李 晨 杜小康 王津晶 鄭康洋

中國(guó)建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大量的高層建筑拔地而起，其中鋼結(jié)構(gòu)建筑所占的比例越來(lái)越大[1]。大型場(chǎng)館類建筑主體鋼結(jié)構(gòu)中常采用箱形柱，為了優(yōu)化柱的受力情況，也采用十字柱的形式。

但十字箱形柱在制作過(guò)程中出現(xiàn)的易變形、難度大等特點(diǎn)[2]，是成品質(zhì)量控制的重難點(diǎn)。只要能有效地控制十字柱和箱形柱的拼裝焊接質(zhì)量，即可在施工過(guò)程中極大地加快進(jìn)度[3]。

針對(duì)實(shí)際工程中遇到的十字箱形柱體量大、中間隔板多、施焊空間狹小、易漏焊、焊縫等級(jí)要求高等特點(diǎn)，從該類型構(gòu)件的總體工藝入手，通過(guò)三維工藝模擬及焊接有效空間分析，總結(jié)出制作過(guò)程中的裝配控制要點(diǎn)、全熔透焊接特點(diǎn)，并對(duì)整個(gè)制作的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝控制，制定工藝質(zhì)量控制文件指導(dǎo)工人操作，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的構(gòu)件制作。

1 工程概況

國(guó)家會(huì)展中心（天津）項(xiàng)目位于天津市津南區(qū)，分為16個(gè)展廳、中央大廳以及交通連廊3個(gè)主體部分，均采用鋼結(jié)構(gòu)為主體框架，總用鋼量約110 000 t[4]。其中，中央大廳屋蓋由32個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)組成，頂部截面為30 m×30 m，標(biāo)高32.80 m，用鋼量18 000 t。該工程造型獨(dú)特，施工工藝復(fù)雜。鋼結(jié)構(gòu)安裝完成的結(jié)構(gòu)形式及屋蓋結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 中央大廳鋼結(jié)構(gòu)模型

樹(shù)形結(jié)構(gòu)的底部為十字箱形柱構(gòu)件，由于箱體壁板組成的空間太窄、太深，造成施焊空間狹小，全熔透焊縫的焊接質(zhì)量難以保證（圖2），為保證箱體壁板之間的焊縫質(zhì)量，本文對(duì)十字箱形柱的制作及裝配順序進(jìn)行說(shuō)明。

2 重難點(diǎn)分析

變截面十字箱形柱的制作裝配工藝十分復(fù)雜，主要難點(diǎn)在于需要將十字柱斷開(kāi)，分別對(duì)各部分進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行整體裝配。在斷開(kāi)后對(duì)各部分進(jìn)行處理時(shí)，要根據(jù)不同部位的不同要求進(jìn)行全熔透、部分熔透或者不熔透等；整體裝配時(shí)，也要對(duì)不同位置的裝配進(jìn)行分別處理，整個(gè)過(guò)程需要對(duì)工序進(jìn)行科學(xué)組織，對(duì)施工提出了較高的要求[5-8]。

圖2 十字箱形柱模型三維

3 十字箱形柱各部分裝配

3.1 十字箱形柱斷開(kāi)

首先十字柱需要從中間斷開(kāi)，分成4個(gè)部分分別單獨(dú)進(jìn)行制作（圖3）。斷開(kāi)后，傘柱分成了2個(gè)寬1.2 m和2個(gè)寬1.4 m的箱體部件：2個(gè)寬1.2 m的箱體在隔板接口處斷開(kāi)，2個(gè)寬1.4 m的箱體在最中心的隔板中間一分為二，斷口處開(kāi)R＝35 mm過(guò)焊孔；柱底板和頂部中心處隔板不斷開(kāi)，傘柱整體組焊時(shí)，再進(jìn)行裝配焊接。

圖3 十字柱斷開(kāi)示意

3.2 十字箱形柱箱體部件的裝配、制作

傘柱制作時(shí)，箱體壁板下料時(shí)柱頂加了30 mm的余量，每個(gè)單元件制作完成后，復(fù)核整體尺寸，先去掉柱頂20 mm的加工余量，留出10 mm的端銑余量，在箱體組成十字形之后，進(jìn)行端銑。傘柱的水平隔板要全部增開(kāi)透氣孔。箱體內(nèi)增設(shè)的工藝隔板，可用厚14 mm或14 mm以上、寬50～60 mm的板條拼接制作，一定要嚴(yán)格控制工藝隔板的外形尺寸。

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3.2.1 寬1.4 m箱體部件分步裝配順序

1）全熔透隔板位置的裝配（圖4）。首先將壁板與通長(zhǎng)加勁板進(jìn)行組對(duì)、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時(shí)工藝隔板間隔2 m放置在2個(gè)隔板位置中間，并且要與端頭壁板之間留出間隙，避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內(nèi)部隔板后采用電渣焊雙夾板，使此處的隔板長(zhǎng)度減短25 mm；內(nèi)隔板進(jìn)行全熔透、不探傷，開(kāi)R=35 mm過(guò)焊孔，并且此處的隔板與內(nèi)部通長(zhǎng)加勁板不再焊接；裝另一側(cè)壁板，同樣開(kāi)R=35 mm過(guò)焊孔。

圖4 全熔透隔板裝配示意

2）部分熔透隔板位置裝配（圖5）。首先將壁板與通長(zhǎng)加勁板進(jìn)行組對(duì)、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時(shí)工藝隔板間隔2 m放置在2個(gè)隔板位置中間，并且要與端頭壁板之間留出間隙，避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內(nèi)部隔板后采用電渣焊雙夾板，使此處的隔板長(zhǎng)度減短25 mm；內(nèi)隔板進(jìn)行部分熔透，開(kāi)R=35 mm過(guò)焊孔，并且此處的隔板與內(nèi)部通長(zhǎng)加勁板不再焊接；斷開(kāi)處的壁板同樣開(kāi)R=35 mm過(guò)焊孔。

圖5 部分熔透隔板裝配示意

3）無(wú)隔板位置裝配（圖6）。首先將壁板與通長(zhǎng)加勁板進(jìn)行組對(duì)、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時(shí)工藝隔板間隔2 m放置在2個(gè)隔板位置的中間，并且要與端頭壁板之間留出一定的間隙，避免妨礙最后放置蓋板。

圖6 無(wú)隔板裝配示意

3.2.2 寬1.2 m箱體部件分步裝配順序

1）全熔透隔板位置的裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

2）部分熔透隔板位置裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

3）無(wú)隔板位置裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

按上述要求進(jìn)行裝配時(shí)，每一步的操作都要控制板的變形，及時(shí)進(jìn)行校正，焊接時(shí)要邊預(yù)熱邊進(jìn)行焊接，減小板的變形。

增設(shè)的輔助吊耳以及傘柱自帶的連接耳板和傘柱之間全熔透焊接，并且要進(jìn)行探傷；傘柱的吊耳板厚全部改為厚30 mm。

箱體部件組焊過(guò)程中每一步都要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)要求，并檢驗(yàn)箱體壁板的平整度，偏差大的要及時(shí)進(jìn)行返修，避免組焊完成后，箱體壁板平面度超差，從而造成不可返修的后果。

清理、矯正，并對(duì)組裝后的箱體尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，確保滿足規(guī)范要求。水平隔板電渣焊孔允許偏差±2.0 mm；內(nèi)隔板拼裝間隙允許偏差1.0 mm；內(nèi)部隔板傾斜允許偏差2.0 mm；內(nèi)部隔板位置允許偏差2.0 mm；柱截面高度偏差應(yīng)≤400 mm。

3.3 十字箱形柱的整體裝配

傘柱的箱體部件在組立前，傘柱的通長(zhǎng)加勁與柱底焊接的位置，需要提前開(kāi)好坡口和過(guò)焊孔（R=35 mm），鉚對(duì)時(shí)要仔細(xì)辨別坡口的方向，兩側(cè)雙面開(kāi)坡口，中間單開(kāi)坡口。

傘柱的箱體部件完成并檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行傘柱的整體裝配。組裝時(shí)，因柱頂留有端銑余量，所以要以柱底為基準(zhǔn)面進(jìn)行傘柱整體組對(duì)焊接。

3.3.1 箱體拼接

1）將2件寬1.4 m的箱體部件拼接到一起（圖7、圖8）。焊接時(shí)將對(duì)接的間隙由8 mm調(diào)到11 mm，增加3 mm焊接收縮量。焊接時(shí)先用氣保焊進(jìn)行打底。柱頂中心處隔板要最后放置。為減小焊接變形，主拼接縫焊接時(shí)，要從接縫中部向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行焊接，一側(cè)的主縫焊接2道后，進(jìn)行另一側(cè)的主縫焊接，以此類推直至焊接完成。拼接完成后，柱底部位的通長(zhǎng)加勁板需要開(kāi)過(guò)焊孔以及坡口。焊接過(guò)程中要時(shí)刻校正箱體壁板的平面度。拼接完成后，應(yīng)檢查拼接是否有缺陷，檢驗(yàn)壁板整體的平面度和箱體的直線度。

圖7 中部隔板位置示意

圖8 接縫坡口示意

2）2個(gè)寬1.4 m的部件組焊到一起后，將2個(gè)寬1.2 m的部件焊接上去（圖9）。焊接主縫時(shí)，避免出現(xiàn)較大的焊接變形，主縫1和主縫2用半自動(dòng)小車打完底，焊接2～3道后，將整個(gè)箱體翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行主縫3和主縫4的打底，主縫3和主縫4焊接2～3道后，再將整個(gè)箱體翻轉(zhuǎn)180°，去焊接主縫1和主縫2，以此類推，保證焊接均勻。焊接過(guò)程中要時(shí)刻校正箱體的垂直度，直至焊接完成?？蓪⒉垆撁扛? m進(jìn)行布置，起到臨時(shí)支撐作用，并在底端增設(shè)限位擋板，以保證其穩(wěn)定性。

圖9 焊接平面示意

組成十字箱體后，需進(jìn)行檢驗(yàn)：畫(huà)出箱形本體中心線，標(biāo)記出柱頂處中心點(diǎn)的位置，用水準(zhǔn)儀測(cè)量水平方向箱體中心的偏差；用吊線墜的方法測(cè)量豎直方向箱體中心線的偏差，箱體中心線允許偏差為1 mm。

3.3.2 鋼柱頂面的端銑及柱底板的裝配

1）裝配柱底板時(shí)，組好的十字形箱體根部要提前開(kāi)好過(guò)焊孔，保證根部焊縫的貫通焊接（圖10）。

圖10 柱底板焊接示意

2）為保證柱頂面的整體平面度，要對(duì)十字形的箱體頂面進(jìn)行端銑，由于構(gòu)件外形尺寸較大，且質(zhì)量較大，故端銑時(shí)固定箱體的胎架一定要牢固，做好限位措施，避免出現(xiàn)較大的晃動(dòng)，更不能出現(xiàn)移位的情況。

4 零部件裝配及檢驗(yàn)

1）畫(huà)出箱形本體中心線，再以箱形柱頂端銑面為基準(zhǔn)，根據(jù)圖紙尺寸，點(diǎn)裝端板和牛腿，定位焊牢固，并報(bào)專檢人員檢查，合格后才允許焊接施工。

2）安裝牛腿時(shí)，需要注意孔位間距的誤差及牛腿與鋼柱間的垂直度。

3）按照?qǐng)D紙和工藝要求完成焊接。焊接完成后將飛濺、焊瘤等缺陷去除。

4）按圖紙和工藝要求進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后方可轉(zhuǎn)入下道工序。

5 焊接十字柱成品尺寸要求

柱的高度允許偏差為±3.0 mm；連接處截面高度允許偏差為±2.0 mm，非連接處截面高度允許偏差為±3.0 mm；牛腿上表面到柱底距離以及兩牛腿上表面之間的距離允許偏差為±2.0 mm；牛腿的長(zhǎng)度允許偏差為±3.0 mm；對(duì)角線允許偏差為3.0 mm；接合部位中心偏移允許偏差為1.5 mm，非接合部位中心偏移允許偏差為2 mm；柱腳螺栓孔對(duì)柱軸線的距離允許偏差為1.5 mm。

6 十字柱制作完成后的裝卸發(fā)運(yùn)

用于國(guó)家會(huì)展中心（天津）的十字柱制作完成后，發(fā)運(yùn)時(shí)按照?qǐng)D11進(jìn)行放置固定。上部的輔助吊耳不用切除，留作現(xiàn)場(chǎng)裝卸用；下部吊耳在發(fā)貨裝車時(shí)要切除掉，切除時(shí)要留出5 mm的余料，防止傷到母材。

圖11 吊耳安裝示意

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)巨型鋼結(jié)構(gòu)變截面十字箱形柱制作過(guò)程中遇到的裝配順序、焊接要求及運(yùn)輸問(wèn)題等進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)裝配工藝的研究，確立了該類型十字箱形柱的各部分?jǐn)嚅_(kāi)位置及各類板的裝配順序，實(shí)現(xiàn)板材的有效裝配。

2）通過(guò)確立十字柱的焊接順序以及各類焊縫的焊接方式，有效地控制焊接變形及焊縫缺陷，保證了構(gòu)件制作的質(zhì)量。

國(guó)家會(huì)展中心（天津）項(xiàng)目中央大廳屋蓋采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，施工非常具有挑戰(zhàn)性。經(jīng)過(guò)科學(xué)組織、精心施工，十字箱形柱的安裝按期完成，安裝質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為同類項(xiàng)目的施工提供參考。