雙菱形組合鋼柱工藝制作方案探究

張發榮 何志濤

（湖北精工鋼結構有限公司，湖北武漢 430312）

1 工程概況

首義廣場觀光塔是武漢辛亥革命博物館配套工程，其主體結構采用鋼框架－支撐結構體系，分為內筒和外筒，內筒各層平面外形不變，外筒自下而上逐漸縮小，碑身平面為菱形，其對角線長度沿高度從地面到頂部逐漸縮小。地下室采用現澆鋼筋混凝土樓板，一層以上樓板采用花紋鋼板。紀念碑內部設有一部景觀電梯，一部疏散樓梯，頂部設有3層觀景平臺如圖1所示。

圖1 觀光塔地下部分

2 組合菱形柱概況

組合菱形柱主要是由兩根菱形柱本體通過梯形連接板進行剛性連接（焊接）組合而成。其中，兩菱形柱中一根鋼柱本體為上下等截面鋼柱，另一根為上下兩端不等截面鋼柱，呈現下端口截面大，上端口截面小。本菱形鋼柱本體中隔板布置較為頻繁，節點相對較多，加之牛腿加設較多且結構形狀各異，如圖2所示。

圖2 雙菱形組合鋼柱

3 組合菱形柱制作

3.1 焊接坡口的確定

在單個的菱形柱本體制作中，主要焊接接頭形式有柱翼板與腹板之間的角接接頭和箱體內隔板與柱本體之間的T型接頭。在這兩種接頭中，都必須保證一級全熔透焊縫等級，而焊縫質量的好壞從某種意義上來說直接關系著坡口的制作質量。因此，坡口的制作對整個菱形柱的制作來說起到了至關重要的作用，如圖3所示。

圖3 箱體面板坡口制作

3.2 箱體組立

箱體的組立過程在胎架上進行，組立過程中必須保證菱形柱裝配對角線和角度。在制作中采用焊接定位板的方法來進行定位，用角度樣板來保證定位角度如圖4，圖5所示。

圖4 箱體組立

圖5 箱體角度檢驗

3.3 箱體焊接

由于箱體面板（δ＝50mm屬于中厚板，在焊接過程中必須考慮到焊前組裝定位焊及主體焊縫焊后焊接缺欠的相關工藝。根據焊接冷卻速度影響低合金鋼硬化開裂的規律可以得出：定位焊長度在60mm～80mm范圍為宜。此外，定位焊還應距設計焊縫端部30mm以上，且定位焊開始時的預熱溫度應比正式焊接時所采用的預熱溫度高出20℃～50℃。

為了防止主體焊縫焊接后出現層狀撕裂等缺陷，要求在焊接前根據JGJ81－2002進行80℃左右預熱處理。

3.4 箱體合攏裝配

3.4.1 箱體合攏

根據本雙菱形組合鋼柱的結構特點，需對單根菱形鋼柱制作完畢后再進行雙菱形鋼柱的合攏裝配，組后進行鋼柱上牛腿的組裝、焊接。

在雙菱形鋼柱合攏之前，必須根據構件自身的特點，制作相應的輔助工裝夾具來進行裝配。在本工藝的制作中，結合構件的特點：（1）兩菱形柱尺寸大小截面不一；（2）其中一根菱形柱上下存在大小頭截面；（3）菱形組合柱中間梯形連接板在同一水平面上。結合上述難題，制作前用專門鋼結構設計軟件X－Steel在模型中進行剖面的截取（深度調節需設置為0），然后通過AutoCAD軟件進行處理，制作出胎架模板TJ－1、TJ－2、TJ－3、TJ－4，若單純的用AutoCAD軟件進行胎架模制，無法將截面間的變化和差距表達，如圖6所示。

圖6 箱體合攏

3.4.2 箱體牛腿裝配焊接

（1）本構件從結構上看，具有較多的牛腿，裝配起來存在較大的難度；從構件形式上來看，屬于超寬和大噸位構件，更是給工廠的裝配帶來了很大的挑戰性。此外，在裝配的過程中還需考慮后道工序對整個構件所帶來的影響。

（2）因本構件在設計上應用了50mm的中厚板，結構的復雜性及構件自身的噸位條件限制，決定了裝配時的精度控制條件和焊接過程中產生變形的因素。

（3）牛腿在裝配時應盡量少對構件進行翻身，減少不必要的勞動強度；

（4）本構件中存在箱型—V型牛腿，因部分此類型牛腿與梯形連接板之間的夾角較小，組裝后牛腿與菱形柱本體無法施焊，制作時需對牛腿拆分后進行散件裝配。

（5）牛腿裝配。

①原則：為了減少對大型構件的翻身，牛腿的裝配需裝配好一面后再進行另一面的裝配（例如：先裝NT－6、NT－8一面住本體牛腿，待此面牛腿裝配完畢后再進行NT－1、NT－3一面柱本體牛腿的裝配）；

②裝配：第一步裝配NT－6牛腿，第二步裝配NT－8牛腿，第三步裝配NT－12牛腿及搭筋板，第四步裝配NT－5牛腿，第五步裝配NT－7牛腿。構件翻身后裝配：第一步裝配NT－1牛腿，第二步裝配NT－3牛腿，第三步裝配NT－4牛腿，第四步裝配NT－9牛腿及搭筋板，第五步裝配NT－2牛腿、NT－10牛腿、NT－11牛腿及搭筋板。

③難點：NT－1和NT－6兩箱型－V型牛腿與梯形連接板之間夾角太小，導致牛腿翼緣板與菱形住本體間（NT－1牛腿與LXGZ－2柱本體翼板，NT－6牛腿與LXGZ－2柱本體腹板）焊縫無法施焊，因此，箱型－V型牛腿在組立時制作成U型牛腿和一塊翼緣板（蓋板）。待牛腿與鋼柱本體裝配時首先組裝U型牛腿，隨后焊接隱蔽焊縫，經UT檢測合格后再進行牛腿蓋板的組裝焊接，見圖7。

圖7 雙菱形組合鋼柱裝配

4 結 語

通過對首義廣場觀光塔鋼結構工程中雙菱形組合鋼柱工藝制作技術方案的探討，很好地兼顧和解決了制作中各環節的重難點。同時，通過巧妙制作角度樣板、胎架等簡易的工裝，使得構件在裝配精度上得到了很好的控制。此外，合理有序的牛腿裝配及焊接順序也使得構件整體焊接變形得到了控制。

1 建筑鋼結構焊接技術規程（JGJ81—2002）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002

2 戴為志，高良.鋼結構焊接技術培訓教程［M］.北京：化學工業出版社，2009，2

3 劉子祥，戴為志.國家體育場“鳥巢”鋼結構工程施工技術［M］.北京：化學工業出版社，2011，3

4 戴為志，高良.建筑鋼結構工程焊接技術及實例［M］.北京：化學工業出版社，2010，5

5 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接［M］.北京：機械工業出版社，2000，5

6 王磊.國家體育場（鳥巢）鋼結構桁架柱安裝技術［J］.建筑技術，2010，41（7）