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中央電視臺特殊構件的制作工藝

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

    李文杰 虞明達 賀明玄
    (上海冠達爾鋼結構有限公司)

    摘要：本文介紹中央電視臺外框地下特殊埋入箱形柱和三箱柱的結構特點、制作分段、加工順序、焊接變形的預防措施、如何降低焊接產生的內應力的方法等，使制作后構件的焊接內應力降到最低，保證了結構設計的傳力明晰、可靠的要求。
    關鍵詞：角柱、 菱形、 部件、 焊接收縮量的預設、橫向收縮量。
    1 構件概況
    特殊埋入箱形柱位于塔樓外框的角上，雙向傾斜6度，由于2個面連接支撐，所以此柱子的斷面為菱形，而水平剖面為矩形，設有縱向隔板和2層底板。三箱柱位于塔樓外框上，雙向傾斜6度，斷面為3箱矩形，而水平剖面為菱形，在外側1箱設有巨大的蝶形連接板。

    2 結構介紹
    2.1外框角柱
    外框角柱位于塔樓1的角部，構件在空間為雙向6度內傾斜，構件的本體由地上段和埋入段組成，主體由板厚100mm的 Q390D?Z35厚板構成，底板厚為135mm的Q390D?Z35。角柱垂直于柱軸線的的截面為菱形，水平截面為矩形，兩墻面側有與斜撐相連的箱形牛腿，其中箱形牛腿的一塊翼板為柱本體翼板的延伸。結構焊接型式為全焊透一級焊縫，角柱的凈截面寬為1米?1米，長度為10米，單根凈重60噸。
    角柱的結構圖

    2.2三箱柱
    外框3箱柱位于塔樓的外立面，構件在空間為雙向6度內傾斜，與外框梁連接的牛腿為水平設置，柱子本體由板厚100mm的 Q420D?Z35厚板構成，多箱柱由3個箱體組成，外側箱體的翼板通過蝶形板與箱形結構的斜撐相連，結構焊接型式為全焊透一級焊縫，3箱柱的凈截面為1.4米?1米，長度為14.88米，單根凈重123噸。
    三箱柱的結構圖

    3 問題提出
    ①厚板焊接的收縮量的大小和制作時的預設。
    ②焊接變形預防和糾正。
    ③焊接引起的內應力如何控制在最小。
    ④多箱柱子端部凹凸面的銑加工
    ⑤多箱柱子的斷面尺寸控制
    ⑥多箱柱的焊接順序設定。
    4 解決問題的思路
    ①從結構的整體考慮，應將構件拆分為幾個獨立而自身能穩定的部件，目的是使部件自身焊接內應力保持平衡，而拆分后的部件之間又以自由端相互焊接，這樣就減少焊接時部件相互的牽制。同時將部件之間在連接處的材料預放一定的余量來消除部件焊接變形引起的尺寸誤差，從而控制了構件整體的變形和將內應力降為最低。將不定的因數轉為可預見和可控制的因數。
    ②在部件的選擇上，盡量考慮部件焊縫的對稱性，對非對稱的焊縫應通過計算及以往工程的經驗比較后得出焊接引起的變形量，在零件準備和焊接順序上下工夫。這也就要求制作和焊接工藝要相結合出對策。
    ③對此類結構在編制工藝時要一切從焊接的可操作性可控制性出發，安排組裝次序。因為一旦構件變形，矯正工作受溫度和結構形式的影響而很難進行和奏效，尤其對于多箱柱更為重要。
    ④正確地應用好鋼結構規范上的公差規定的范圍，在規定公差的基礎上考慮余量的設放，從而保證產品在合格的范圍內。
    ⑤要建立一套較完整的工藝編制和審核制度，其好處是在工程的開工之初就能預計到工程進行中的問題，即自己提問題和解決問題，把構件的制作在文件上先畫圓了。
    ⑥根據構件的節點形式，多箱柱的驗收標準的設定以滿足安裝需要、滿足規范為原則。




    5 外框角柱制作工藝
    5.1部件的拆分
    ①根據埋入式柱的結構特點將構件拆分為地上段、埋入段、底板、可拆分的斜撐箱形牛腿、不可拆分的斜撐箱形牛腿等五個分部。
    ②在拆分段的連接處預放用于銑削、調整位置用的二次切割余量。
    ③規定了這些部件制作成形后的測量基準。


    5.2 構件的制作方法
    5.2.1構件的制作流程安排


    5.2.3上節菱形角柱的制作步序
    第一步：①由于菱形箱體內有80mm的斜撐連接板的支持板，此板與菱形箱體的 腹板為焊透焊縫。如菱形箱體組成后再焊接此板，目前條件行不通。因此先以下圖三角組件開始。

    由上圖可以看出，三角組件在組裝時要考慮三條縱縫在焊接時的焊 橫向收縮量和收縮引起的截面變形的協調，根據焊接工藝試驗的數據，同時考慮實際焊縫為拘束狀態的角接焊縫，因此橫向收縮量的大小取2～3mm。而在這里的根據此數值調整三角組件的裝配角度從90.626調整為91.459度，同時由焊透焊縫引起的角變形根據經驗設置為1度，此角度是在縱縫打底焊完成后用火工完成。焊接接后使截面回復到圖紙尺寸。

    ②三角段在縱縫焊接時還存在扭曲問題，因此在三角組件的內部結構上采用工藝隔板，目的是增加面板在焊接時的抗扭剛度，縮短扭曲的計算長度。同時在焊接時采用同規范、同方向的焊接順序。
    ③為了減少三角組件在長度方向的拱曲，兩翼板間的焊縫僅焊1/2高度，目的是在組合成方箱體時，使方箱體的四條縱縫在焊接時對稱進行，減少箱體在長度方向的拱曲變形。
    第二步：
    ①由于構件在垂直于軸線的截面為菱形，必須采用工藝隔板來保證截面組裝后的形狀。因此在胎架上固定三角部分的一塊翼板，加隔板和工藝隔板，利用隔板調整另一腹板扭曲。加另外兩塊翼腹板，組合成方箱體。
    ②焊接箱體四條縱縫時，構件必須多點墊實。以防焊接時焊縫收縮和構件自重引起的彎曲和扭曲變形。
    ③焊接完成的部件必須要進行過程中的變形檢驗，要有檢驗人員的參與，因為對此類剛度特大的構件，部件的合格決定了構件的合格。
    ④焊接后的箱體其焊縫及焊縫附近1倍板厚的位置其應力已達材料的屈服應力，因此后焊的零件對箱體的變形影響不大。此時可對箱體進行銑削定長。銑削后的上段柱放3mm的與底板焊接的焊接收縮余量。
    第三步：下節柱的制作過程略同上節柱，工藝隔板選用2塊，柱本體焊接完成后，銑本體端口。定長時長度放6mm的與底板焊接收縮余量。
    第四步：大斜撐連接牛腿的制作
    a.大斜撐牛腿有2種形式：
    ①可單獨制作的斜撐牛腿（圖1）；


    b.制作過程
    ①圖1中可單獨制作的斜撐牛腿的制作要點是斜撐連接板要按圖紙的最大輪廓切割，單獨組合焊接完成后的斜撐牛腿與柱本體的焊接邊要進行二次切割，以適合變形后的本體，目的是保證焊縫的尺寸間隙和保證斜撐上口與柱上端口的相對尺寸。
    ②圖2與主體在同一塊板上的斜撐連接板在下料時其上端與斜撐連接口的3條邊均應放寬5mm的調整余量，原因是此板是上節柱箱體的翼板之一，本體的縱縫焊接收縮導致斜撐上端的位置移動。本體焊接完成后可切除余量。在此板上組合牛腿的其余部分，當焊接另一斜撐連接板時要考慮焊縫收縮時導致的整個牛腿轉動，解決的方法是在保證焊縫間隙時調整斜撐連接板的寬度。
    第五步：底板
    ①柱底板由數控切割外形。底板上的錨栓孔由鉆小孔后火焰切割而成，檢測 切割面，打磨或補焊（按焊接作工藝要求）孔表面。在底板的上、下面畫出柱本體的輪廓線，用于組裝。

    第六步：總裝，要求是使上、下節段的柱的中心線調整在一條直線上。
    ①胎架為水平狀態。調整胎架間的高差小于3mm。放入上、下段后，復查上、下柱段的對齊狀態。
    ②在柱底板的向上面必須畫出柱的安裝輪廓，十字中心線的位置。
    ③將135mm厚的有孔底板插入柱間，與上節柱點焊在一起。
    ④推動下節柱頂緊底板，點焊焊接處。
    ⑤測量安裝位置的是否準確，焊接收縮余量是否設置。在胎架上焊接底板與柱身直到完成。
    ⑥矯正底板，焊接栓釘，清理構件表面，完成各類標記。



    6 外框三箱柱
    6.1部件的拆分
    ①根據多箱柱柱的結構特點將構件拆分2個л和1個箱體、2個蝶形節點和牛腿等七個部件。
    ②在拆分時考慮各部件的焊接收縮余量和銑削余量。
    ③規定了這些部件制作成形后的測量基準。
    6.2 三箱柱子的制作方法
    6.2.1 構件的制作流程安排


    6.2.3三箱柱的制作步序
    第一步：三箱柱本體
    ①由于三箱柱的現場焊接需要，柱子端面設計為凸臺形，整體焊接后無法銑削，所以把三箱拆散分別組裝，中間為典型的箱形柱，二邊為л形柱，由于三箱柱焊接后的剛性很大，而且內側翼板成形后無法進行矯正，矯正的量及其有限，所以從一開始就要進行變形控制，如：翼腹的旁彎、拱度矯正，使其直線度控制在3～4mm以內，而且彎曲的方向最好一致，避免部件組裝后扭曲。裝配的胎架進行校平，保證裝配的質量。測量工藝隔板和隔板的對角線，使其在裝配時處于同向。

    ②從上圖可以看出，三箱柱在斷面高度方向中有6條全焊透焊縫，根據試驗數據和加工經驗每條焊縫放2mm收縮余量，每個部件放4mm收縮余量，則在三箱柱的高度方向總共放焊接收縮余量12mm。

    ③為了減少焊接變形(拱度方向)，在焊縫設計時盡量保證焊接收縮的對稱性，見上圖，按下列公式進行校核：
    Σ上F×L ＝Σ下F×L 。如果差異很大，應調整焊縫坡口的角度和間隙（焊縫面積）來解決。
    ④為了端面的銑削需要，先分別對箱形柱和л柱進行打底焊接。

    第二步：
    ①箱形柱只銑上端面，л柱按圖紙尺寸上下兩端均銑削。
    ②為了增加本體剛度減少焊接變形，部件不進行埋弧焊，必須待三箱柱組裝后進行焊接，三箱柱組裝時上端按圖紙尺寸進行拼裝，也就是說只保證上端凸臺尺寸，然后進行三箱柱的縱縫打底。
    ③為了防止焊接變形，在埋弧焊焊接時應盡量按軸心線進行對稱、同步、同向、同規范焊接，同時為了控制拱度，在焊接過程中應進行翻身焊接，不能一次焊完。外側翼板在焊到1/2焊高時，應及時進行矯正。焊接順序見下圖，先焊距離中心較近的焊縫，再焊距離中心較遠的焊縫。本體焊接完成后必須要進行過程中的變形檢驗，特別是外測翼板，要有檢驗人員的參與，因為對此類剛度特大的構件，如果把部件的變形放到構件成后再矯正就很困難。

    ④本體矯正后進行焊縫的UT檢查，有缺陷及時返修，最后按圖紙的長度尺寸進行柱子下端的總長銑削，以柱子兩端口的中心劃出修正后的中心線，確定蝶形節點的中心基準線，同時測量下端凸臺的尺寸，調整現場焊接的π段長度。

    第三步：蝶形節點
    ①首先在蝶形板上劃出基準中心線，按基準線組裝蝶形節點，腹板的高度同樣放4mm焊接收縮余量，在斜撐連接口處放3mm銑削余量，焊接后矯正蝶形板的平面度。
    ②劃出端口基準線，銑削上下連接端口。以柱子本體中心基準線到翼板邊緣的實際尺寸，切割蝶形節點與本體的焊接坡口，安裝襯墊板時放出2mm的焊接收縮余量。

    第四步：總裝
    ①裝配蝶形節點,要求蝶形節點的各個連接端口與柱子本體在同一個平面內，在組裝前先調整胎架的水平，測量蝶形節點各端口與本體的平面度（使其控制在5mm范圍以內），測量各端口的坐標尺寸。
    ②蝶形節點焊接時，應以柱子為中心進行對稱焊接和翻身焊接，不能一次焊完，減少焊接變形。

    第五步：
    ①裝配牛腿和其他吊裝附件板，焊接、矯正附件板。對柱子進行整體的測量和檢查。
    ②焊接栓釘，清理構件表面，完成各類標記。

    7 總結
    通過合理的部件拆分，控制部件的焊接變形來達到構件整體的合格。采取有效的制作工藝措施和焊接控制措施，嚴格的工藝控制和檢驗，確保了箱形柱的制作質量，從而加快了制作進度，并經多方檢驗和最終安裝檢驗，符合設計要求。現場安裝一步到位。



    參考文獻
    1.《焊接設計》 （美） O。W。勃勞杰
    2．《鋼結構設計規范》 GBJ50017-2003
    3．《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205－2001

    作者簡介：李文杰，男，1964年12月，上海冠達爾鋼結構有限公司主任工藝師，從事鋼結構設計和制造工藝方案的制定。

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