菱形組合鋼柱復雜節點制作工藝的研究與應用

張發榮，何志濤，姜殿忠，程 登，夏 旻，王 磊

(湖北精工鋼結構有限公司，湖北 武漢 430312)

0 前言

國內建筑鋼結構呈現出多樣化與復雜化趨勢，繼國家體育場——“鳥巢”鋼結構工程三角柱腳菱形內柱(見圖1)的成功運用之后，菱形結構形式憑借其在建筑結構體系中所體現出的獨特優勢，越來越多的應用到鋼結構工程之中。

隨著我國建筑鋼結構加工領域技術的成熟與行業的迅猛發展，菱形結構也由單一結構的菱形結構向雙菱形結構形式(見圖2)逐步轉型。在結構設計上也由簡單的等截面形式向變截面、多方向、復雜性結構轉變，為國內建筑結構設計在藝術形態上提供了一大亮點，同時，在工藝技術的研究與實踐上也邁出了新的步伐。

圖1 “鳥巢”工程菱形內柱

1 概況

1.1 節點分析

圖2 某觀光塔工程菱形組合柱

菱形組合柱結構主要是由兩根菱形柱本體通過梯形連接板進行組合焊接而成。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。本菱形鋼柱材質選用Q345B低合金鋼，厚度50 mm，重約26 t。構件本體中隔板布置較為密集，節點部位牛腿較多，且結構形狀各異，如圖3所示。

圖3 構件結構

1.2 節點制作的重點與難點

本構件結構形式較為復雜，節點布置比較密集，且涉及的焊接接頭形式主要有對接、角接和角接與對接組合接頭。綜合加工過程中在異型構件工裝設計、裝配和焊接等方面的因素，主要存在如下問題:

(1)設計菱形組裝胎架。

(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 制作工藝技術探究［1－3］

2.1 深化設計出圖模式與加工工藝的結合

鑒于節點構件的復雜化和特殊化結構，工廠加工深化圖紙與制作工藝相結合的模式是保證構件順利加工的前提。經過反復分析與探討，在制作工藝上對深化圖紙出圖模式提出如下要求:

(1)根據構件結構形式所設計的制作胎架，采用“點對點”坐標模式出圖。

(2)針對節點變截形式，需對主體內部各塊內隔板進行定位尺寸的“點對點”標注。

(3)本體合攏為非規則平面，主體及牛腿的定位尺寸控制需提供多點空間“點對點”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“點對點”距離，需在圖面坐標中準確體現。

2.2 工裝設計與制備

(1)組裝胎架的設計。

菱形柱的拼裝與標準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鍵因素。制作一個既能表達出菱形柱角度又能夠便于車間生產制作的簡便化的胎架對生產有著重要的意義(見圖4)。

圖4 菱形柱簡易組裝胎架

(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行，翼板與腹板之間的角度控制非常重要。組立時必須保證菱形柱裝配對角線和角度。因此，根據具體構件的特點，在制作中采用焊接定位卡板的方法來進行組裝定位，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

(1)坡口設計。

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、難度高且存在嚴重的層狀撕裂傾向，若采用窄而深的小坡口進行焊接，不僅焊縫成形系數偏小，影響一次結晶、容易產生區域偏析，而且在拘束應力大的前提下會導致焊接熱裂紋的產生;若采用大坡口進行焊接，則焊接量大大增加，焊縫的焊接殘余應力也大大增加，這對鋼結構體系初始應力的控制極其不利，同時也影響工程工期。根據國家標準 GB50661－2011規定，必須對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。同時考慮到厚板焊接接頭填充量、焊接質量、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.多層多道錯位焊接技術。

多層多道焊及合理的焊接規范可減小焊接線能量，能有效控制焊接變形和焊接應力。在多層多道焊接技術的基礎上(見圖8)，加入焊接接頭每一道次錯位連接(見圖9)，以達到上一層次焊縫對下一層次進行了有效的熱處理，特別適合于厚板的焊接。多層多道錯位焊接技術能夠消除焊接冶金過程中柱狀晶并使晶粒細化。同時，對焊接接頭的應力應變控制也相當有利，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 接頭錯位焊接

根據國家規范GB50661－2011要求，在焊接過程中，控制最低道間溫度不得低于預熱溫度。道間溫度應在焊縫金屬或相鄰的母材金屬處測得，測量時間選擇在電弧經過之前的焊接區域內瞬時測量。由于焊縫較長，未能焊到之處應采取保溫措施(見圖10)，以防止溫度降低過快，如果焊接區域溫度過低，應重新加熱。

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散逸出，防止焊接冷裂紋的產生，焊后及時后熱和消氫處理是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。特別是對于氫致裂紋敏感性較強的厚板焊接接頭，這樣既可以降低預熱溫度，減輕焊工勞動強度，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性能。

d.焊縫錘擊消應力措施。

在熱狀態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力。錘擊應均勻、適度，避免因錘擊過分而產生裂紋。在低于300℃時，錘擊力不宜過大;在100℃以下時，禁止錘擊。

2.4 節點裝配與焊接工藝

本構件具有較多的牛腿，結構較為復雜，在設計上大量應用了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，在操作時應按如下要求進行:

(1)在組裝平臺上根據圖紙設計尺寸，劃地樣線，標示各牛腿關鍵尺寸控制點，建立平面坐標系，搭設簡易的裝配胎架(見圖11)。在各個重要控制點所投影的位置打上樣沖眼，以柱本體及節點部位牛腿后續復胎時使用。

圖11 組裝胎架

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

(3)依據“由難化簡”的指導裝配原則，首先裝配V型牛腿，裝配時根據地樣上的關鍵控制點進行牛腿的準確定位。定位時，需用鉛垂線對牛腿的各個關鍵點進行檢查，如圖15所示。

(4)以第一個V型牛腿為參照點進行組合異形牛腿的裝配，如圖16所示。裝配時，先以中間箱型牛腿為基準進行定位，然后定位其余兩個箱型牛腿，對于各個牛腿的關鍵控制點需用鉛垂線進行校核。最后，根據“點對點”坐標檢驗牛腿與牛腿之間控制點的尺寸誤差。

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行第二個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，無法對第二個V型牛腿進行全位置焊接。在裝配V型牛腿時，首先組裝U型牛腿，待牛腿焊接完畢后在進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構件起胎翻面裝配另一面剩余牛腿。裝配完畢后，要求對各重要控制點進行“點對點”實測檢查，減小構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 結論

通過探討菱形組合鋼柱工藝制作技術方案，兼顧和解決了制作中各環節的重難點。通過工裝設計，使得異型構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件整體焊接變形得到了很好的改善，為同類工程構件的加工制作提供了參考。

［1］鋼結構焊接規范(GB 50661－2011)［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［2］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.

［3］英若采.熔焊原理及金屬材料焊接［M］.北京:機械工業出版社，2010.