菱形組合鋼柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)制作工藝的研究與應(yīng)用

張發(fā)榮，何志濤，姜殿忠，程 登，夏 旻，王 磊

(湖北精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，湖北 武漢 430312)

0 前言

國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化與復(fù)雜化趨勢(shì)，繼國(guó)家體育場(chǎng)——“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程三角柱腳菱形內(nèi)柱(見圖1)的成功運(yùn)用之后，菱形結(jié)構(gòu)形式憑借其在建筑結(jié)構(gòu)體系中所體現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，越來越多的應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程之中。

隨著我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域技術(shù)的成熟與行業(yè)的迅猛發(fā)展，菱形結(jié)構(gòu)也由單一結(jié)構(gòu)的菱形結(jié)構(gòu)向雙菱形結(jié)構(gòu)形式(見圖2)逐步轉(zhuǎn)型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也由簡(jiǎn)單的等截面形式向變截面、多方向、復(fù)雜性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，為國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在藝術(shù)形態(tài)上提供了一大亮點(diǎn)，同時(shí)，在工藝技術(shù)的研究與實(shí)踐上也邁出了新的步伐。

圖1 “鳥巢”工程菱形內(nèi)柱

1 概況

1.1 節(jié)點(diǎn)分析

圖2 某觀光塔工程菱形組合柱

菱形組合柱結(jié)構(gòu)主要是由兩根菱形柱本體通過梯形連接板進(jìn)行組合焊接而成。一根為上下等截面鋼柱，截面尺寸530 mm×530 mm×50 mm×50 mm;另一根為上下兩端不等截面鋼柱，呈現(xiàn)下端口大，上端口小，其截面尺寸(660～600)mm×(660～600)mm×50 mm×50 mm。本菱形鋼柱材質(zhì)選用Q345B低合金鋼，厚度50 mm，重約26 t。構(gòu)件本體中隔板布置較為密集，節(jié)點(diǎn)部位牛腿較多，且結(jié)構(gòu)形狀各異，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件結(jié)構(gòu)

1.2 節(jié)點(diǎn)制作的重點(diǎn)與難點(diǎn)

本構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)布置比較密集，且涉及的焊接接頭形式主要有對(duì)接、角接和角接與對(duì)接組合接頭。綜合加工過程中在異型構(gòu)件工裝設(shè)計(jì)、裝配和焊接等方面的因素，主要存在如下問題:

(1)設(shè)計(jì)菱形組裝胎架。

(2)變截面菱形合攏組裝尺寸的控制。

(3)防止母材層狀撕裂。

(4)厚板焊接變形控制。

2 制作工藝技術(shù)探究［1－3］

2.1 深化設(shè)計(jì)出圖模式與加工工藝的結(jié)合

鑒于節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的復(fù)雜化和特殊化結(jié)構(gòu)，工廠加工深化圖紙與制作工藝相結(jié)合的模式是保證構(gòu)件順利加工的前提。經(jīng)過反復(fù)分析與探討，在制作工藝上對(duì)深化圖紙出圖模式提出如下要求:

(1)根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式所設(shè)計(jì)的制作胎架，采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”坐標(biāo)模式出圖。

(2)針對(duì)節(jié)點(diǎn)變截形式，需對(duì)主體內(nèi)部各塊內(nèi)隔板進(jìn)行定位尺寸的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”標(biāo)注。

(3)本體合攏為非規(guī)則平面，主體及牛腿的定位尺寸控制需提供多點(diǎn)空間“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”尺寸。

(4)牛腿端口與主體端口、牛腿端口與牛腿端口之間有效的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”距離，需在圖面坐標(biāo)中準(zhǔn)確體現(xiàn)。

2.2 工裝設(shè)計(jì)與制備

(1)組裝胎架的設(shè)計(jì)。

菱形柱的拼裝與標(biāo)準(zhǔn)箱型的制作有著很大的差異，菱形柱拼裝的角度在制作中基本上是靠胎架來控制，角度的精度也是制作中的關(guān)鍵因素。制作一個(gè)既能表達(dá)出菱形柱角度又能夠便于車間生產(chǎn)制作的簡(jiǎn)便化的胎架對(duì)生產(chǎn)有著重要的意義(見圖4)。

圖4 菱形柱簡(jiǎn)易組裝胎架

(2)定位卡板及角度樣板的制作。

箱體的組立過程在胎架上進(jìn)行，翼板與腹板之間的角度控制非常重要。組立時(shí)必須保證菱形柱裝配對(duì)角線和角度。因此，根據(jù)具體構(gòu)件的特點(diǎn)，在制作中采用焊接定位卡板的方法來進(jìn)行組裝定位，用角度樣板來保證定位角度，如圖5所示。

2.3 焊接因素控制技術(shù)

(1)坡口設(shè)計(jì)。

圖5 定位卡板和角度樣板

由于厚板角接接頭焊接工程量大、難度高且存在嚴(yán)重的層狀撕裂傾向，若采用窄而深的小坡口進(jìn)行焊接，不僅焊縫成形系數(shù)偏小，影響一次結(jié)晶、容易產(chǎn)生區(qū)域偏析，而且在拘束應(yīng)力大的前提下會(huì)導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生;若采用大坡口進(jìn)行焊接，則焊接量大大增加，焊縫的焊接殘余應(yīng)力也大大增加，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力的控制極其不利，同時(shí)也影響工程工期。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB50661－2011規(guī)定，必須對(duì)存在層狀撕裂傾向的厚板焊接接頭采取必要的防層狀撕裂工藝措施。同時(shí)考慮到厚板焊接接頭填充量、焊接質(zhì)量、厚板層狀撕裂等方面的影響，采用坡口角度適中、便于正常情況下焊接的窄間隙焊接(NGW)坡口，如圖7所示。

圖7 坡口大樣

(2)焊接工藝措施。

a.多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)。

多層多道焊及合理的焊接規(guī)范可減小焊接線能量，能有效控制焊接變形和焊接應(yīng)力。在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上(見圖8)，加入焊接接頭每一道次錯(cuò)位連接(見圖9)，以達(dá)到上一層次焊縫對(duì)下一層次進(jìn)行了有效的熱處理，特別適合于厚板的焊接。多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)能夠消除焊接冶金過程中柱狀晶并使晶粒細(xì)化。同時(shí)，對(duì)焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變控制也相當(dāng)有利，能夠提高焊接接頭的綜合性能。

b.道間溫度和保溫措施。

圖8 多層多道焊

圖9 接頭錯(cuò)位焊接

根據(jù)國(guó)家規(guī)范GB50661－2011要求，在焊接過程中，控制最低道間溫度不得低于預(yù)熱溫度。道間溫度應(yīng)在焊縫金屬或相鄰的母材金屬處測(cè)得，測(cè)量時(shí)間選擇在電弧經(jīng)過之前的焊接區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)測(cè)量。由于焊縫較長(zhǎng)，未能焊到之處應(yīng)采取保溫措施(見圖10)，以防止溫度降低過快，如果焊接區(qū)域溫度過低，應(yīng)重新加熱。

圖10 石棉被保溫措施

c.后熱與消氫處理。

為了加速焊接接頭中氫的擴(kuò)散逸出，防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，焊后及時(shí)后熱和消氫處理是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。特別是對(duì)于氫致裂紋敏感性較強(qiáng)的厚板焊接接頭，這樣既可以降低預(yù)熱溫度，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以采用較低的焊接熱輸入使焊接接頭獲得良好的綜合力學(xué)性能。

d.焊縫錘擊消應(yīng)力措施。

在熱狀態(tài)下使用帶有小圓弧面的錘錘擊焊縫金屬，使焊縫得到延展，從而減小焊件的殘余收縮應(yīng)力。錘擊應(yīng)均勻、適度，避免因錘擊過分而產(chǎn)生裂紋。在低于300℃時(shí)，錘擊力不宜過大;在100℃以下時(shí)，禁止錘擊。

2.4 節(jié)點(diǎn)裝配與焊接工藝

本構(gòu)件具有較多的牛腿，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上大量應(yīng)用了50 mm的中厚板。考慮各道工序之間的交叉影響和裝配工序的難度，在操作時(shí)應(yīng)按如下要求進(jìn)行:

(1)在組裝平臺(tái)上根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸，劃地樣線，標(biāo)示各牛腿關(guān)鍵尺寸控制點(diǎn)，建立平面坐標(biāo)系，搭設(shè)簡(jiǎn)易的裝配胎架(見圖11)。在各個(gè)重要控制點(diǎn)所投影的位置打上樣沖眼，以柱本體及節(jié)點(diǎn)部位牛腿后續(xù)復(fù)胎時(shí)使用。

圖11 組裝胎架

(2)根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照“先中間，后兩邊”的裝配合攏原則，先進(jìn)行一塊梯形連接板的裝配，然后將兩菱形柱上胎架，就位好后再進(jìn)行第二塊梯形連接板的定位。菱形柱及板件上胎架時(shí)注意其端頭的基準(zhǔn)控制點(diǎn)，需在平臺(tái)上所畫的地樣用鉛垂線進(jìn)行核準(zhǔn)，如圖12、圖13所示。上述工序完畢后再進(jìn)行梯形連接板與菱形本體之間的主焊縫焊接，焊接時(shí)遵循同向同步對(duì)稱施焊的原則，進(jìn)行分段退焊法焊接，如圖14所示。

(3)依據(jù)“由難化簡(jiǎn)”的指導(dǎo)裝配原則，首先裝配V型牛腿，裝配時(shí)根據(jù)地樣上的關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行牛腿的準(zhǔn)確定位。定位時(shí)，需用鉛垂線對(duì)牛腿的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行檢查，如圖15所示。

(4)以第一個(gè)V型牛腿為參照點(diǎn)進(jìn)行組合異形牛腿的裝配，如圖16所示。裝配時(shí)，先以中間箱型牛腿為基準(zhǔn)進(jìn)行定位，然后定位其余兩個(gè)箱型牛腿，對(duì)于各個(gè)牛腿的關(guān)鍵控制點(diǎn)需用鉛垂線進(jìn)行校核。最后，根據(jù)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”坐標(biāo)檢驗(yàn)牛腿與牛腿之間控制點(diǎn)的尺寸誤差。

圖12 梯形連接板就位

圖13 菱形柱就位

圖14 主焊縫焊接順序及方向

(5)完成上述工序后再進(jìn)行第二個(gè)V型牛腿的裝配。由于V型牛腿與梯形連接板和菱形本體之間的夾角較小，且兩V型牛腿之間的間距較小，無法對(duì)第二個(gè)V型牛腿進(jìn)行全位置焊接。在裝配V型牛腿時(shí)，首先組裝U型牛腿，待牛腿焊接完畢后在進(jìn)行牛腿另一面蓋板的焊接，如圖17所示。

圖15 V型牛腿就位

圖16 異型牛腿裝配

圖17 V型牛腿就位

(6)裝配剩余的H型牛腿和牛腿上零件板，待牛腿全部焊接完畢后再對(duì)構(gòu)件起胎翻面裝配另一面剩余牛腿。裝配完畢后，要求對(duì)各重要控制點(diǎn)進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”實(shí)測(cè)檢查，減小構(gòu)件各部件之間的尺寸偏差，如圖18、圖19所示。

圖18 H型牛腿及零件板的裝配

圖19 菱形組合柱

4 結(jié)論

通過探討菱形組合鋼柱工藝制作技術(shù)方案，兼顧和解決了制作中各環(huán)節(jié)的重難點(diǎn)。通過工裝設(shè)計(jì)，使得異型構(gòu)件在裝配精度上得到了很好的控制。合理的牛腿裝配及焊接順序也使得構(gòu)件整體焊接變形得到了很好的改善，為同類工程構(gòu)件的加工制作提供了參考。

［1］鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范(GB 50661－2011)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］戴為志，高 良.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)及實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］英若采.熔焊原理及金屬材料焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.