馬艷飛 王俊偉 孫 浩 周 磊 李 晨

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

隨著我國場館類建筑的大規(guī)模建造，傳統(tǒng)出現(xiàn)在變電站塔架中的人字柱[1]，逐步出現(xiàn)在場館類鋼結(jié)構(gòu)中，如在昌南體育中心出現(xiàn)高度為18 m的箱形人字鋼管混凝土柱，箱形人字柱的現(xiàn)場對接焊之定位及焊接變形控制是工程中的重難點[2]。在實際工程中遇到的人字柱工廠制作、現(xiàn)場安裝施工的問題，有構(gòu)件工廠制作的質(zhì)量缺陷，也有現(xiàn)場地面拼裝精度及安裝質(zhì)量的影響。針對這些問題，結(jié)合建設(shè)工程所實施的箱形人字柱特點，在優(yōu)化制作工藝的基礎(chǔ)上提出了針對性的制作方案，再通過有限元分析軟件對吊裝進(jìn)行模擬分析，以有效指導(dǎo)工程實施。

1 工程概況

國家會展中心（天津）項目一期展館項目總建筑面積約48萬 m2；鋼結(jié)構(gòu)包含展廳區(qū)、交通連廊和中央大廳三部分，總用鋼量約11萬 t。其中展廳單跨84 m，2個展廳總長186 m，高度23.3 m。人字柱位于展廳區(qū)和交通連廊區(qū)，2個展廳區(qū)含人字柱36根，A、B類人字柱各18根。

如圖1所示，A類人字柱與B類人字柱的區(qū)別在于采用節(jié)點的形式，A類人字柱柱腳采用固定連接的方式，B類人字柱采用鉸接的方式。這是由結(jié)構(gòu)受力特性決定的，可有效地避免因柱腳端彎矩過大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題。

圖1 A類人字柱（左）和 B 類人字柱（右）

圖2 人字柱加工分段示意

單個展廳人字柱共18根（A類、B類各9根），A類人字柱質(zhì)量為25 t，B類人字柱質(zhì)量為35.1 t。人字柱分3段在加工廠加工（圖2），在現(xiàn)場用50 t履帶吊拼裝為整體后，用130 t汽車吊負(fù)責(zé)吊裝就位。人字柱分段1長16.5 m，寬2.81 m，質(zhì)量為19.1 t；分段2長15.0 m，寬1.81 m，質(zhì)量為17 t；分段3長1.0 m，寬0.60 m，質(zhì)量為0.4 t。

本工程主體結(jié)構(gòu)鋼柱、主梁、次梁的材質(zhì)均采用Q355B，對于板厚≥40 mm的鋼板應(yīng)采用厚度方向性能鋼板，板厚40 mm～＜60 mm的鋼板采用Q355B-Z15，板厚60 mm～＜80 mm的鋼板采用Q355B-Z25，板厚≥80 mm的鋼板采用Q355B-Z35；鑄鋼材料采用G20Mn5QT；銷軸材料采用40Cr鋼材，銷軸應(yīng)進(jìn)行熱處理，表面鍍鋅。

2 人字柱加工制作過程

2.1 切割

首件切割后應(yīng)進(jìn)行自檢，合格后進(jìn)行批量切割。氣割精度要求如圖3所示，當(dāng)板厚＜30 mm時，僅腹板開坡口，當(dāng)板厚≥30 mm時，蓋板和腹板均開坡口。

圖3 焊縫形式

2.2 組對

蓋板、腹板內(nèi)表面畫出隔板定位線及加勁肋定位線，定位線偏差不得超過±1 mm；縱肋預(yù)留隔板裝配間隙，間隙偏差為0～3 mm。

2.3 焊接

每條縱肋焊接采用2臺半自動氣保焊小車從中間向兩端同時相向施焊。焊接完成后進(jìn)行火焰矯正，蓋板的平面度不得超過2 mm/m。

2.4 組裝

1）在裝配胎架上鋪設(shè)寬900 mm的蓋板單元件，然后立隔板，隔板在構(gòu)件長度方向的偏差不得超過±2 mm，隔板左右側(cè)的定位偏差不得超過±1 mm。隔板與底板進(jìn)行定位焊接，焊角大小不超過6 mm，定位焊縫長度不短于40 mm，凈間距350～550 mm。

2）在胎架上立直腹板和斜腹板，上胎后與隔板進(jìn)行定位焊接；主焊縫進(jìn)行定位焊接。

3）對U形槽口里的焊縫進(jìn)行焊接，對主焊縫進(jìn)行打底焊接。對變形處進(jìn)行火焰矯正。對隱蔽焊縫進(jìn)行檢查驗收。

4）扣蓋板，部分箱形柱頂板在柱頂側(cè)處預(yù)留1 500 mm的封口段（避開隔板）。焊工進(jìn)入腔室內(nèi)焊接隔板和蓋板的焊縫，焊接完后，嵌入封口蓋板，進(jìn)行對接焊，焊接完成后箱體高度及寬度偏差在±2 mm范圍內(nèi)。

5）清理、矯正，并對組裝后的箱體尺寸進(jìn)行檢驗，確保滿足規(guī)范要求。

3 特殊部位制作

3.1 A、B類柱帶大頭梁的構(gòu)件焊接

整體焊接順序與鋼柱焊接順序相同，但是由于柱頂側(cè)帶有箱形橫梁并且柱頂側(cè)隔板開孔尺寸過小，人無法通過，故采用預(yù)留一段長1 500 mm的蓋板最后焊接，焊工可以從此處進(jìn)入箱體內(nèi)焊接，待最后主箱體內(nèi)部焊接完成之后，再進(jìn)行預(yù)留段的裝配焊接。具體焊接順序如圖4所示。

圖4 各類焊縫焊接順序

圖4中：①處的板在工人焊完所有箱內(nèi)焊縫之后，在外側(cè)將此板與隔板進(jìn)行全熔透拼接；②處加勁板待焊完最后一道隔板后再進(jìn)行裝配焊接；③處的隔板安裝時，需對隔板周圈進(jìn)行焊接；④處的隔板安裝時，在3面安裝鋼襯墊，進(jìn)行全熔透焊接；⑤處待③處的隔板未焊接邊全部焊接完成后，扣上預(yù)留段，再進(jìn)行主焊縫的焊接及蓋板對接；⑥處焊接前需先安裝電渣焊隔板，然后再蓋上柱頂蓋板；⑦處的箱形柱壁板與頂板需加鋼襯墊進(jìn)行全熔透焊接。

3.2 箱形本體火焰矯正

1）箱形柱焊接完畢，在完全冷卻后會發(fā)生彎曲變形，應(yīng)矯正。箱形本體一般采用火焰矯正。火焰矯正時，其溫度值應(yīng)控制在700～800 ℃之間，同一部位加熱矯正不得超過2次。矯正后，應(yīng)緩慢冷卻，低合金鋼不得用水驟冷。

2）火焰加熱的位置應(yīng)選擇在金屬纖維較長的部位，加熱形式一般有局部點狀加熱和三角形加熱2種。

3）三角形加熱高度與底部寬度為型材高度的1/5～ 2/3。不同的火焰熱量加熱，可獲得不同的矯正能力，低碳鋼構(gòu)件用火焰矯正時，常采用600～800 ℃的加熱溫度，低合金鋼加熱溫度為750～900 ℃，緩慢冷卻，不允許水冷。

3.3 銷軸的制作

支座底板加勁的組裝焊接，所有過焊孔處處理好焊接封頭，不封焊（圖5）：

1）2件加勁板1與1件加勁板3的組裝焊接，開坡口全熔透焊接，焊接完后進(jìn)行火焰配合千斤頂?shù)某C正，加勁板1的角變形不得超過3 mm。

2）加勁板2與加勁板3的組裝焊接，焊接完成后需進(jìn)行火焰矯正。

圖5 銷軸制作組成

3）支座底板下部加勁組合件與支座底板進(jìn)行裝配及定位焊。

4）加勁板4、5、6在支座底板上裝配定位焊及之間的定位焊接。進(jìn)行加勁板4、5、6與底板的打底焊接。

5）支座底板下部加勁組合件與底板的全熔透焊接；進(jìn)行加勁板4、5、6與底板、各加勁板間的填充及清根焊接；進(jìn)行加勁板4、5、6與底板、各加勁板間的蓋面層焊接。

6）對焊接完后的部件進(jìn)行尺寸檢查，變形較大處進(jìn)行火焰矯正，確保4件加勁板4同一位置處的凹槽標(biāo)準(zhǔn)一致，偏差不超過±2 mm。

7）對支座進(jìn)行尺寸復(fù)核、焊縫外觀檢驗、焊縫超聲波無損檢驗。

8）銷軸上加勁與主箱體的裝配，要求槽口同一位置處的標(biāo)高一致，然后進(jìn)行焊接。

焊接采用工藝允許的較小電流、電壓參數(shù)，較快的焊接速度，直線焊接，不允許擺動焊，每層的填充厚度不得超過4 mm。每件銷軸加勁板1與同一壁板間的焊縫按每層交替焊接，每焊接完4層后即將構(gòu)件翻身，進(jìn)行對面?zhèn)鹊暮附樱绻l(fā)現(xiàn)變形過大，應(yīng)及早翻身焊接。

制作難點：箱形扭曲控制，A柱柱腳銷軸焊接空間狹小，焊縫密集，鋼板厚度較大。因構(gòu)件分段制作，箱體口形控制須保證精度及角度。分段鋼柱1柱頂板平面度及與分段鋼柱2相接短箱體間的平面度、扭曲、口形的控制。

組對箱形時，必須在測平的平臺板上進(jìn)行，將人字柱箱體蓋板及腹板水平擺放至平臺上，測量板材直線度。有旁彎的必須矯正。組對前對所有焊接區(qū)域進(jìn)行打磨，清除油、水、銹等雜質(zhì)，箱體內(nèi)部隔板檢查直角及串角，焊好銑平的電渣焊襯板，保證隔板與箱體外側(cè)頂板的直角，且電渣焊襯板高于腹板1 mm，便于后期箱體成形時蓋板與電渣焊板嚴(yán)密接觸，防止焊縫間隙過大造成漏渣，影響焊接。隔板點焊好后，將裝好襯墊板的兩側(cè)腹板組立到底板與隔板上，采用夾具臨時固定，形成槽體。先將腹板與底板進(jìn)行點焊，禁止對隔板點焊。當(dāng)腹板與底板點焊牢固后，測好兩端箱體兩腹板上邊緣水平，保證無扭曲，才可對箱體內(nèi)部隔板進(jìn)行點焊加固，對兩端頭進(jìn)行臨時支撐點加固，保證箱體端部尺寸，加固好后進(jìn)入槽形焊接環(huán)節(jié)。

焊接時，要求所有焊工必須持證上崗，對施焊構(gòu)件焊接工藝熟悉掌握。焊接時嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行施焊。焊接所用焊材經(jīng)檢驗合格，符合本工程要求方可進(jìn)行施工。構(gòu)件焊接時需在測平的平臺或馬凳上進(jìn)行，使用馬凳做平臺焊接時，馬凳必須有3條以上，墊位要求平均，防止焊接后因自重產(chǎn)生變形。焊接順序要嚴(yán)格按照由中心向兩側(cè)施焊，以便于釋放焊接應(yīng)力。

4 施工安裝

人字柱在地面分3段放平拼裝，利用履帶吊進(jìn)行翻身，實現(xiàn)從水平到垂直的過程，對這個過程進(jìn)行了有限元的分析，保證施工的安全性。分析中取不同的吊裝階段，分別對其應(yīng)力、變形、吊繩拉力進(jìn)行分析，模擬出整個吊裝過程中人字柱的受力形態(tài)。

階段1：人字柱底端著地，頂端一端在鋼絲繩的牽引下逐漸立起，與地面夾角30°位置。

階段2：人字柱與地面夾角45°位置。

階段3：人字柱與地面夾角60°位置。

階段4：人字柱與地面夾角90°且底端脫離地面，保持該設(shè)計角度，安裝到位。

通過有限元分析后知：構(gòu)件應(yīng)力最大值出現(xiàn)在階段1，位于人字柱下段中間區(qū)域，為15.4 MPa；吊點反力出現(xiàn)在階段4，吊繩的拉力為115.9 kN；構(gòu)件變形出現(xiàn)在階段1，出現(xiàn)在人字柱中間區(qū)域，最大變形為4.37 mm。分析的各項指標(biāo)均未超過要求，能滿足施工需求。

5 結(jié)語

通過對國家會展中心（天津）展館區(qū)箱形人字柱工廠制作、現(xiàn)場拼裝、高空吊裝的研究，對制作過程中的各個環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制以及吊裝過程中的有限元分析計算，有效指導(dǎo)了工程實施，確保了國家會展中心展廳鋼柱安裝精度，并得到了以下成果。

1）論述了箱形人字柱的結(jié)構(gòu)、節(jié)點形式，針對運(yùn)輸及安裝要求對人字柱進(jìn)行分段，實現(xiàn)了制作少分段，現(xiàn)場易拼裝的要求。

2）針對性地給出了箱形人字柱加工工藝，并對具體工序進(jìn)行嚴(yán)格控制和把關(guān)，指導(dǎo)工廠工人制作，實現(xiàn)構(gòu)件的高質(zhì)量焊接和矯正，避免返工。

3）對工程現(xiàn)場箱形人字柱的吊裝過程進(jìn)行有限元模擬，實現(xiàn)吊裝過程中應(yīng)力、位移的可控，同時吊繩的拉力為吊裝設(shè)備的選型提供計算依據(jù)。

[1] 任源,柳兆濤,邱新剛,等.變電站新型H型鋼人字柱的研究[J].鋼結(jié) 構(gòu),2016,31(9):73-76.

[2] 嚴(yán)銳.大型人字箱形鋼柱和大跨度懸挑圓鋼管桁架的施工[C]//中 國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)研究及應(yīng)用.北京:中 國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會,2017:182-187.