李 晨 杜小康 王津晶 鄭康洋
中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125
隨著我國國民經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,大量的高層建筑拔地而起,其中鋼結構建筑所占的比例越來越大[1]。大型場館類建筑主體鋼結構中常采用箱形柱,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程中出現(xiàn)的易變形、難度大等特點[2],是成品質量控制的重難點。只要能有效地控制十字柱和箱形柱的拼裝焊接質量,即可在施工過程中極大地加快進度[3]。
針對實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、焊縫等級要求高等特點,從該類型構件的總體工藝入手,通過三維工藝模擬及焊接有效空間分析,總結出制作過程中的裝配控制要點、全熔透焊接特點,并對整個制作的各個環(huán)節(jié)進行工藝控制,制定工藝質量控制文件指導工人操作,從而實現(xiàn)高質量的構件制作。
國家會展中心(天津)項目位于天津市津南區(qū),分為16個展廳、中央大廳以及交通連廊3個主體部分,均采用鋼結構為主體框架,總用鋼量約110 000 t[4]。其中,中央大廳屋蓋由32個樹形結構組成,頂部截面為30 m×30 m,標高32.80 m,用鋼量18 000 t。該工程造型獨特,施工工藝復雜。鋼結構安裝完成的結構形式及屋蓋結構體系如圖1所示。
圖1 中央大廳鋼結構模型
樹形結構的底部為十字箱形柱構件,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量難以保證(圖2),為保證箱體壁板之間的焊縫質量,本文對十字箱形柱的制作及裝配順序進行說明。
變截面十字箱形柱的制作裝配工藝十分復雜,主要難點在于需要將十字柱斷開,分別對各部分進行處理,然后再進行整體裝配。在斷開后對各部分進行處理時,要根據(jù)不同部位的不同要求進行全熔透、部分熔透或者不熔透等;整體裝配時,也要對不同位置的裝配進行分別處理,整個過程需要對工序進行科學組織,對施工提出了較高的要求[5-8]。
圖2 十字箱形柱模型三維
首先十字柱需要從中間斷開,分成4個部分分別單獨進行制作(圖3)。斷開后,傘柱分成了2個寬1.2 m和2個寬1.4 m的箱體部件:2個寬1.2 m的箱體在隔板接口處斷開,2個寬1.4 m的箱體在最中心的隔板中間一分為二,斷口處開R=35 mm過焊孔;柱底板和頂部中心處隔板不斷開,傘柱整體組焊時,再進行裝配焊接。
圖3 十字柱斷開示意
傘柱制作時,箱體壁板下料時柱頂加了30 mm的余量,每個單元件制作完成后,復核整體尺寸,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,進行端銑。傘柱的水平隔板要全部增開透氣孔。箱體內增設的工藝隔板,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)。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接,并矯正板間平面度;之后裝第2塊壁板,臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置中間,并且要與端頭壁板之間留出間隙,避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內部隔板后采用電渣焊雙夾板,使此處的隔板長度減短25 mm;內隔板進行全熔透、不探傷,開R=35 mm過焊孔,并且此處的隔板與內部通長加勁板不再焊接;裝另一側壁板,同樣開R=35 mm過焊孔。
圖4 全熔透隔板裝配示意
2)部分熔透隔板位置裝配(圖5)。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接,并矯正板間平面度;之后裝第2塊壁板,臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置中間,并且要與端頭壁板之間留出間隙,避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內部隔板后采用電渣焊雙夾板,使此處的隔板長度減短25 mm;內隔板進行部分熔透,開R=35 mm過焊孔,并且此處的隔板與內部通長加勁板不再焊接;斷開處的壁板同樣開R=35 mm過焊孔。
圖5 部分熔透隔板裝配示意
3)無隔板位置裝配(圖6)。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接,并矯正板間平面度;之后裝第2塊壁板,臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置的中間,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。
按上述要求進行裝配時,每一步的操作都要控制板的變形,及時進行校正,焊接時要邊預熱邊進行焊接,減小板的變形。
增設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,并且要進行探傷;傘柱的吊耳板厚全部改為厚30 mm。
箱體部件組焊過程中每一步都要嚴格執(zhí)行相關要求,并檢驗箱體壁板的平整度,偏差大的要及時進行返修,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,并對組裝后的箱體尺寸進行檢驗,確保滿足規(guī)范要求。水平隔板電渣焊孔允許偏差±2.0 mm;內隔板拼裝間隙允許偏差1.0 mm;內部隔板傾斜允許偏差2.0 mm;內部隔板位置允許偏差2.0 mm;柱截面高度偏差應≤400 mm。
傘柱的箱體部件在組立前,傘柱的通長加勁與柱底焊接的位置,需要提前開好坡口和過焊孔(R=35 mm),鉚對時要仔細辨別坡口的方向,兩側雙面開坡口,中間單開坡口。
傘柱的箱體部件完成并檢驗合格后,進行傘柱的整體裝配。組裝時,因柱頂留有端銑余量,所以要以柱底為基準面進行傘柱整體組對焊接。
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)。焊接時將對接的間隙由8 mm調到11 mm,增加3 mm焊接收縮量。焊接時先用氣保焊進行打底。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,要從接縫中部向兩側同時進行焊接,一側的主縫焊接2道后,進行另一側的主縫焊接,以此類推直至焊接完成。拼接完成后,柱底部位的通長加勁板需要開過焊孔以及坡口。焊接過程中要時刻校正箱體壁板的平面度。拼接完成后,應檢查拼接是否有缺陷,檢驗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個寬1.4 m的部件組焊到一起后,將2個寬1.2 m的部件焊接上去(圖9)。焊接主縫時,避免出現(xiàn)較大的焊接變形,主縫1和主縫2用半自動小車打完底,焊接2~3道后,將整個箱體翻轉180°進行主縫3和主縫4的打底,主縫3和主縫4焊接2~3道后,再將整個箱體翻轉180°,去焊接主縫1和主縫2,以此類推,保證焊接均勻。焊接過程中要時刻校正箱體的垂直度,直至焊接完成??蓪⒉垆撁扛? m進行布置,起到臨時支撐作用,并在底端增設限位擋板,以保證其穩(wěn)定性。
圖9 焊接平面示意
組成十字箱體后,需進行檢驗:畫出箱形本體中心線,標記出柱頂處中心點的位置,用水準儀測量水平方向箱體中心的偏差;用吊線墜的方法測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,組好的十字形箱體根部要提前開好過焊孔,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,要對十字形的箱體頂面進行端銑,由于構件外形尺寸較大,且質量較大,故端銑時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,更不能出現(xiàn)移位的情況。
1)畫出箱形本體中心線,再以箱形柱頂端銑面為基準,根據(jù)圖紙尺寸,點裝端板和牛腿,定位焊牢固,并報專檢人員檢查,合格后才允許焊接施工。
2)安裝牛腿時,需要注意孔位間距的誤差及牛腿與鋼柱間的垂直度。
3)按照圖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行檢驗,合格后方可轉入下道工序。
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;牛腿的長度允許偏差為±3.0 mm;對角線允許偏差為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;柱腳螺栓孔對柱軸線的距離允許偏差為1.5 mm。
用于國家會展中心(天津)的十字柱制作完成后,發(fā)運時按照圖11進行放置固定。上部的輔助吊耳不用切除,留作現(xiàn)場裝卸用;下部吊耳在發(fā)貨裝車時要切除掉,切除時要留出5 mm的余料,防止傷到母材。
圖11 吊耳安裝示意
本文對巨型鋼結構變截面十字箱形柱制作過程中遇到的裝配順序、焊接要求及運輸問題等進行研究,得出以下結論:
1)通過裝配工藝的研究,確立了該類型十字箱形柱的各部分斷開位置及各類板的裝配順序,實現(xiàn)板材的有效裝配。
2)通過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,保證了構件制作的質量。
國家會展中心(天津)項目中央大廳屋蓋采用樹形結構,施工非常具有挑戰(zhàn)性。經(jīng)過科學組織、精心施工,十字箱形柱的安裝按期完成,安裝質量達到了設計與規(guī)范要求,取得了較好的經(jīng)濟效益,可為同類項目的施工提供參考。