東盟塔桁架層復(fù)雜巨柱節(jié)點(diǎn)加工制作技術(shù)

唐飛虎，鄭林偉，金 平，蔣國(guó)明

(中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司，上海 201908)

1 工程概況

南寧東盟塔位于南寧市五象新區(qū)，由75層地上地標(biāo)塔樓及3層地下室組成，塔樓冠頂高度為346 m，為一類公共建筑。建成后將成為集辦公、酒店、購(gòu)物、餐飲、金融功能于一體，進(jìn)行全方位服務(wù)的高檔CBD區(qū)域，是具有城市標(biāo)識(shí)性的超高層建筑(見圖1)[1]。

東盟塔結(jié)構(gòu)形式采用復(fù)合外圍框架(鋼管混凝土+鋼梁)+帶狀桁架+核心筒雙重結(jié)構(gòu)體系，塔樓的外框鋼結(jié)構(gòu)平面上呈三角形布置，并向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)以小角度傾斜。地上部分塔樓每個(gè)角布置2根四邊形鋼管混凝土巨柱(共計(jì)6根)[2]，三角形外框每邊設(shè)置4根圓管柱(桁架層以上每邊為5根)，核心筒剪力墻內(nèi)部設(shè)置有H型鋼骨柱，加強(qiáng)層內(nèi)部設(shè)置有鋼板墻、鋼腳筒，外框鋼結(jié)構(gòu)共設(shè)置了3道帶狀桁架加強(qiáng)層，分別位于F29層～F31層、F51層～F52M層、F73層～F75層(見圖2)。

塔樓加強(qiáng)帶狀桁架層由上弦桿、下弦桿、腹桿、桁架節(jié)點(diǎn)、桁架巨柱節(jié)點(diǎn)組成，其中桁架節(jié)點(diǎn)與桁架巨柱節(jié)點(diǎn)采用異形箱形節(jié)點(diǎn)，其他桿件為焊接H型構(gòu)件，桁架材質(zhì)等級(jí)為Q420GJC，桁架最大板厚為100 mm。由于篇幅有限，本文主要介紹F29層～F31層桁架巨柱節(jié)點(diǎn)的加工制作技術(shù)(見圖3～圖5)。

2 桁架節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

桁架節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)流程：根據(jù)結(jié)構(gòu)圖建立BIM模型→深化構(gòu)造設(shè)計(jì)→設(shè)計(jì)洽商→設(shè)計(jì)確認(rèn)。

2.1 總體優(yōu)化原則

在不改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的傳力路徑及節(jié)點(diǎn)受力的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化降低節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的加工、焊接、安裝難度。

2.2 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)是桁架與巨柱的傳力紐帶，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最核心的受力部件。桁架巨柱節(jié)點(diǎn)由2塊100 mm厚縱向折彎板將巨柱貫穿，并在巨柱內(nèi)部對(duì)應(yīng)桁架弦桿上下翼緣位置設(shè)置2塊100 mm厚的橫向隔板，桁架巨柱主材由4塊60 mm厚鋼板組成。

2.2.1 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)分段位置優(yōu)化

原設(shè)計(jì)桁架巨柱節(jié)點(diǎn)與腹桿對(duì)接位置，桁架巨柱節(jié)點(diǎn)牛腿翼緣板外伸尺寸較長(zhǎng)(如圖6所示)，不利于現(xiàn)場(chǎng)安裝，且會(huì)增加材料損耗。經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通將節(jié)點(diǎn)位置翼緣板減短，與其對(duì)接的腹桿加長(zhǎng)(如圖7所示)。此節(jié)點(diǎn)優(yōu)化遵循《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》翼緣板拼接縫和腹板拼接縫錯(cuò)開的間距不小于200 mm原則。

2.2.2 防止焊縫撕裂的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化

原設(shè)計(jì)桁架巨柱節(jié)點(diǎn)主材板與縱向折彎板齊平(如圖8所示)，為了保證節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量，降低巨柱節(jié)點(diǎn)因焊接產(chǎn)生層狀撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通，將貫穿巨柱的縱向折彎板及與其連接的橫向加勁板均加長(zhǎng)100 mm(如圖9所示)。

3 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)分析

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式如圖10所示。

根據(jù)桁架巨柱節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并細(xì)化至具體加工工藝。

3.1 焊縫填充量巨大

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)厚板用量占比較多，導(dǎo)致焊縫填充量巨大，焊縫質(zhì)量占比高達(dá)6.6%，而常規(guī)構(gòu)件焊縫質(zhì)量占比僅約為1.5%。桁架巨柱節(jié)點(diǎn)單件質(zhì)量約為35 t，經(jīng)計(jì)算焊縫質(zhì)量約為2.3 t，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)每個(gè)焊工每天可以焊接約25 kg焊絲，則單個(gè)桁架巨柱節(jié)點(diǎn)焊接工序理論需要92個(gè)人工。按照一般鋼結(jié)構(gòu)加工廠各工種人員配比根本無(wú)法滿足本項(xiàng)目的焊接需求，所以焊接量大是制約加工效率的重要因素。必須分析結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化焊接坡口形式，既有利于保證焊縫質(zhì)量，又可以減少焊縫填充量。

3.2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，施焊空間小，隱蔽焊縫多

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，很多焊縫施焊空間狹小，寬度僅有400 mm，而深度則有1 200 mm。桁架巨柱節(jié)點(diǎn)為箱形節(jié)點(diǎn)，3個(gè)方向均有牛腿，隱蔽焊縫較多。制定裝配工藝時(shí)必須考慮隱蔽焊縫施焊問(wèn)題，盡量為焊接創(chuàng)造有利條件。桁架巨柱節(jié)點(diǎn)加工時(shí)需嚴(yán)格按照加工工藝步驟實(shí)施，實(shí)行多次循環(huán)裝焊、退裝退焊等工藝保證桁架巨柱節(jié)點(diǎn)加工質(zhì)量。

3.3 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)焊縫探傷合格率的保證

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)除了牛腿加勁板外其他焊縫均為全熔透一級(jí)焊縫，焊后100%UT探傷檢測(cè)。焊縫一旦返修其用時(shí)將成倍于正常焊接時(shí)間，整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度也會(huì)因此受到較大影響。施焊前必須對(duì)焊工進(jìn)行考核，并對(duì)典型焊縫節(jié)點(diǎn)做針對(duì)性焊接工藝評(píng)定，以保證焊縫合格率。

3.4 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)外形尺寸保證

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)鋼板材質(zhì)為Q420GJC，大部分零件板為厚板，其中100 mm厚零件板占比43%，厚板焊接熱輸入較大，容易產(chǎn)生焊接收縮變形，由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)件形狀不規(guī)則，后續(xù)校正難度大，必須對(duì)裝配尺寸、裝配順序和焊接順序加以研究，從而保證桁架巨柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的整體外形尺寸[3]。

4 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)加工制作工藝

4.1 下料

原材料進(jìn)場(chǎng)后需取樣進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢合格后方可進(jìn)行排版下料。由于桁架巨柱節(jié)點(diǎn)鋼材材質(zhì)等級(jí)較高，為Q420GJC，為避免材料用錯(cuò)，必須在每塊零件板上進(jìn)行材質(zhì)等級(jí)標(biāo)識(shí)，做到全過(guò)程可追溯。

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)厚板零件較多，為保證切割質(zhì)量需選擇合適的切割工藝參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)零件板厚為100 mm時(shí)，采用5號(hào)割嘴，切割速度控制在220 mm/min～280 mm/min，切割氧氣壓力為0.7 MPa～0.8 MPa，乙炔壓力大于0.06 MPa時(shí)，零件切割面質(zhì)量較好。

4.2 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)拼裝

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制定拼裝工藝時(shí)必須保證每條焊縫的可焊性[4]。具體拼裝步驟如下：

1)第一步。

先組裝與桁架下弦桿連接的折彎牛腿(見圖11)，牛腿上下翼緣板厚度為100 mm，腹板厚度為50 mm。

2)第二步。

將兩塊縱向折彎板(100 mm)與第一步組裝完成的牛腿連接，并將位于縱向折彎板之間的內(nèi)隔板組裝完成(見圖12，圖13)。

3)第三步。

分別將縱向折彎板兩側(cè)的橫向隔板、縱向隔板與巨柱主板組焊完成，然后將兩個(gè)整體組件與貫穿巨柱的縱向折彎板連接(見圖14，圖15)。

4)第四步。

組裝巨柱主板及箱體內(nèi)部剩余零件板(見圖16，圖17)。

5)第五步。

組裝與桁架下弦連接的直牛腿，并將折彎牛腿側(cè)與腹桿連接的牛腿腹板進(jìn)行組裝(見圖18，圖19)。

6)第六步。

組裝與桁架腹桿連接的牛腿翼板，并組裝折彎牛腿側(cè)橫向、縱向兩塊隔板(見圖20，圖21)。

7)第七步。

組裝與樓面梁、水平支撐連接的牛腿，并組裝與桁架連接的直牛腿側(cè)牛腿腹板(見圖22，圖23)。

8)第八步。

組裝直牛腿側(cè)橫向、縱向兩塊隔板，并組裝兼做吊耳板的定位連接板(見圖24，圖25)。

上述組拼步驟，每個(gè)組拼步驟安裝完成后，均需對(duì)該步驟焊縫進(jìn)行焊接并進(jìn)行UT及外形尺寸檢測(cè)，檢測(cè)合格后方可進(jìn)行下一步組拼步驟。

5 桁架巨柱節(jié)點(diǎn)焊接

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)焊縫數(shù)量多，焊縫填充量大，隱蔽焊縫數(shù)量多，部分焊縫焊接空間狹小，焊縫質(zhì)量要求高，焊接難度大。桁架節(jié)點(diǎn)整體焊接順序隨組裝順序，單個(gè)組裝步驟內(nèi)焊接順序遵循先焊接收縮大的焊縫后焊接收縮小的焊縫，焊縫盡量對(duì)稱焊接，焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)需分段焊接，所有厚板焊縫均需多層多道焊接。

5.1 坡口開設(shè)

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)涉及3種接頭形式，分別為角接接頭、T形接頭和十字接頭，根據(jù)焊縫所在位置情況選取4種坡口形式，分別為K形坡口[5]、單邊V形坡口、V形坡口和防層狀撕裂坡口。

坡口總體開設(shè)原則：

1)針對(duì)十字接頭和T形接頭，當(dāng)板厚t>40 mm時(shí)采用K形坡口，板厚t≤40 mm時(shí)采用單邊V形坡口。

2)針對(duì)角接接頭，當(dāng)板厚t>40 mm采用V形坡口，板厚t≤40 mm時(shí)采用單邊V形坡口。

3)橫向隔板與貫穿巨柱的縱向折彎板位置雙側(cè)均有焊縫，極易誘發(fā)層狀撕裂，需開設(shè)防層狀撕裂坡口。

由于桁架巨柱節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜，如完全按照上述原則開設(shè)，則會(huì)導(dǎo)致部分焊縫無(wú)法焊接，節(jié)點(diǎn)實(shí)際主要焊縫所采用焊縫坡口形式如圖26所示。

5.2 焊接工藝

5.2.1 焊接方法

巨柱桁架節(jié)點(diǎn)均采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接，工廠焊縫基本以平焊及橫焊為主，50 mm以上厚板橫焊焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)表

5.2.2 焊前預(yù)熱及層間溫度控制

焊前預(yù)熱可以有效控制焊縫金屬的冷卻速度，降低脆硬組織的脆化，提高鋼材的抗撕裂能力。預(yù)熱區(qū)域?yàn)楹傅纼蓚?cè)，測(cè)溫位置為距離焊道50 mm位置，具體預(yù)熱溫度如表2所示。

表2 預(yù)熱溫度要求表 ℃

5.2.3 防止層狀撕裂措施

巨柱桁架節(jié)點(diǎn)縱向折彎板兩側(cè)均有100 mm厚的橫向隔板，兩側(cè)焊縫拉應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致中間縱向折彎板厚度方向力學(xué)性能下降出現(xiàn)層狀撕裂。為解決此問(wèn)題除了采用防層狀撕裂坡口外，還需采用有效的防層狀撕裂焊接方法。首先需采用隔離焊打底技術(shù)，在受拉板厚度方向進(jìn)行一道打底，利用打底焊縫優(yōu)越的延性，與拉板共同承受厚度方向的拉應(yīng)力，從而提高接頭位置的抗層狀撕裂性能。焊接填充層及蓋面層時(shí)采用多層多道錯(cuò)位焊接方法，此方法可以降低焊接拘束度，使內(nèi)應(yīng)力得到均勻分布。

5.2.4 焊縫檢測(cè)

桁架巨柱節(jié)點(diǎn)全熔透焊縫占比極大，受操作空間制約，每個(gè)組裝步驟焊縫焊接完成后均需經(jīng)過(guò)UT檢測(cè)合格后才能進(jìn)行下一組裝步驟。其中容易產(chǎn)生層狀撕裂位置還需增加MT檢測(cè)，為避免出現(xiàn)延遲裂紋，在節(jié)點(diǎn)打砂后涂裝前再進(jìn)行一次MT檢測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

南寧東盟塔為超高層巨柱結(jié)構(gòu)體系[6]，塔樓共設(shè)有3道環(huán)帶桁架，用于增加結(jié)構(gòu)剛度。巨柱與環(huán)帶桁架連接節(jié)點(diǎn)受力大，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，加工難度極大。通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在深化階段優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的分段位置，坡口的開設(shè)形式及坡口角度，有效保證了焊縫質(zhì)量，降低了焊材使用量，節(jié)約了加工成本。加工前通過(guò) 細(xì)化組裝工藝及焊接順序，使節(jié)點(diǎn)加工精度和節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量得到保證。本文的研究對(duì)類似復(fù)雜巨柱節(jié)點(diǎn)的加工提供借鑒。