超厚板核心筒復(fù)雜田字柱的加工

趙曉宏

中冶（上海）鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司 上海 201908

隨著高層鋼結(jié)構(gòu)建筑日益發(fā)展，國內(nèi)建筑的高度不斷被刷新。設(shè)計師經(jīng)常選擇復(fù)雜異形截面的構(gòu)件作為承重結(jié)構(gòu)，這樣既增大了結(jié)構(gòu)的使用功能，又實現(xiàn)了外觀造型的新穎別致。此類復(fù)雜構(gòu)件截面相對較大，所用鋼板厚度較厚，材質(zhì)等級較高，構(gòu)件質(zhì)量相對較大。

在制作過程中，因起重翻身、焊接等影響，加工精度控制難度大。研究其裝配工藝、焊接變形控制工藝，對復(fù)雜鋼柱的整體精度控制有著重要意義[1-3]。

1 工程概述

某項目主要由A、B塔樓及裙房組成，辦公塔樓為高層建筑，A塔樓地下3層、地上13層，主要屋面高度58.65 m；B塔樓地下3層、地上12層，主要屋面高度54.35 m；地下室大底板標(biāo)高－14.90 m，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量約12 000 t。2棟高層7層以上框架的外框柱設(shè)置在4～6層的大懸挑環(huán)帶桁架上，故F4、F6層為核心筒加強(qiáng)層，加強(qiáng)區(qū)節(jié)點復(fù)雜，采用田字形結(jié)構(gòu)。田字形角柱箱體采用Q420GJC鋼，單節(jié)外觀尺寸長×寬×高＝5 368 mm×4 850 mm×3 200 mm，最大板厚80 mm，構(gòu)件質(zhì)量達(dá)55 t（圖1～圖3）。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)整體三維模型

圖2 田字形角柱三維效果圖

圖3 田字形角柱實物

2 裝焊整體流程

該復(fù)雜田字形角柱由田字柱、十字柱、三角加腋、箱形牛腿、鋼板剪力墻等組成，內(nèi)部十字柱不僅存在從80 mm到36 mm的板厚過渡，且有角度偏移（圖4）。

圖4 角柱變截面節(jié)點

另外，箱形牛腿與田字柱本體主焊縫存在交匯于一線的情況，采用超厚板折彎工藝技術(shù)，避免了焊縫重疊，保證了焊接質(zhì)量。

復(fù)雜的角柱可拆解為田字柱、箱形牛腿及側(cè)板、三角加腋、鋼板剪力墻4個部分，采用分步組裝、焊接的方式（圖5）。

圖5 田字形角柱分解示意

1）在臨時胎架上加工好第1部分田字柱。

2）根據(jù)加工圖，在臨時胎架上將第2～4部分獨立單體組裝、焊接完成。

3）第1部分田字柱焊接探傷合格后，將箱形牛腿及鋼板剪力墻裝配焊接在田字柱的四周，十字柱裝配在田字柱的上下端。箱形牛腿及鋼板剪力墻裝配探傷合格后，裝配焊接鋼板剪力墻兩邊的側(cè)板。

4）裝配焊接三角加腋。

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3 裝配質(zhì)量控制

3.1 超厚板折彎工藝

試驗證明，80 mm厚鋼板冷彎后（圖6），屈強(qiáng)比、斷后伸縮率、斷面收縮率等性能滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

圖6 冷彎試驗

80 mm厚鋼板折彎工藝：冷彎＋消應(yīng)力退火工藝。將鋼板冷彎后，采用消應(yīng)力退火，鋼板溫度加熱到稍高于Ac1的溫度，控制在620 ℃±20 ℃，保溫120 min。400 ℃到620 ℃的升溫時間為65 min，620 ℃降溫到400 ℃的時間為80 min（圖7）。

圖7 溫度曲線

退火采用電加熱的方法，用4塊電加熱板和石棉毯包裹彎弧及兩側(cè)約200 mm范圍。

3.2 田字柱裝配工藝

田字柱一般由2塊折彎異形板、5塊異形板及方板組成。為增加結(jié)構(gòu)剛度，田字柱腹板一般會貫穿翼緣板，如圖8所示。

圖8 田字柱分解

田字柱的腹板將翼緣板分割成4塊，為控制焊接變形，田字柱的7塊零件板采取整體裝配的方式，提前將腹板及翼緣板開好坡口及槽口，按照圖9加設(shè)焊接墊板，坡口角度為30°，焊接間隙10 mm。

圖9 田字柱裝配示意

3.3 田字柱異形精度控制措施

田字柱內(nèi)部十字板不是垂直的90°，存在偏移角度，在十字板的組立、焊接過程中，需特別注意與翼緣板、腹板的角度控制。焊接過程需用硬性支撐加固，有效防止焊接變形和彎曲。

同時，由加工廠制作1塊與田字柱截面外形尺寸相同的膠木板作為樣板，在4個端點和十字交點處設(shè)置控制坐標(biāo)點。測量時，將樣板貼于鋼柱端部，定位后用夾具夾緊，再用鋼卷尺實測長度、寬度、對角線等關(guān)鍵尺寸（圖10）。

圖10 安裝前后對比誤差

4 焊接質(zhì)量控制

田字柱鋼板厚80 mm，材質(zhì)為Q420GJC，等級高，裂紋敏感度高，節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生焊接變形及應(yīng)力集中。厚板焊接的質(zhì)量控制是重、難點，需做到以下幾點：

1）厚板焊接必須按照WPS（焊接工藝規(guī)程）要求設(shè)置參數(shù)，嚴(yán)禁為了提高焊接速度將電流、電壓調(diào)大，使熱輸入量過大，導(dǎo)致焊接變形。

2）焊前預(yù)熱，80 mm厚鋼板預(yù)熱溫度不低于120 ℃；焊中嚴(yán)控層間溫度，焊后進(jìn)行保溫處理，用石棉覆蓋焊接區(qū)域200 mm范圍內(nèi)保溫緩冷；多層多道焊接過程中需用小錘均勻敲打焊道表面，既能清除焊渣，又能消除焊接應(yīng)力。

3）焊前優(yōu)化坡口形式，田字柱焊縫均為全熔透一級焊縫，焊接位置需加墊板。焊接坡口角度為30°，坡口角度偏差＜5°，焊接間隙為10 mm，坡口如圖11所示。組裝前將坡口開到底，坡口及其邊緣的表面應(yīng)勻整、光潔，且無毛刺、分層、裂紋和其他對焊接質(zhì)量與強(qiáng)度有不利影響的缺陷。為防止層狀撕裂，田字柱4個角接頭處也需在翼緣板上開坡口，如圖12所示，總坡口角度30°，焊接間隙10 mm。

圖11 焊縫坡口示意

圖12 特殊位置坡口示意

4）合理的施焊順序有助于減少焊接變形及應(yīng)力集中。焊接總體順序為：田字柱組裝好后先打底，然后先焊外框焊縫，再焊內(nèi)部腹板焊縫，最后焊接貫穿的腹板焊縫（圖13）。

圖13 焊接順序示意

① 將所有焊縫都打底一道，打底順序按照編號1—7。

② 編號1的4條外框焊縫同時焊接，填充到焊縫的1/3為止；同一編號的焊縫原則上應(yīng)多人同時對稱施焊。

③ 按照編號2—7的順序填充到焊縫的1/3為止。

④ 重復(fù)按照編號1—7的順序，依次將焊縫填充到2/3后，再循環(huán)進(jìn)行一次翻身、對稱焊接，將所有焊縫填充飽滿。

⑤ 編號1的主焊縫最后蓋面宜選用埋弧焊焊接，可更好地保證焊縫外觀成形質(zhì)量。

⑥ 多層多道焊接過程中，需逐層錘擊消除應(yīng)力，嚴(yán)禁一次將焊縫填充太多。

⑦ 焊接過程中，多次測量外形尺寸，可及時糾偏校正出現(xiàn)的焊接變形。

5 結(jié)語

本工程實例通過工藝研究，圓滿解決了超厚板復(fù)雜田字柱的焊接技術(shù)難題，驗證了復(fù)雜構(gòu)件裝配焊接順序的重要性。

通過分解單體部件組裝、焊接，確定焊前坡口形式，采用合理的焊接工藝順序、防變形過程控制，有效地減少了構(gòu)件整體變形，提高了構(gòu)件質(zhì)量和制作效率。該施工方法對類似構(gòu)件制作可起到指導(dǎo)、借鑒的作用，值得推廣。