武漢綠地中心主塔樓環(huán)帶桁架制造工藝

劉曙 楊高陽葉曉東 張明 陳蒼 劉歡

(中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北武漢430000)

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

華中第一高樓武漢綠地中心建筑高度636 m，為“鋼骨巨型柱框架+型鋼混凝土核心+伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系，該體系由內(nèi)置異形型鋼混凝土巨柱、內(nèi)置型鋼或鋼板(鋼骨柱)的鋼筋混凝土核心筒、連接核心筒與外框的伸臂桁架、約束結(jié)構(gòu)變形的環(huán)帶桁架以及對應(yīng)樓層結(jié)構(gòu)鋼梁、組合樓板組成。

1.2 環(huán)帶桁架概況

武漢綠地環(huán)帶桁架工10道，總重9 442 t，為焊接H型鋼。伸臂桁架結(jié)構(gòu)由上弦桿、X形腹桿及下弦桿組成，最大截面尺寸為H1 000×600×80×80 mm，鋼材材質(zhì)為Q345GJC,Q390GJC,Q420GJC。環(huán)帶桁架層示意圖如圖1所示。

2 環(huán)帶桁架制作分析

1)環(huán)帶桁架為空間折面結(jié)構(gòu)，蝶形連接節(jié)點(diǎn)(如圖2所示)的角度直接影響現(xiàn)場連接的精度，因此蝶形節(jié)點(diǎn)板的裝焊精度是本桁架制作的重難點(diǎn)之一。

2)環(huán)帶桁架現(xiàn)場連接形式為栓接連接，單個(gè)連接端口螺栓數(shù)量較多，達(dá)108個(gè)，同時(shí)連接板加腹板總厚度達(dá)260 mm；螺栓孔群的制作精度是本結(jié)構(gòu)的加工難點(diǎn)之一。

針對環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)特性，制定合理的裝配和焊接工藝，以控制桁架制作質(zhì)量。裝配工藝思路:上下弦桿及X型腹桿分別組裝、焊接、矯正后整體預(yù)拼裝，裝配工藝充分考慮蝶形節(jié)點(diǎn)角度，筋板高強(qiáng)螺栓孔群在下料時(shí)加工，端頭高強(qiáng)螺栓孔群在預(yù)拼裝后進(jìn)行加工。焊接工藝充分考慮焊接截面收縮、焊接變形、焊接質(zhì)量控制，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，以使桁架整體焊縫成形良好，焊接變形控制得當(dāng)。

3 環(huán)帶桁架制造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 弦桿蝶形節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)

1)下料工藝要求。

各零件下料時(shí)不加放余量，左右兩側(cè)的牛腿翼腹板高強(qiáng)螺栓孔暫不加工，插板上的安裝螺栓孔在下料階段加工。

2)組焊工藝要求。

首先，在操作平臺(tái)上劃出地樣線，地樣允許偏差不超過1 mm；然后，在鋼骨柱上劃出蝶形板定位線，安裝蝶形板，并復(fù)核各空間尺寸。焊接矯正合格后根據(jù)圖紙尺寸安裝加勁板等其他附屬零件；最后，根據(jù)地樣線定位BH牛腿，如圖3所示，并根據(jù)定位尺寸進(jìn)行焊接。半成品驗(yàn)收尺寸允許偏差不超過±2 mm，檢驗(yàn)合格后根據(jù)生產(chǎn)部的預(yù)拼裝安排吊至指定場地進(jìn)行預(yù)拼裝。產(chǎn)品連接板和工裝連接板采用數(shù)控鉆床進(jìn)行加工，孔徑允許偏差+1.0 mm。

3.2 桁架預(yù)拼裝技術(shù)

桁架采用分單元連續(xù)循環(huán)匹配的預(yù)拼裝方法進(jìn)行預(yù)拼。

1)拼裝基準(zhǔn)面的確定：采用臥拼法進(jìn)行預(yù)拼，根據(jù)每榀桁架的特點(diǎn)選擇基準(zhǔn)面，以利于控制拼裝精度和質(zhì)量。

2)地面基準(zhǔn)線的劃線：胎架設(shè)置時(shí)考慮現(xiàn)場焊接收縮，上、下弦之間適當(dāng)加放收縮余量間隙，進(jìn)行拼裝劃線。

根據(jù)預(yù)拼桁架的實(shí)際水平投影尺寸，在平臺(tái)上劃出樓層頂板水平標(biāo)高線、鋼柱中心線、節(jié)點(diǎn)和桿件在平臺(tái)上投影的X,Y方向的中心線及外形線等。將巨柱或巨柱牛腿吊上胎架，進(jìn)行定位固定，定位時(shí)以胎架上的投影線為基準(zhǔn)進(jìn)行檢查，必須對準(zhǔn)樓層基準(zhǔn)線、豎向中心線。巨柱牛腿定位后，依次將桁架下弦、桁架上弦、腹桿吊上胎架，進(jìn)行定位固定，如圖4所示。

3.3 高強(qiáng)螺栓孔群制作進(jìn)度控制技術(shù)

對本桁架結(jié)構(gòu)的蝶形節(jié)點(diǎn)，采取先裝配焊接，整體矯正并預(yù)拼裝合格后，在預(yù)拼裝環(huán)節(jié)進(jìn)行定位劃線，然后構(gòu)件返回車間進(jìn)行制孔。

桁架預(yù)拼裝完成后，進(jìn)行各項(xiàng)檢測，合格后在構(gòu)件現(xiàn)場接頭位置進(jìn)行對合線標(biāo)記，以方便現(xiàn)場安裝。所有接口對合線示意如圖5所示。

使用數(shù)控鉆床加工一批12 mm～16 mm厚的工裝連接板，精度和質(zhì)量要求同節(jié)點(diǎn)連接板，工裝連接板和節(jié)點(diǎn)連接板疊合在一起采用龍門鉆進(jìn)行制孔，從而確保工裝連接板和節(jié)點(diǎn)連接板加工精度相同。工裝連接板按照圖紙尺寸在預(yù)拼裝平臺(tái)上與構(gòu)件點(diǎn)焊固定后，采用半自動(dòng)火焰切割分離各預(yù)拼裝構(gòu)件，如圖6所示，各構(gòu)件返回車間采用搖臂鉆配鉆(工裝連接板)制孔。制孔完成后，采用氣刨拆除工裝連接板，對構(gòu)件表面進(jìn)行打磨。

該技術(shù)可以有效保證構(gòu)件螺栓孔精度與產(chǎn)品連接板一致，進(jìn)而提高高強(qiáng)螺栓的穿孔率，減少返工。

3.4 厚板機(jī)器人焊接技術(shù)

采用Mini型焊接機(jī)器人對桁架節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行焊接，該機(jī)器人即可通過焊絲接觸傳感進(jìn)行自動(dòng)檢測并獲得工件的板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長度、位置偏移量等焊縫信息，并自動(dòng)演算出最適合的電流電壓、焊接速度、焊接時(shí)間、擺幅、層數(shù)等焊接參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)多層多道焊接，焊接過程如圖7，圖8所示。

4 結(jié)語

1)根據(jù)武漢綠地空間折線形栓接環(huán)帶桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了蝶形節(jié)點(diǎn)制造工藝及桁架分單元連續(xù)循環(huán)匹配的預(yù)拼裝工藝；

2)環(huán)帶桁架鋼結(jié)構(gòu)制造的重點(diǎn)部位為節(jié)點(diǎn)端頭高強(qiáng)螺栓孔群制作進(jìn)度的控制，通過采用預(yù)制工裝連接板及后孔法，確保高強(qiáng)螺栓孔群精度滿足設(shè)計(jì)要求，減少現(xiàn)場擴(kuò)孔；

3)針對本項(xiàng)目高材質(zhì)、超厚板的大量應(yīng)用給焊接作業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)，引入機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)，采用Mini型機(jī)器人進(jìn)行節(jié)點(diǎn)板焊接，焊縫成型和焊接質(zhì)量滿足規(guī)范要求。