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中央電視臺新臺址鋼結構工程外框柱的制作

作者:建筑鋼結構網    
時間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    宗友發 顧林華 顧思民
    上海中遠川崎重工鋼結構有限公司
    [摘 要] 通過將空間尺寸轉換為平面尺寸簡化制作難度,進行外框柱的組裝和檢驗;采用大型平臺制作,以中心點(WP點)和中心線為定位、制作、檢驗的基準,達到控制尺寸的目的;同時控制焊接變形、銑削柱和碟形牛腿端面,保證了外框柱的最終制作精度。
    [關鍵詞] 雙向傾斜 箱形構件 碟形牛腿 WP點 焊接變形控制

    1. 概述
    中央電視臺新臺址鋼結構工程中,主樓的兩座塔樓雙向傾斜60,為滿足整體結構漂亮的傾斜造型,其外框柱亦需要在兩個方向各傾斜60,同時由于水平梁和斜撐的不同布置,使得外框柱呈現空間雙向傾斜的外形結構,典型外框柱節點見附圖1。圖中柱身和碟形節點斷面均為箱形構造,柱身在現場進行上下柱的焊接連接,碟形牛腿上下到現場分別與箱形斜撐焊接連接;梁牛腿為H形或箱形,分別與水平各方向的梁連接。由于在柱身兩個方向出現傾斜,水平設置的梁還需要旋轉不同的角度,才能滿足整體設計要求。

    2. 定位基準的確定
    從電子模型轉換過來的設計圖,保證了空間尺寸的準確。但由于柱身雙向傾斜的特點,設計圖給定的尺寸大多為空間尺寸,很難準確描述構件定位的實際尺寸,同時在平面圖上很難表達空間點的具體位置,這給制作帶來了很大的難度。而鋼結構制作中的定位、組裝、檢驗,需要平面尺寸,需要確定基準定位點。這就需要進行設計圖的二次尺寸轉換,把空間的尺寸轉換為可以制作的平面尺寸。我們在前期的技術準備中,主要做了兩個方面的工作:
    a) 確定基準點
    基準點的確定涉及制作、檢驗和現場吊裝。在原設計圖尺寸的基礎上,首先確定將原圖中的蝶形牛腿中心與梁牛腿中心的交會中心(WP)點作為尺寸的基準點(該點通過構件橫截面的中心),構件所有重要部位的尺寸均以WP點為基準。這樣做,一方面可以保證蝶形牛腿方向和梁牛腿方向定位準確,從而降低現場吊裝難度;另一方面借助WP點確定柱身兩端尺寸,可以保證構件長度準確,保證現場安裝定位準確。WP點的位置示意圖見附圖2。

    b) 確定平面尺寸
    確定了WP點作為基準點后,針對空間尺寸難以進行構件定位、組裝和檢驗的難題,進行二次詳圖轉換。
    先把雙向傾斜60的柱身旋轉至水平和垂直位置,將牛腿轉換為雙向傾斜60位置,把柱身空間尺寸轉換為平面尺寸。此外,因為WP點是通過構件橫截面形心的點,在進行平面組裝時,必須先把WP點投影到構件的上平面,并依據上平面的WP點把相關空間尺寸通過計算機放樣轉換成構件平面的實長,重新繪制制作用圖,作為構件制作、定位、檢驗的依據。在實際的制作中,二次轉換后的詳圖發揮了重要的作用,尤其在制作柱身和牛腿有彎曲的外框柱時,平面上WP點的確定和確定平面尺寸就成了構件制作和檢驗的關鍵。
    3. 外框柱的制作
    3.1 柱身的制作
    柱身為箱形截面,利用本公司成熟的BOX生產線進行制作。由于構件所用鋼板較厚,多為50mm~90mm的厚板,且全熔透焊縫占的比例很大,焊接線能量較大。我們適當加放了焊接收縮余量,制定了詳細的焊接順序,依據焊接工藝評定嚴格制定了焊接規范,同時增加了保持板的數量。跟蹤組裝、焊接、校正等每一道工序,觀察構件的變形和收縮量,通過計算驗證余量的加放,控制焊接變形。最后通過端銑將柱身總長控制在設計規定的范圍內。
    3.2蝶形牛腿制作
    3.2.1 制作平臺的設置
    蝶形牛腿的制作尺寸和位置是否準確,關系到構件的總體質量。為此必須在平臺上進行制作。我們首先設置了專用的組裝平臺,該平臺上平面經過機械加工

    并調整水平。組裝平臺的長度和寬度必須滿足構件的長度和寬度,平臺的設置見附圖3。外框柱柱身旋轉后碟形節點的組裝位置見附圖4。
    3.2.2 蝶形牛腿的組裝
    ① 在平臺上劃線
    為了保證牛腿定位準確,在平臺上按1:1放樣。劃線時首先作出WP點,依據WP點作構件中心和牛腿定位中心。見附圖5。

    ② 在牛腿面板上劃線
    蝶形牛腿的上下面板都應進行劃線,以保證蝶形牛腿上下面板尺寸一致。做法是先將上面板吊上平臺,按位置放置,檢驗下料偏差,確定中心和位置后,把中心線引到面板側面。再把中心線兩側的定位板固定在平臺上,然后將板吊下平臺;
    再把下面板吊上平臺,檢驗中心位置與上面板的偏差,進行適當的調整后固定下面板,固定時不允許直接在構件與平臺之間點焊,用壓碼加楔形鐵進行固定。
    ③ 裝配碟形牛腿內部板
    由于焊接位置的原因,內部構件不能一次完全裝配到位,需分階段裝配,隱蔽焊縫焊接后才能完整組裝。裝配的要點為:
    a) 斜支撐處保證牛腿邊線到WP點的距離;
    b) 水平牛腿部位保證孔中心到WP點的距離。由于水平牛腿位置在實際安裝時H型鋼翼緣板與地面垂直,因此同時還應重點保證H型鋼的裝配角度。
    ④ 蓋板、焊接和校正
    將上面板重新吊上平臺,裝配就位,內側已裝構件用CO2氣體保護焊進行焊接,焊后校正。
    ⑤ 端銑線和檢驗線
    為保證蝶形牛腿尺寸和位置滿足設計要求,制作后的蝶形牛腿上下接口處還必須進行端銑。
    端銑前先進行劃線。將焊接、校正后的碟形牛腿吊上組裝平臺,按制作時平臺上的劃線調整碟形牛腿的位置和尺寸,然后將平臺上的位置線投影到碟形牛腿上表面,作出端銑線,同時在端銑線后端100mm處作端銑檢驗線。
    ⑥ 蝶形牛腿的端銑
    采用本公司專用的端銑機床,制作專用的端銑胎架,對碟形牛腿的上下斷面進行端銑。

    3.3 碟形牛腿與柱本體大組裝
    組裝在平臺上進行。組裝和控制要點為:
    ① 組裝胎架
    由于蝶形牛腿與柱身組裝時在上下焊縫部位需要留出適當的空間,同時也為劃線、引線的需要,我們在平臺上設制了一組相同高度的胎架板,在胎架板上進行組裝。
    ② 引出WP點
    借助蝶形牛腿組裝時的劃線,先將柱身吊入組裝平臺放妥,將平臺上組裝用的柱身中心線、其它線條和W P點引出,利用測量工具引到柱身上平面。然后將蝶形牛腿分別吊入組裝平臺,引出牛腿中心與柱身WP點交會(4條線延長交會于WP點),誤差控制在±2mm范圍。
    ③ 確定相關尺寸
    依據WP點調整蝶形牛腿位置進行組裝定位,仍然利用二次轉換后的詳圖進行測量和檢驗。為使制作后的構件測量更直觀,更切合實際,二次尺寸轉換后的詳圖中給出了各個方向測量和檢驗的相關尺寸和角度,見附圖7。

    4 焊接
    蝶形牛腿與柱身的焊接非常關鍵,由于焊縫為內側加襯墊后的外側單面焊,全熔透焊接,板厚在50mm以上。本公司采用底部2道CO2氣體保護焊,其余多道埋弧焊的焊接方法進行焊接。為控制焊接變形,我們設想了兩套工藝方案。
    一套方案為在焊接過程中不斷翻身,交替焊接上下焊縫,利用焊縫本身的收縮進行相互之間的制約;另一套方案為在牛腿內部加裝小型千斤頂支撐,通過定時加壓控制焊接過程中的變形,見附圖8。

    在首件制作時,兩套方案交替使用,跟蹤焊接全過程。實踐證明,在焊接過程中適當增加翻身次數,可以有效控制焊接變形。在以后的制作中,為提高生產效率,我們將第二套方案中內部支撐的小型千斤頂改為臨時固定支撐,起到了相同的效果。
    由于外框柱采用的主材為Q345C和Q390D,部分構件還采用了Q420D和Q460E,除了選取合適的焊接材料、嚴格進行焊接工藝評定外,焊接預熱溫度的選取也很重要,附表1為通過焊接工藝評定確定的預熱溫度值。
    預熱溫度表:

    注:(1)接頭預熱溫度的選擇以較厚板為基準,應注重保證厚板側的預熱溫度,嚴格控制薄板側的層間溫度;表中溫度值為最低預熱和層間溫度,實際預熱和層間溫度應不小于最低預熱溫度,接頭的預熱溫度和層間溫度最大不宜超過230℃;
    (2)預熱采用乙烯火焰加熱,加熱區域為被焊接頭中較厚板的兩倍板厚范圍,但不得小于100mm區域,預熱應注意均勻加熱,確保接頭根部加熱溫度滿足要求。
    5. 外框柱成品裝配
    完成碟形牛腿與柱身的組裝、焊接,僅僅是外框柱構件制作的一部分。構件的成品裝配同樣存在很大的難度。主要體現在其余方向和部位水平牛腿的組裝,這些牛腿在設計圖中的表達均為復雜的空間傾斜角和旋轉角。為此我們在二次尺寸轉換后的詳圖中重點對這部分牛腿作了描述,以WP點為基準,給出從測量點到WP點的平面定位尺寸和角度。

    附圖9為典型BH300牛腿裝配尺寸,該牛腿的腹板中心與柱身中心旋轉約60,圖中標注了匯交點至上翼緣的垂直尺寸和腹板中心至WP點的水平尺寸;附圖10為典型BH800牛腿的旋轉角度和BH300牛腿的傾斜角度及相關的裝配尺寸。

    在實際裝配中,依據二次詳圖尺寸進行組裝后,由質控人員進行確認,以保證尺寸和方位的準確,同時控制裝配誤差。
    焊接的全過程跟蹤和監控焊接變形,及時進行校正,很好地保證了整體質量。
    至此,外框柱已基本制作成型,經過檢驗合格,便可按設計要求進行外觀涂裝了。
    6.結語
    由于采取了有效的工藝方法,并嚴格按工藝控制制作過程,本公司制作的外框柱完全符合設計要求,保證了中央電視臺項目的順利進行,為2008年奧運會作出了應有的貢獻。

    參考文獻
    《建筑鋼結構施工手冊》(中國鋼結構協會編著)――北京:中國計劃出版社2002年5月出版


    2007年2月14日
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