圖1 建筑效果

結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系主要由圓鋼管混凝土斜柱、鋼筋混凝土核心筒、腰桁架、塔樓之間的連橋等組成。結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，樓層示意如圖4所示。

圖2 中庭仰視效果

圖3 結(jié)構(gòu)體系示意

圖4 樓層示意

2 雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱的特點(diǎn)及重難點(diǎn)

以麗澤SOHO結(jié)構(gòu)體系中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的雙胞胎柱為例，研究其制作工藝技術(shù)，探討雙曲超長(zhǎng)相貫口圓管構(gòu)件的制作工藝及質(zhì)量精度保證最優(yōu)的控制措施。雙胞胎柱示意見圖5，其特點(diǎn)及重難點(diǎn)為：

（1）雙胞胎柱長(zhǎng)度12.6 m，質(zhì)量約12 t，鋼管規(guī)格 φ813×24、φ813×20、φ813×16。

（2）鋼管柱由8段圓管對(duì)接而成，每段管子通過折線形式進(jìn)行對(duì)接，每段管子中心線不在一個(gè)平面上，這決定了管子在空間存在雙向彎曲。每段管子的分段位置正好位于節(jié)點(diǎn)區(qū)域中部，造成與圓管內(nèi)部的內(nèi)隔板和牛腿翼板同時(shí)位于上下兩段圓管上，如圖6所示，不僅無法進(jìn)行一次裝配和焊接，而且存在大量的焊縫重疊，極大地增加了構(gòu)件裝焊的難度，對(duì)焊接技術(shù)水平要求更高。

圖5 雙胞胎柱示意

（3）雙胞胎柱存在超長(zhǎng)相貫口且相貫口不在一個(gè)平面上，因此分成兩段制作，兩段相貫口工廠采用折線對(duì)接。兩段圓管總長(zhǎng)約7 m，相貫口長(zhǎng)6.2 m，相貫口位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，相貫口位置焊縫要求為全熔透一級(jí)，相貫口根部坡口朝向圓管內(nèi)部，焊接空間狹小、操作難度較大。

圖7 超長(zhǎng)相貫口示意

（4）雙胞胎柱上牛腿眾多，如H鋼牛腿、箱型牛腿、銷軸耳板等，牛腿與鋼柱存在兩個(gè)角度，裝配定位比較復(fù)雜。

3 雙胞胎柱制作工藝

3.1 超長(zhǎng)相貫口的制作工藝

圓管相貫口通常采用相貫線切割機(jī)進(jìn)行下料，但是由于本工程相貫口比較特殊——圓管直徑大、相貫口超長(zhǎng)，若采用相貫線切割工藝材料損耗太大，綜合對(duì)比后采用折彎+卷圓的組合工藝進(jìn)行制作。具體如下：

（1）零件A制作要求。

零件兩端口均為大半圓，采用折彎工藝制作，如圖8所示。折彎時(shí)注意一端口為斜口，在“此面為管子內(nèi)壁”面劃出折彎線，折彎線均平行于軸線，然后依次折彎。折彎后為了保證端口尺寸在端口加設(shè)支撐，以防變形。剖面A-A為現(xiàn)場(chǎng)焊接端，必須嚴(yán)格控制端口精度尺寸，重點(diǎn)控制尺寸包括圓管直徑、開口寬度、開口高度等，尺寸偏差不超過3 mm。

圖8 零件A制作

（2）零件B制作要求。

零件一端口為整圓，另一端口為大半圓，此端口和零件A大口端對(duì)接，如圖9所示。零件B先在兩邊1 m范圍內(nèi)（陰影區(qū)）采用折彎工藝成型，然后采用卷圓工藝制作。零件A和零件B制作完成后進(jìn)行預(yù)拼檢查，超差部位采用折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行修正，控制對(duì)接口的錯(cuò)變量小于等于3 mm。

圖9 零件B制作

3.2 其他圓管的下料

其他圓管均是斜口，因此采用相貫線切割設(shè)備進(jìn)行下料，并同時(shí)開設(shè)坡口，坡口角度35°。切割時(shí)每段加放3 mm對(duì)接焊縫收縮余量。規(guī)范要求圓管的縱向?qū)雍缚p錯(cuò)開200 mm以上，采取以下幾個(gè)措施進(jìn)行控制：

（1）深化編程階段。

深化編程時(shí)將起割點(diǎn)定在圓管的四等分線上，上下相連的圓管起割點(diǎn)錯(cuò)開180°，如圖10所示。

圖10 切割程序編制

（2）相貫線切割階段。

進(jìn)行相貫線切割時(shí)起割點(diǎn)與縱縫的關(guān)系規(guī)定如下（見圖 11）：

①對(duì)于偶數(shù)節(jié)圓管柱，如10節(jié)、12節(jié)、14節(jié)等，起割點(diǎn)距縱縫的弧長(zhǎng)為200 mm。

②對(duì)于奇數(shù)節(jié)圓管柱，如11節(jié)、13節(jié)、15節(jié)等，起割點(diǎn)距縱縫的弧長(zhǎng)為700 mm。

③對(duì)于連廊（管桁架）構(gòu)件，起割點(diǎn)距縱縫的弧長(zhǎng)為500 mm。

圖11 起割位置

（3）裝焊階段。

裝焊班組根據(jù)起割點(diǎn)劃圓管四等分線，然后進(jìn)行裝配。

3.3 焊縫質(zhì)量等級(jí)及焊縫形式要求

由于雙胞胎柱分段多，受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)要求相對(duì)較高，具體如下：

（1）圓管的對(duì)接焊縫為全熔透一級(jí)，焊縫形式如圖12a所示；內(nèi)隔板與圓管之間的焊縫為全熔透一級(jí)焊縫，焊縫形式如圖12b所示。

（2）外部H鋼牛腿翼板和腹板的焊縫、銷軸耳板的焊縫等均為全熔透一級(jí)，焊縫形式見圖12c。

（3）節(jié)點(diǎn)板與圓管的相貫口焊縫為全熔透一級(jí)，節(jié)點(diǎn)板與內(nèi)隔板的焊縫為全熔透一級(jí)，如圖13所示。

（4）超長(zhǎng)相貫口的焊縫形式設(shè)置。

超長(zhǎng)相貫口的焊縫分為側(cè)部焊縫和根部焊縫兩部分，如圖14所示。由于圓管直徑小，側(cè)部焊縫從圓管內(nèi)側(cè)無法焊接，因此選擇如圖15a所示的焊縫形式；根部焊縫由于坡口只能朝圓管內(nèi)側(cè)開設(shè)，因此選擇如圖15b所示的焊縫形式，先焊接內(nèi)部焊縫，然后外部清根焊接。為了防止層狀撕裂的發(fā)生，在深化設(shè)計(jì)階段將節(jié)點(diǎn)板邊緣伸出50 mm。

圖12 焊縫形式一

圖13 節(jié)點(diǎn)板

圖14 超長(zhǎng)相貫口的坡口設(shè)置

圖15 防層狀撕裂焊縫形式二

3.4 雙胞胎柱的裝焊工藝

裝配思路：每段圓管先劃線并裝配內(nèi)隔板，然后根據(jù)地樣進(jìn)行圓管對(duì)接，最后裝配牛腿等。

（1）工藝準(zhǔn)備。裝配前應(yīng)根據(jù)板件厚度和焊縫要求開設(shè)坡口，并對(duì)坡口面及附近30 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨處理，清除鐵銹和表面硬化組織層，以消除材料表面的微小應(yīng)力集中點(diǎn)和硬化組織，降低焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

（2）放地樣。根據(jù)打點(diǎn)圖的坐標(biāo)點(diǎn)，首先在拼裝平臺(tái)上進(jìn)行放樣，拼裝平臺(tái)必須有足夠的剛性，并保證平面度偏差在3 mm以內(nèi)。

（3）搭設(shè)胎架。根據(jù)地樣點(diǎn)搭設(shè)胎架，胎架采用角鋼或者方鐵，然后采用激光紅外線水準(zhǔn)儀找平。

（4）分段裝配。每段圓管主體平放，根據(jù)起割點(diǎn)找出圓管的四等分線（十字線），然后進(jìn)行彈線。

制作時(shí)以每段圓管柱頂基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)，先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)隔板的裝配，同時(shí)焊接該區(qū)域內(nèi)隔板與圓管柱的全熔透焊縫，按照規(guī)范進(jìn)行隱蔽報(bào)驗(yàn)。

針對(duì)內(nèi)隔板橫跨2個(gè)圓管的特殊情況，由于圓管直徑小、長(zhǎng)度長(zhǎng)，采用開設(shè)人孔方式進(jìn)行焊接，每段圓管均可先與內(nèi)隔板焊接，然后再進(jìn)行圓管對(duì)接。人孔位置錯(cuò)開內(nèi)隔板50 mm以上，人孔大小500×500 mm。為了保證人孔板的焊接質(zhì)量，在開設(shè)時(shí)4個(gè)角部應(yīng)采用圓角R20進(jìn)行過渡，嵌入時(shí)保證無錯(cuò)邊，焊接時(shí)起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)遠(yuǎn)離角部，盡量在平焊位置連續(xù)施焊，焊縫要求為全熔透一級(jí)，焊后應(yīng)磨平處理，人孔位置如圖16所示。

圖16 人孔示意

（5）裝配柱底第一段圓管和節(jié)點(diǎn)板（見圖17）。

根據(jù)地樣坐標(biāo)進(jìn)行整體裝配，坐標(biāo)點(diǎn)的0點(diǎn)定在柱底左側(cè)圓管下部耳板的位置。左側(cè)圓管放置水平。依據(jù)耳板位置的十字線進(jìn)行定位，然后裝配第一段的圓管和節(jié)點(diǎn)板，內(nèi)隔板要求一起裝配并進(jìn)行焊接。第一段圓管的十字線通過端部耳板，第二段圓管的十字線和第一段重合，第三段依次類推，最后一段十字線不經(jīng)過耳板，班組根據(jù)打點(diǎn)圖位置關(guān)系確定。

柱底端部通過圖18所示的10個(gè)外部點(diǎn)控制端口的截面尺寸。

圖17 裝配柱底第一段圓管和節(jié)點(diǎn)板

圖18 端部截面尺寸控制點(diǎn)

（6）裝配第二段圓管。依據(jù)第二段圓管的十字線和地樣位置裝配第二段圓管，如圖19所示，錯(cuò)變量控制在3 mm以內(nèi)。焊工從柱頂進(jìn)去焊接相貫口根部焊縫和第一段圓管的內(nèi)隔板焊縫，然后裝焊第二段圓管的內(nèi)隔板，如圖20所示。

圖19 裝配第二段圓管

（7）依據(jù)上述步驟依次裝配后續(xù)段管子，如圖21所示。管子主體對(duì)接完成后必須先焊接對(duì)接焊縫。為了防止焊接變形，先對(duì)管子進(jìn)行剛性固定。焊接完畢后在胎架上進(jìn)行檢測(cè)，局部偏差采用火焰進(jìn)行矯正。

圖20 內(nèi)隔板裝配和焊接

圖21 依次裝配后續(xù)圓管

（8）牛腿獨(dú)立組焊。

牛腿在地面選擇最佳位置進(jìn)行整體組立。組立前，應(yīng)預(yù)先采用仿型切割機(jī)開設(shè)環(huán)板及腹板焊接坡口。在地面焊接牛腿主體焊縫，環(huán)板對(duì)接焊縫不焊接，但是需做好對(duì)接標(biāo)記，尺寸矯正合格后，方可轉(zhuǎn)下一工序進(jìn)行整體裝配，如圖22所示。

圖22 牛腿獨(dú)立組焊

（9）依據(jù)地樣裝配外部的牛腿、銷軸耳板等，如圖23所示。整體裝配完成后，復(fù)核牛腿至端部的距離、牛腿與牛腿的距離，偏差控制在3 mm以內(nèi)。

（10）焊接。

采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，如圖24所示。焊材選擇大西洋焊絲CHW-50C6，直徑φ1.2 mm。

構(gòu)件裝配完畢并檢驗(yàn)合格后進(jìn)行焊接，焊后對(duì)全熔透焊縫進(jìn)行100%UT檢測(cè)。焊接順序及變形控制詳見3.5節(jié)。

（11）焊接完畢后進(jìn)行矯正，檢驗(yàn)尺寸合格后進(jìn)行端部下料，并開設(shè)坡口和固定人孔板。人孔板采用卡馬點(diǎn)焊，加設(shè)墊板，坡口角度35°，焊接間隙均為6 mm。注意節(jié)點(diǎn)板坡口朝向人孔位置?，F(xiàn)場(chǎng)坡口設(shè)置如圖25所示。

圖23 牛腿裝配

圖24 焊接

圖25 現(xiàn)場(chǎng)坡口設(shè)置

（12）自檢、互檢與終檢。

鋼構(gòu)件制作過程中及完畢后，首先班組進(jìn)行自檢和互檢，然后質(zhì)量部對(duì)其進(jìn)行過程檢查和整體檢查及驗(yàn)收，檢驗(yàn)規(guī)范按《鋼結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001執(zhí)行，如圖26所示。

3.5 焊接順序及變形控制措施

由于構(gòu)件為雙曲結(jié)構(gòu)，相貫口長(zhǎng)，且圓管存在多條對(duì)接焊縫，焊接順序和焊接方法不當(dāng)極易造成很大的變形，圓管矯正亦較為困難，因此班組在裝焊時(shí)應(yīng)以控制和減小變形為主，嚴(yán)格參照下述要點(diǎn)執(zhí)行：

（1）首先焊接超長(zhǎng)相貫口的焊縫，然后焊接每節(jié)圓管的對(duì)接焊縫，最后焊接牛腿與圓管的焊縫。

圖26 構(gòu)件驗(yàn)收

（2）超長(zhǎng)相貫口的焊接順序：先焊?jìng)?cè)部焊縫，然后焊接根部焊縫，并采用兩名焊工在兩側(cè)同時(shí)施焊。側(cè)部焊縫先打底焊接兩道，焊縫厚度8～12 mm，然后從圓管內(nèi)部焊接根部焊縫，焊滿后在外部進(jìn)行清根，最后在外部將側(cè)部焊縫和根部焊縫焊滿。由于相貫口長(zhǎng)6.2 m，在外部焊接時(shí)應(yīng)采用間斷跳焊，長(zhǎng)度以500 mm為宜。

（3）采用多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)。

采用多層多道焊接，嚴(yán)禁寬幅擺動(dòng)焊接，對(duì)于立焊擺動(dòng)寬度不得超過20 mm。采用此操作方法可改善焊縫和熱影響區(qū)組織，并且降低焊接拘束度，使內(nèi)應(yīng)力均勻分布，同時(shí)可減少焊接收縮變形。在起弧和收弧時(shí)，要求每道焊縫接頭錯(cuò)開25～50 mm以上，起弧采用回焊手法，熄弧應(yīng)填滿弧坑。

4 結(jié)論

以雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱的加工制作為例，分析構(gòu)件制作的重點(diǎn)及難點(diǎn)，從工藝角度探索超長(zhǎng)相貫口的成型方法及焊接技術(shù)，從構(gòu)件的裝配和焊接順序等方面確保雙曲超長(zhǎng)相貫口構(gòu)件的制作精度。工程實(shí)踐證明，制作新工藝技術(shù)是成功的，不僅達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求還節(jié)約了成本，保證了現(xiàn)場(chǎng)的順利安裝，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

[1]GB 50661-2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

[2]王旭，荊芃芃，楊潔，等.麗澤SOHO中心復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（17）：36-41.

[3]肖從真，杜義欣，康志宏，等.麗澤SOHO雙塔復(fù)雜連體超限高層結(jié)構(gòu)體系研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2016，37（2）：11-18.

[4]戴為志，高良.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)及實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

Process of hyperbolic twin column in over-length intersection

DU Bingbing，KOU Zongxian，LU Kai，SHUI Feng
（Zhejiang Jinggong Steel Building Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China）

With complicated engineering structure and unique appearance，Beijing Lize SOHO is in spiral upward of its main tubular pillar from low to high and folded at 20th to 23rd floor to form a twin column，which characteristic is emerged in hyperbolic state in space and an over-length intersection.This paper took the hyperbolic twin column intersection as an example，focusing on the selection of a reasonable process during the production in the factory.Through the accuracy control on quality of each process in detail，it can achieve the components accuracy requirements of production quality，with measures of effective welding technology，deformation control and others.

hyperbolic；over-length intersection；twin column；technical study

TG457.3

B

1001－2303（2017）11－0021-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.04

本文參考文獻(xiàn)引用格式：杜冰冰，寇宗憲，路凱，等.雙曲超長(zhǎng)相貫口雙胞胎柱的制作工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：21-26.

2017-06-16；

2017-07-19

杜冰冰（1985—），男，工程師，學(xué)士，主要從事建筑鋼結(jié)構(gòu)制作工藝技術(shù)及應(yīng)用的研究工作。E-mail：dubing521521521@163.com。