中交匯通橫琴廣場圓管柱加工制造關(guān)鍵技術(shù)

萬瑞，楊凱凱

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

中交匯通橫琴廣場工程3號塔樓為鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒+伸臂桁架的結(jié)構(gòu)體系，塔樓結(jié)構(gòu)高度為299.4 m，建筑高度為309.4 m，標準層層高4.5 m，避難層層高7.5 m，標準層建筑面積約為1 900 m2，總建筑面積約12.5萬m2。建筑層數(shù)62層，外框為鋼框架形式。外框由12根外框柱組成，外框柱最大截面準2 800伊70 mm，伸臂桁架部分外框柱傳力板最大板厚100 mm，構(gòu)件材質(zhì)主要為Q345B、Q345GJB、Q390B，其中構(gòu)件板厚40 mm臆t約60 mm時，厚度方向應具有Z15的性能要求，板厚t逸60 mm時，厚度方向應具有Z25的性能要求。

外框柱按高度方向截面分布情況如表1所示，標準節(jié)大直徑圓管柱如圖1所示，圓管柱大拘束度厚板節(jié)點如圖2所示。

表1 各標高外框柱截面材質(zhì)表Table 1 Material tables for sections of external frame columnswith elevations

圖1 大直徑圓管柱內(nèi)部透視示意圖Fig.1 Diagram of internal perspective of large diameter cylinder

2 超厚大直徑圓管柱加工工藝

2.1 超厚大直徑厚壁鋼管柱的制作要點及流程

1）大直徑厚壁鋼管采取卷板機卷圓加工方法，卷圓前，鋼板兩端采用油壓機預彎[1]；

2）調(diào)整鋼板的加工母線與卷板機輥軸軸線平行，防止卷圓后端部產(chǎn)生錯邊；

3）鋼板多次來回卷圓成形，卷圓過程中嚴防鋼板在輥軸間出現(xiàn)打滑；

4）鋼管成形后，縱縫焊接采用CO2氣體保護和埋弧焊組合的焊接方法，內(nèi)、外縱縫交替焊接，直至內(nèi)、外縱縫焊滿[1]；

5）鋼管縱縫焊接后，打磨焊縫至與鋼管外表面基本平齊；鋼管在卷板機上進行圓度矯正。

2.2 厚板切割下料工藝及質(zhì)量保證措施

本工程鋼板厚度較大，伸臂桁架最厚達100 mm，材質(zhì)最高級別為Q420GJC，厚板切割的精度、切割后尺寸和UT檢驗是保證構(gòu)件質(zhì)量的重要措施之一。

厚板切割下料主要工藝要點：

1）保證向氣割區(qū)供給足夠的氧氣，所需切割氧流量Q可按下式估算；Q=0.09耀0.14 t（t為板厚）。

2）切割氧壓力要調(diào)節(jié)適當，保證能及時把氧化鐵吹排出去。壓力宜高不宜過低，否則后拖量較大，出現(xiàn)割不透的現(xiàn)象。

3）切割速度為在0~40 s區(qū)間內(nèi)緩慢增速至220 mm/s。

2.3 坡口加工

坡口開設按設計圖紙要求，坡口采用半自動火焰切割機切割，不可采用手工切割，焊縫坡口角度的允許偏差應控制在依5毅左右，割紋深度不應大于0.2 mm。機械加工坡口不應有臺階。

打磨周邊坡口面至光潔如圖3所示。

圖3 厚板雙V形坡口開設示意圖Fig.3 Schematic diagram of double V grooves for thick plates

2.4 預彎壓頭

采用數(shù)控卷板機壓頭。調(diào)整鋼板位置，使平行于鋼板短邊的圓管柱加工與輥軸處于平行位置后進行壓制。壓頭時用樣板進行檢測，用專用模具壓制直邊端的預彎段，其彎曲半徑要小于實際彎曲半徑，并用不小于500 mm的樣板檢查。卷管壓頭如圖4所示。

圖4 超厚大直徑圓管柱壓頭示意圖Fig.4 Schematic diagram of cylindrical indenter with super-thick and large diameter

2.5 圓管卷制加工

采用WS150伊3200三輥卷板機制作

1）清除鋼板表面的氧化皮、附著的顆粒物等雜質(zhì)。

3）鋼板在卷板機上卷制，從一端卷向另一端，然后回卷，卷制過程中應防止鋼板在輥軸之間打滑，如圖5所示。

圖5 圓管卷制加工示意圖Fig.5 Piperolling processing diagram

4）圓管卷制成型，縱縫合縫質(zhì)量檢驗合格后，采用CO2氣保焊進行定位焊接，定位焊縫長度不應小于40 mm，厚度不宜超過設計焊縫厚度的 2/3，其間距宜為 300耀600 mm[2]。

2.6 圓管縱縫焊接

1）焊前準備

鋼管柱的材質(zhì)主要為Q345B、Q345GJB，主要采用實心CO2氣保焊+埋弧自動焊組合焊接法。

2）預熱溫度

鋼管柱接頭最厚部件的板厚為70 mm，所以焊接接頭最低預熱溫度應該控制在80益以上。

軌道基礎控制網(wǎng)與線路控制網(wǎng)點和地下平面起算點聯(lián)測時，軌道基礎控制網(wǎng)平面測量每隔300 m左右聯(lián)測一個既有的高等級線路控制網(wǎng)點。外業(yè)測量網(wǎng)型和起算點聯(lián)測示意圖，如圖4。

3）焊接工藝參數(shù)

CO2氣保焊采用焊絲直徑準1.2 mm，焊接電流220耀280 A，焊接電壓28耀34 V，焊接速度為25耀40 cm/min，氣體流量控制在 15~25 L/min[2]。在圓管縱縫兩端安裝焊接所需的引弧板、引出板，氣體保護電弧焊焊縫引出長度宜大于25 mm，埋弧焊縫的引出長度宜大于80 mm[2]。

4）縱縫焊接

縱縫焊接的具體順序為：在采用CO2氣保焊進行打底和填充焊接時，先進行內(nèi)坡口側(cè)的打底、填充焊縫的焊接，打底、填充至坡口深度的1/2~2/3后，對外坡口側(cè)進行清根打磨，而后在外坡口側(cè)打底、填充至坡口深度的1/2~2/3，再交替進行內(nèi)、外坡口內(nèi)填充焊縫的焊接，焊接接近板面3~5 mm[3]。焊道布置示意如圖6所示。

圖6 圓管縱縫焊道布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of longitudinal weld bead arrangement of circular pipe

當焊后需對焊縫進行消氫處理時。消氫后熱溫度應為 250耀350 益[4]。

焊接完成并完全冷卻后，采用火焰切割方法除去引弧板和引出板，并修磨焊縫端部平整。嚴禁用錘擊落引弧板和引出板[5]。

2.7 卷管對接接長

1）每段鋼管對接前端部必須進行矯正，保證圓度符合對接要求。

2）相鄰管節(jié)拼裝組裝時，縱縫應相互錯開300 mm以上。

3）拼接后在所有卷管上彈出0毅、90毅、180毅、270毅母線，以及與上節(jié)鋼柱的對合標記線，并用洋沖標記。

4）鋼管對接時單節(jié)鋼管間的直縫錯位應大于板厚的5倍，且不小于300 mm[6]。卷管對接接長如圖7所示。

圖7 卷管對接接長示意圖Fig.7 Pipe butt length diagram

2.8 環(huán)焊縫焊接

采取懸臂埋弧自動焊，環(huán)縫焊接順序：先焊筒體內(nèi)側(cè)焊縫，外側(cè)清根后再焊筒體外側(cè)焊縫。先用CO2氣保焊內(nèi)側(cè)打底，接著埋弧自動填充至焊縫的2/3。后外側(cè)清根；并打底焊后換埋弧自動焊填充至焊縫的2/3后。再反至內(nèi)側(cè)蓋面；最后是外側(cè)蓋面焊。

2.9 鋼管端面銑削

端面機加工的目的為控制節(jié)點的組裝精度以及保證節(jié)點現(xiàn)場安裝的精度，如圖8所示，將構(gòu)件的制作誤差控制在最小范圍內(nèi)。

對圓管端面銑削加工，平面度要求：0.3 mm，垂直度要求：d/500 mm，且不大于3.0 mm。

圖8 鋼管端面銑削示意圖Fig.8 Schematic diagram of end face milling of steel pipe

2.1 0 鋼管檢測

1）直管圓度檢查用外卡尺分段檢查，每隔1 m段測量4個方向直徑值。記錄1-1憶、2-2憶、3-3憶、4-4憶的測量值，并測算平均值，橢圓度偏差值，如圖9示意。

2）管端面的平面度和垂直度檢測：將鋼管中心線水平置放，在兩端面以鉛錘吊線檢查平面度，將鉛錘線與端面一點重合，旋轉(zhuǎn)鋼管檢查測量每次錘線與另一點的距離，測的最大值即為管端面不平度，如圖10示意。

圖9 圓管柱橢圓度偏差檢測示意圖Fig.9 Detection of ellipticity deviation of cylinder

圖10 圓管柱端面平整度檢測示意圖Fig.10 Flatness testing of cylindrical end surface

3）鋼管直線度測量：在鋼管表面拉4條鋼絲線，在管端兩頭各用等高墊鐵墊起，方向取0毅、90毅、135毅、225毅，以鋼板尺沿鋼絲線測量高度的變化值確認直線度。

2.1 1 隔板和T形加勁肋組裝

先復核鋼管的編號、尺寸偏差相關(guān)信息，再根據(jù)設計圖紙尺寸，在鋼管內(nèi)、外表面畫出銑削線，預留鋼管柱下端坡口加工余量和零部件組裝焊接收縮余量，然后以銑削線為基準畫出隔板和T形加勁肋的定位線；從鋼管的一端向另一端（或從中間向兩端）對齊定位線，依次組裝T形加勁肋和隔板，控制隔板與鋼管軸線的垂直度[4]，如圖11所示。

圖11 隔板和T形加勁肋組裝示意圖Fig.11 Assembliesof partitions and T-shaped stiffeners

2.12 圓管柱二次組裝

組裝前質(zhì)量檢查：復核鋼管柱和待組裝零部件的編號，確認局部修補和變形均已修正完畢；零部件坡口尺寸符合設計圖紙要求，橢圓度符合要求；坡口面及鋼管柱待焊接區(qū)的外表面呈現(xiàn)金屬光澤，外框柱表面無水分、油污相關(guān)影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。

復測鋼管柱長度，按照設計圖紙柱底坡口形式，在滾輪胎架上采取氣割切割加工柱底坡口；對齊組裝定位線，依次組裝連接牛腿和連接板，如圖12所示。

圖12 圓管柱二次組裝示意圖Fig.12 Secondary assembly of cylinders

2.13 栓釘、吊耳板組裝及外形尺寸驗收

復核鋼管柱尺寸偏差，對于局部超差部位應先矯正合格。

根據(jù)設計圖紙位置尺寸，在鋼管柱外表面畫出栓釘和耳板的組裝定位線，然后對齊定位線組裝，并按圖13所示進行外形尺寸驗收。

圖13 圓管柱涂裝前外形尺寸驗收Fig.13 Inspection and acceptance of shape and dimension of cylinder before painting

2.14 圓管柱除銹防腐施工

工廠除銹需要條件：

1）噴砂除銹Sa2.5級，手工打磨ST3級；

2）表面粗糙度Rz40耀70滋m；

3）施工的環(huán)境：溫度10~30益，相對濕度30%~80%；

工廠防腐涂裝要求如表2所示。

表2 外框柱防腐涂裝要求Table2 Requirementsfor anti-corrosion coating of outer frame columns

3 圓管柱大拘束度厚板節(jié)點加工工藝

圓管柱大拘束度厚板節(jié)點示意圖見圖14。從圖14可以看出，拘束度最大的部位是2塊對接伸臂桁架斜腹桿與下弦桿的內(nèi)環(huán)加強板，及圓管柱筒壁交接位置，均為100 mm厚板連接。此部位殘余應力最大，翼板層狀撕裂傾向嚴重，對節(jié)點的剛度、穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)疲勞強度影響極大。所以防止厚板的層狀撕裂，消減焊接殘余應力，是大拘束度厚鋼板節(jié)點制作的重要控制項目[6]。尤其是在伸臂桁架下弦的工字形受拉節(jié)點，更是重中之重。制作時在原材料質(zhì)量、裝配工藝、焊接工藝及虛擬逆向成模等技術(shù)上進行了嚴格的控制，確保了大拘束度厚鋼板節(jié)點的質(zhì)量。

圖14 圓管柱大拘束度厚板節(jié)點透視示意圖

Fig.14 Perspective view of thick plate jointswith large

restraint of cylinder

3.1 裝配工藝控制

鋼結(jié)構(gòu)焊接特別要注意厚板焊接產(chǎn)生的約束應力。采用合理的裝配順序、減少拘束度、降低構(gòu)件殘余應力、防止厚板層狀撕裂；同時做到減少焊接變形，確保外框柱的橢圓度[4]。

據(jù)此，節(jié)點制作裝配順序以分部拼焊，先主后次的原則進行裝配；與焊接順序結(jié)合，在確保節(jié)點焊接可達性和尺寸精度的同時，減少厚板焊接時的拘束度，釋放焊接殘余應力。以伸臂桁架下弦外框柱節(jié)點為例，圓管柱壁厚70 mm，橫向加強內(nèi)隔板最厚100 mm；外伸牛腿連接伸臂桁架斜腹桿2塊插板為100 mm厚板；裝配順序如圖15所示。

通過先外插工字鋼牛腿后內(nèi)插圓筒，圓管柱內(nèi)橫向環(huán)板從里往外對稱退焊進行組件。一來控制圓管柱的橢圓度，二來減少工字鋼環(huán)板對100 mm伸臂桁架內(nèi)插板與柱筒體處焊縫的拘束，達到減少殘余應力，防止層狀撕裂的目的。

3.2 焊接工藝

在遠紅外電加熱技術(shù)預熱、后熱及層間溫度控制等方面做了技術(shù)攻關(guān)，并進行了相關(guān)的焊接工藝評定，降低了焊接殘余應力峰值，防止厚板層狀撕裂的產(chǎn)生[6]。

1）坡口形式

圖15 圓管柱大拘束度厚板節(jié)點裝配順序Fig.15 Assembly sequence of thick plate joints with large restraint of cylinder

根據(jù)本工程伸臂桁架外框柱節(jié)點焊接接頭形式、拘束度情況及節(jié)點受力特點，制定適用于本工程厚板節(jié)點焊接接頭的坡口形式如圖16所示。

圖16 焊接接頭的坡口形式Fig.16 Grooveform of welded joints

2）焊接方法的選用

節(jié)點焊接時采用多層、多道的焊接方法，如圖17所示。多層焊時，后層對前層有消氫和改善熱影響區(qū)組織的作用；前層焊道的余熱又相當于對后層焊道進行了預熱，可防止冷裂紋的產(chǎn)生，防止冷裂紋誘發(fā)的層狀撕裂[7]。

3）焊接順序

圖17 多層多道焊Fig.17 Multilayer multi-pass welding

遵循從中間向兩邊、由內(nèi)部向外部，先施焊受拉部位，再施焊受壓部位，先施焊拘束度大的焊縫，再施焊拘束度小的焊縫的順序進行施焊，多人對稱焊接。

4)預熱、層間溫度的控制

預熱、后熱及層間溫度的控制（見表3）能防止由冷裂紋誘發(fā)的層狀撕裂，鋼厚板焊接的關(guān)鍵是防止焊接裂紋的產(chǎn)生，準確的預熱、層間溫度、后熱溫度是防止裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵。

表3 預熱、層間溫度的控制及焊后保溫控制要求Table 3 Preheating,interlayer temperature control and post-weld insulation control requirements

3.3 虛擬逆向成模技術(shù)

利用激光掃描逆向成模技術(shù)，當多束激光照射到物體表面時，所反射的激光會攜帶方位、距離等信息。將激光束按照某種軌跡進行掃描，邊掃描邊成模，由于掃描極為精細，從而獲取目標線、面、體、空間等三維數(shù)據(jù)，建立高精度的三維網(wǎng)格數(shù)字模型。

其核心理念是對單個構(gòu)件的高精度的三維網(wǎng)格數(shù)字模型進行空間測試后與原計算機模型進行對比，通過后續(xù)的配套軟件的開發(fā)與研究，將三維網(wǎng)格數(shù)字模型與建筑信息化模型相結(jié)合[8]。給出單個構(gòu)件的各個點位的加工偏差報告，指導構(gòu)件的矯正和返修。

4 結(jié)語

通過對中交匯通橫琴廣場超厚大直徑圓管柱加工工藝及圓管柱大拘束度厚板節(jié)點加工工藝的分析研究，對圓管柱的整個工藝流程進行深度剖析，對于大直徑圓管柱以及厚板復雜節(jié)點的加工重難點有了深刻的體會和技術(shù)總結(jié)，著重分析了層狀撕裂產(chǎn)生的主要因素，為避免層狀撕裂，通過不斷的探索和摸索，以及對于類似工程的借鑒學習，制定了一整套預防層狀撕裂的措施，積累了厚板焊接技術(shù)，虛擬逆向成模技術(shù)，以及為防止氫裂焊前預熱、全程溫控、焊后保溫緩冷技術(shù)等一系列鋼結(jié)構(gòu)加工制作經(jīng)驗。在不斷的摸索和改進中保質(zhì)保量完成塔樓鋼結(jié)構(gòu)所有生產(chǎn)任務，并總結(jié)出一整套鋼結(jié)構(gòu)的加工關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)超厚板復雜節(jié)點的加工制作提供技術(shù)參數(shù)及加工經(jīng)驗。