張祥龍，張仲林

(1.山東廣播電視大學(xué)，山東 濟南 250014;2.山東新世紀鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，山東 淄博 256410)

望京SOHO塔樓頂部鋼結(jié)構(gòu)異形管桁架制作過程質(zhì)量控制

張祥龍1，張仲林2

(1.山東廣播電視大學(xué)，山東 濟南 250014;2.山東新世紀鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，山東 淄博 256410)

變形控制是制作加工異形管桁架的關(guān)鍵問題。以望京SOHO塔樓頂部鋼結(jié)構(gòu)工程作為研究實例，從制定施工工藝、下料切割、管材煨彎、構(gòu)件拼接、焊接等環(huán)節(jié)對如何進行質(zhì)量控制進行詳細分析;重點突出相貫節(jié)點相貫線放線要借助三維空間建模精確確定，下料時切割余量要控制在15mm內(nèi)，焊接收縮量控制在1～2mm內(nèi);管材煨彎控制點要結(jié)合彎管的曲率確定，每根桿件彎曲控制點不得少于5個點;相貫接頭的拼焊要根據(jù)焊縫分區(qū)采用不同的焊縫有效厚度。

異形管桁架;煨彎制作;相貫節(jié)點;質(zhì)量控制

引言

管桁架具有較好的受力特點并易于構(gòu)成特殊外形，突出結(jié)構(gòu)的力度和美感，滿足不同的建筑造型，將人們對建筑物的功能要求、感觀要求以及經(jīng)濟效益要求完美地結(jié)合在一起，在會展中心、航站樓、景觀塔、體育場館等一些大型公共建筑中得到廣泛應(yīng)用。但是管桁架，特別是異型管桁架，在制作加工過程中，因三維造型分析、胎具制作、機械頂彎、火焰加熱煨制、焊接應(yīng)變等一系列影響因素造成管桁架變形難以控制，安裝困難，是鋼結(jié)構(gòu)加工制作企業(yè)急需解決的技術(shù)難點。本文結(jié)合某具體工程，對異形管桁架加工制作過程質(zhì)量控制進行詳細分析，對類似工程提供借鑒。

一、工程概況

(一)項目概況［1］

望京SOHO塔樓(如圖1所示)位于北京市朝陽區(qū)望京街與阜安西路交叉路口，占地面積115，392平方米，規(guī)劃總建筑面積521，265平方米。該項目集辦公、商業(yè)為一體，建筑主體分別為118米、127米、200米高的三棟塔樓，建筑整體遵循“動態(tài)山峰”的設(shè)計理念，其曲線外觀展現(xiàn)出優(yōu)雅流動的美感，建成后成為“首都第一印象建筑”。

(二)項目特點

塔樓頂端是鋼結(jié)構(gòu)部分，呈橫切的鵝卵石形狀，全部由多曲彎弧鋼管桁架組成，每一榀桁架弦桿最多可達七個不同的彎曲段，“多曲多向”增加了工程難度，如何確保彎弧精度和切割尺寸的準確是本工程制作加工的重點和難點。

圖1 望京SOHO塔樓效果圖

二、制作加工難點

(一)構(gòu)件規(guī)格不統(tǒng)一，在制作加工過程中變截面主管對接口位置處存在不等壁厚對接;K型節(jié)點構(gòu)造很容易出現(xiàn)搭接問題，出現(xiàn)不可見焊縫;相貫節(jié)點位置，由于相貫線是空間曲線，相貫口的坡口、間隙等都隨之不斷變化，使切割和焊接都存在一定的難度。

(二)部分構(gòu)件制作成異形，只能通過計算機軟件和三維模型分析，在現(xiàn)場制作胎具，嚴格控制幾何尺寸精度，使用機械頂彎及配合火焰加熱煨制完成。

(三)放樣時預(yù)留焊接收縮量和切割加工余量對于確保構(gòu)件弧度順暢，滿足美觀至關(guān)重要，也是加工施焊的難點。

(四)為避免施工過程中因節(jié)點強度不足而失效的問題，加工過程要采取可行有效的節(jié)點加強方法。

(五)對三維曲線桁架的弦桿進行二維弧形展開放樣時，要充分考慮桁架拼接節(jié)點的安裝精度與難度，選用合理的拼接節(jié)點形式。當二維展開難以滿足設(shè)計曲線形狀時，在考慮三維成型的加工設(shè)備條件下，要和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員進行充分交流，對加工曲線進行調(diào)整。

三、管桁架關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

(一)材料的選擇［2］［3］

管桁架使用的鋼材、焊接材料、涂裝材料和緊固件等必須符合設(shè)計要求和現(xiàn)行標準的規(guī)定。材料代用采用等截面和等強度的原則，同時必須經(jīng)設(shè)計單位核算認可，并辦理審批手續(xù);進廠的原材料必須有生產(chǎn)廠的出廠質(zhì)量證書，并按合同要求和現(xiàn)行標準進行檢驗和驗收，做好檢查記錄;材料表面不得有裂紋，表面銹蝕、麻點、劃痕等，缺陷深度不能大于板材厚度負偏差值的1/2;當鋼材的平直度不能滿足工藝要求時，應(yīng)先行矯正，矯正后允許偏差要根據(jù)管材撓曲矢高確定。入庫管材必須按照出爐號堆放。

用于管桁架等重要結(jié)構(gòu)的焊條入庫前要按焊條質(zhì)量保證書檢查焊條是否合乎規(guī)定，型號、牌號是否符合要求，按規(guī)定經(jīng)質(zhì)量復(fù)檢合格后驗收入庫。

(二)零部件煨彎制作

零部件煨彎制作［4］

1.彎管工藝流程:

2.對于管徑較大和壁厚較厚彎曲半徑較小(通常R＜20m)的管件使用中頻熱彎工藝。

3.弧形或者平面內(nèi)函數(shù)曲線的管件在彎制成形之前要進行詳細的控制點坐標計算，對單曲率桿件，每根下料桿件的彎曲前控制計算點不得少于5個點;對于曲率較大的桿件或多曲率桿件，其形狀控制點要相應(yīng)增加(如圖2所示)，同時要求彎管成形后的檢查控制點不少于桁架上、下弦桿節(jié)段控制點，檢查時可以采用節(jié)點相對坐標進行校核。

圖2 曲線桁架成形控制點

4.彎管加工質(zhì)量要滿足規(guī)定的加工公差要求，如表1所示。

表1 彎管加工公差要求

(三)預(yù)拼裝

桁架預(yù)拼裝

1.預(yù)拼裝原則:本工程桁架在制作現(xiàn)場進行拼裝，由于受交通限高的限制需要分段進行運輸，每榀桁架分成八段，各段之間設(shè)置臨時固定的螺栓連接。分段組焊完成，檢驗焊縫和各部分尺寸合格后，再拆開分段處的臨時連接點，逐段吊運至安裝位置的臺架上，進行合攏焊縫的焊接。

2.拼裝流程:

3.胎具制作:

平臺鋪設(shè)場地設(shè)置在施工現(xiàn)場，勘察場地后，鋪設(shè)150mm厚素混凝土地面，用水平找平，保證地面的平整度;待地面混凝土強度達到80%后，在其上鋪設(shè)20mm厚的鋼板，鋼板之間要形成剛性整體，其基層處理、整體剛度、平整度等必須符合構(gòu)件加工制作的需要。

在鋼板上按照放樣尺寸焊接胎架，先制作上弦平面胎具，要用經(jīng)緯儀測量垂直度，把胎架的偏差減到最小，在上弦平面胎架上做出上弦單片桁架，將一根上弦和一根下弦平行地面放置，設(shè)立組裝胎具［3］。這種方法可以保證桁架側(cè)面裝配都在地面進行，施工方便。

4.桁架拼裝［4］

單元體拼裝，總體上按先平面、后空間，從中間向兩邊，從下到上的順序進行;在同一節(jié)點上按先大管后小管、先主管后支管順序進行。構(gòu)件拼裝時，將三根弦桿依次架到胎具的半圓形支架上，利用全鉆儀測量各點標高尺寸，利用鉛墜在平臺上測量各桿件水平方向的投影尺寸，以此控制桁架的三維空間尺寸。為保證腹桿位置拼裝正確，腹桿安裝時，要在每一個相貫節(jié)點處彈出中心線。桿件拼裝后，要用激光放線儀和全鉆儀檢驗各點尺寸，檢驗合格后進行施焊。盡量減少焊接變形和焊接應(yīng)力。單元體拼焊完成后，標上編號、畫出安裝定位線，等候安裝。

四、關(guān)鍵技術(shù)的質(zhì)量控制措施

管桁架整體結(jié)構(gòu)尺寸的加工要嚴格按照制作工藝流程進行。弦桿、腹桿、連接板等構(gòu)件下料、相貫線切割、按序組裝對口、焊接工藝等是保證構(gòu)件制作質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)重點予以控制。

(一)下料

借助計算機對管桁架進行三維建模，對每一根桿件單獨設(shè)計，確定相貫節(jié)點處的相貫線，確定詳細的幾何信息，充分保證構(gòu)件的尺寸精度，編程后將將程序輸入相貫線切割機進行切割，尺寸偏差控制在±1 mm內(nèi)。管材放樣采用1:1的比例，彎頭部分做卡樣板，制作時將切割余量控制在15mm內(nèi)，焊接收縮量控制在1～2mm內(nèi)，同時根據(jù)圖紙設(shè)計要求預(yù)留起拱量。所有桿件按照最大長度進行下料，但要盡量避免拼接。［5］

(二)切割

主管直線段采用切管機和鋸床下料，支管采用數(shù)控相貫線切割機下料，節(jié)點板和加筋板用剪板機或數(shù)控切割機下料。對主管材原則上按長度定尺采購，每段放焊接收縮余量2mm。桁架腹桿等構(gòu)件下料時，根據(jù)工藝試驗所得值放焊接收縮余量1mm。下料階段，不得采用人工修補的方法修正切割完的支管。切割完后要盡快清除邊緣上的熔瘤，打磨校正坡口，現(xiàn)場接料錯開控制在1mm之內(nèi)。下料后要立即對構(gòu)件進行檢驗，對達不到長度要求的應(yīng)重新下料。對于檢驗合格的構(gòu)件，要根據(jù)圖紙進行編號，做好規(guī)格、零件號等標記，歸類存放以便安裝。

管件采用專用數(shù)控相貫線切割機切割前，必須用墨線彈出基準線，作為相貫線切割的起止和管件拼裝的定位線，并保證相交管件的中心軸線交匯于一點。如果斜腹桿中心線交匯于弦桿中心線的外側(cè)(即正偏心)或內(nèi)側(cè)(負偏心)，應(yīng)使交匯的偏心距最小，應(yīng)滿足:-0.55d0≤e≤0.25 d0或-0.55h0≤e≤0.25 h0(d0為圓管直徑;e為偏心距)，如圖3所示。相貫線的切割，應(yīng)按照先大管后小管、先主管后支管、先厚壁管后薄壁管的順序進行。

圖3 斜腹桿、弦桿中心線的偏心示意圖

(三)組裝對口

1.接頭形式

(1)相同管材(同管徑同壁厚)對接形式，如圖5所示。

圖4 加外套筒角焊示意圖

(2)不同管材對接形式:內(nèi)徑相同壁厚不同、外徑相同壁厚不同和內(nèi)徑外徑均不同三種情況。不同管材對接應(yīng)達到管材之間的平緩過渡，具體規(guī)定如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 內(nèi)徑相同壁厚不同管材對接示意圖

圖6 外徑相同壁厚不同管材對接示意圖

圖7 內(nèi)徑外徑均不同管材對接示意圖

(3)焊縫的坡口形式:在管壁厚度不大于6mm時，可用I形坡口，其坡口寬度b應(yīng)控制在4～8mm，如圖8所示;在管壁厚度大于6mm時，可用V形坡口，間隙應(yīng)控制在2～5mm內(nèi)，坡口角度α應(yīng)根據(jù)管壁厚度和使用焊條或焊絲直徑，在55°～80°內(nèi)選擇，如圖9所示。

圖8 I形坡口管對接圖

圖9 V形坡口管對接圖

(四)構(gòu)件焊接［2］［5］［6］［7］

1.管材對接焊縫，采用加內(nèi)襯管(板)和加隔板焊的等強度全熔透焊接以及加外套筒(如圖5所示)和插入式的等強度角焊縫焊接，焊縫的質(zhì)量等級必須達到設(shè)計圖紙要求。內(nèi)襯管壁厚一般選用4～10mm，長度40～60mm為宜。

(1)依據(jù)本工程焊接工藝評定確定焊接材料、焊接方法和焊接工藝參數(shù)。焊接材料在使用前必須按工藝文件規(guī)定的溫度和時間要求進行分箱烘焙和儲存。

(2)焊前去除坡口及其附近20mm-30 mm范圍內(nèi)氧化皮、渣皮、水分、油污、毛刺等，不得在接近坡口處的管壁上點焊夾具或硬性敲打，防止圓率受到破壞，同徑管的錯口量必須控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

(3)檢查坡口角度、鈍邊、間隙是否符合相關(guān)規(guī)范要求，并用經(jīng)過計量檢定的專用器具對同心度、圓率等進行認真核對。

(4)相貫接頭的拼焊，應(yīng)符合圖10和圖11的要求。

圖10 圓管、矩形管相貫接頭焊縫分區(qū)形式示意圖

圖11 管材相貫接頭全焊透焊縫的各區(qū)坡口形狀與尺寸示意圖(焊縫為標準平直狀剖面形狀)

(五)焊接質(zhì)量控制

1.焊接采用手工電弧焊時要進行多道、多層焊接，在焊接過程中嚴格清除焊道和焊層間的焊渣、夾渣等，并且焊接時焊條擺動幅度不能太大。

2.拼裝桁架時焊接要遵循先中間后兩邊、對稱施焊、先焊接弦桿，再焊接腹桿的原則。同一條焊縫要連續(xù)施焊，一次完成;不能一次施焊完成的焊縫要注意焊后的緩冷和重新焊接前的預(yù)熱，嚴格控制層間溫度，以減小焊接變形。

3.管與管對接面層焊接、相貫處面層焊接，應(yīng)注意選用較小電流值并注意在坡口邊熔合時間稍長，在熔敷金屬未完全凝固的接頭處快速重新燃弧，使焊接接頭圓滑平整。

4.各種焊縫節(jié)點焊接完成后，應(yīng)清理焊縫表面的熔渣和金屬飛濺物，檢查焊縫的外觀質(zhì)量，不得有低凹、焊瘤、咬邊、氣孔、未熔合、裂紋等缺陷存在。如不符合要求，應(yīng)進行補焊或打磨，修補后的焊縫應(yīng)光滑圓順，滿足焊縫的外觀質(zhì)量要求。

五、結(jié)語

本工程異型管桁架鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件弧度多、不規(guī)則，在制作加工過程中借助計算機進行三維空間建模，準確確定幾何尺寸，分散難點，不斷改進加工工藝，利用數(shù)控相貫線設(shè)備準確切割，嚴格執(zhí)行國家或行業(yè)規(guī)范、設(shè)計要求、工藝要求，結(jié)合工程特點對管件下料切割、彎弧控制、定位方式、胎架支撐方式、焊接應(yīng)變等方面進行嚴格變形控制，保證管桁架加工精度，確保了該工程順利完工。

［1］張寧.新世紀為望京SOHO量體制衣［N］.中國建設(shè)報，2013-05-06(8).

［2］尹顯奇.鋼結(jié)構(gòu)制作安裝工藝手冊［M］.北京:中國計劃出版社，2006，(05).

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TU51

:A

:1008—3340(2017)01—0086—04

2016-11-12

山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖?J13LG53)。

張祥龍(1974-)，男，山東廣播電視大學(xué)副教授，碩士，主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

張仲林，工程師，山東新世紀鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司。