關于超高層鋼結構構件的加工方法研究與應用

馬元學

(甘肅省科工建設集團有限公司 ，甘肅 蘭州 730300)

1 工程概述

蘭州鴻森銀灘廣場項目總建筑面積48.6萬m2，1#樓建筑面積為8.7萬m2，11#樓建筑面積為3.2萬m2。項目單體分布示意圖及典型構件形式如圖1所示，其中1#樓為框架-核心筒結構，建筑高度為215.6m，地下3層地上45層，最高層高(負一層)為7.4m，轉換層層高為5m，標準層層高為4.2m。鋼結構構件主要包括型鋼混凝土柱和勁性鋼梁。11#樓為剪力墻型鋼結構，建筑高度為161m，地下3層地上31層，最高層高(負一層)為7.2m，轉換層層高為5m，標準層層高為4.8m。鋼結構鋼構件主要有型鋼混凝土柱和勁性鋼梁，鋼材材質主要為Q355B、Q235B。此項目典型的構件形式主要為：十字型鋼骨柱、H型鋼骨柱、十字對接柱、H型對接鋼柱、十字柱牛腿與鋼梁連接、H型鋼梁[1]。

圖1 蘭州鴻森銀灘廣場項目單體分布示意圖及典型構件形式

2 焊接H型構件加工工藝

2.1 焊接H型構件加工工序及工序說明

焊接H型構件的主要加工工序為：鋼板校平、鋼板對接、數控下料、開設坡口、T型鋼組裝、H型鋼組裝、主焊縫焊接、H型鋼校正、端頭加工及劃線、H型鋼制孔、裝焊牛腿及筋板、尺寸檢查[2]。

鋼板下料前進行校平，平面度控制在1mm之內，消除鋼板內應力，提高切割質量和下料精度；鋼板需對接加長時，采用坡口全熔透焊接，小車式自動埋弧焊機焊接對接焊縫，反面碳弧氣刨清根，焊后及時進行超聲波檢測；H型鋼腹板和翼緣板采用多頭火焰切割機同時進行切割下料，可使板材兩側均勻受熱，避免產生彎曲變形，下料時預留焊接收縮余量；腹板坡口采用小車式自動火焰切割機進行切割成型，切割后需對坡口及周邊進行打磨及清理，保證焊接質量；T型鋼組立在型鋼組立機上進行，可保證腹板和翼緣板的垂直度，并用CO2氣保焊進行定位焊接，定位焊長度為40mm～60mm，間距300mm～600mm；組立機上T型鋼組裝另一翼緣板時，液壓頂緊后用CO2氣保焊進行定位焊接，定位焊長度為40mm～60mm，間距300mm～600mm；H型鋼主焊縫采用門型埋弧焊機進行焊接，并采用合理的焊接順序，減少焊接變形，保證H型鋼加工質量[3]，H型鋼兩端頭設置“T”形引弧板及引出板，焊后及時進行超聲波檢測；H型鋼焊接變形優先采用H型鋼矯正機進行矯正，當翼緣板較厚時，輔以手工火焰矯正，保證翼緣板垂直度；H型鋼采用半自動火焰切割機進行端頭余量切割及坡口加工，然后在其上劃出牛腿/筋板組裝的基準線、定位控制線以及制孔線；H型鋼的制孔優先采用三維數控鉆床，鉆孔前先放出H型鋼的中心線，再由中心向兩端分尺寸，在孔中心放出孔位的十字中心線；裝配H型鋼牛腿及筋板，精確定位后點焊固定，然后用CO2氣保焊進行焊接，牛腿可預先裝焊成一個單體部件，矯正制孔后再與H型鋼本體裝配；矯正后進行尺寸檢查，包括H型鋼本體的外形尺寸、牛腿及筋板定位尺寸、孔定位尺寸等，并做好相關記錄，如有偏差應及時調整。

2.2 關鍵工序控制點

鋼板校平控制點：鋼板平面度控制；對于≤14mm鋼板，控制在1mm 以內；對于>14mm 鋼板，控制在 1.5mm 以內。

鋼板對接關鍵控制點：對接高低差，對于≥25mm，偏差≤1mm；對于<25mm，偏差<0.5mm；角度偏差<5°，根部間隙偏差≤2.0mm；加設對接引熄弧板，焊后及時超聲波檢測。

開設坡口關鍵控制點：角度偏差<5°，開設好坡口后，必須使用砂輪機對坡口內的氧化鐵進行打磨，去除毛刺及氧化鐵，為后續焊接做好前期準備工作，保證焊接質量。

H型鋼制孔關鍵控制點：孔的直徑、圓度及垂直度；同組孔內任意兩孔間距，當 L小于等于500mm 時偏差為±1.0mm，當 L大于500mm時偏差為±1.5mm；相鄰兩組的端孔間距，當 L大于3000mm時偏差為±3.0mm；當L在 120mm至3000mm時，偏差為±2.5mm；

3 焊接H型鋼梁起拱工藝

根據設計文件及相關國家規范的規定，跨度較大的鋼梁必須在工廠制作預拱度。鋼梁起拱工藝主要有三種方法：冷加工起拱如圖2、火校起拱如圖3、腹板下料起拱如圖4。

圖2 冷加工起拱示意圖(液壓油頂法)

圖3 火校起拱示意圖(三角形加熱法)

圖4 腹板下料起拱

冷加工起拱工藝是采用油壓機配以專用的工裝設備進行，加工時將 H 型鋼吊上專用加工平臺徐徐進行壓制，壓制過程中用專用樣板進行測量，最終達到所要求的拱度。

火校起拱利用熱脹冷縮原理，采用烘槍對 H 型鋼的面、腹板進行火焰加熱，加熱時根據經驗選定幾個加熱部位(起拱點)，而后對各個部位采用三角形加熱法進行集中加熱，加熱溫度控制在 800～900℃，但不得超過 900℃，同一部位加熱不得超過兩次，加工過程中采用樣板或拉線測量的方法進行觀測其拱度，直至符合要求。冷卻時自然冷卻，嚴禁冷水降溫。

腹板下料起拱是利用鋼梁腹板的下料形狀來控制鋼梁的起拱，鋼梁腹板可采用數控排版、切割下料成型，然后再與翼緣板裝焊。

4 十字型構件加工工藝

4.1 十字型構件加工工序及工序說明

十字型構件的主要加工工序為：鋼板對接、數控下料、組裝H型構件、T型鋼小合攏組裝、十字中合攏組裝、焊接。

鋼板對接焊后對焊縫余高采用砂輪機打磨平整，方便后續對鋼板進行矯平；鋼板下料前檢查鋼板是否平整，如果不平整使用矯正機進行矯正，矯正后使用數控下料機進行下料，下料后進行二次矯正處理；使用H型鋼組立機進行H型鋼的拼裝，當遇到腹板和翼板有對接焊縫時，必須要錯開，避免翼板和腹板的拼接焊縫位置重疊，以免影響型鋼的結構強度，拼裝后按焊接工藝要求進行焊接和矯正，矯正時如果型鋼變形較大可采用機械矯正，如果變形較小可以采用火焰矯正，火焰矯正溫度不能超過900℃，不能使用澆水降溫方式冷卻，防止鋼材性能改變影響強度。焊接十字型鋼拼裝時，將H型鋼平放于胎架上，并在型鋼腹板上找到T型鋼定位線，確定位置后，拼裝T型鋼并進行點焊，然后將構件翻轉180°固定于胎架上，用同樣的方法將另一個T型鋼進行拼裝并點焊，拼裝時必須保證T型鋼的垂直度與直線度。焊接時主焊縫位置必須使用全熔透焊接，焊接完成后必須對主焊縫進行超聲波檢測探傷，保證焊縫質量。

4.2 十字型構件加工工藝細則

十字柱是由一根焊接H型鋼與二根焊接T型鋼拼焊而成，下面將其制作過如下。

4.2.1 焊接H 型鋼拼裝

1)焊接H型鋼是由兩條翼緣板與一條腹板拼裝而成，焊接H型鋼拼裝由專用H型鋼組立機進行拼裝，拼裝時為保證焊接H型鋼的截面尺寸，拼裝時多預留2mm的拼裝余量，避免后續焊接時收縮造成截面尺寸變小，保證外觀尺寸質量。

2)當遇到焊接H型鋼尺寸過長時，影響板料的轉運及組立時，必須對焊接H型鋼進行分段處理，為保證焊接H型鋼的強度，分段位置不能在焊接H型鋼的中間位置，應在焊接H型鋼兩頭1/3處，且最短的焊接H型鋼的長度必須大于500mm。

3)焊接H型鋼對接焊縫質量要求為全熔透一級，當鋼板厚度小于等于10mm時，采用I型對接形式；鋼板厚度為10mm～20mm之間時，采用單面斜坡口，正面焊接完成后，反面要進行清根焊接；當鋼板厚度大于20mm，采用雙面坡口焊接，焊接完成后必須進行超聲波探傷。

4)當環境溫度低于零下20℃時嚴禁焊接。當環境溫度低于0℃時，不能直接進行焊接作業，必須先采取加熱及保溫措施，須將母材坡口施焊處100mm的范圍內進行火焰加熱，至少加熱到20℃以上溫度才可以進行焊接作業，且在焊接過程中要進行保溫處理，保證溫度不能低于20℃。

5)焊接H型鋼焊接前必須對焊縫進行砂輪機打磨處理，將焊縫內的氧化鐵及其它雜質去除干凈，漏出金屬光澤，保證焊接質量，防止出現氣孔、未熔透、夾渣等焊接缺陷。

6)焊接H型鋼的焊接順序應遵循的原則：應使焊接變形和收縮量最小；應使焊接過程中熱輸入量平衡；收縮變形量大的焊接位置先焊，收縮量小的焊接位置后焊，H型鋼焊接如圖5所示。

7)當H型鋼焊接完成后，檢查翼板和腹板是否存在變形，如果發現變形，必須進行矯正處理，當采用火焰矯正時，為保證強度，火焰溫度不能高于900℃，冷卻過程中不能使用澆水方式進行降溫，必須使用空冷的方式進行緩慢冷卻。

圖5 H 型鋼焊接

4.2.2 焊接T型鋼拼裝

焊接T型鋼是將一個焊接H型鋼從腹板長度方向中心處進行切割，得到兩個焊接T型鋼，T型鋼切割采取半自動小車式切割機在專用胎架上進行切割；由于考慮切割產生的變形，腹板采取均勻間隔切割方法：每氣割2000mm保留10mm的間隔；組立、焊接好、矯正好H型鋼后剖割T型鋼。

4.2.3 焊接十字型鋼拼裝

1)焊接十字型鋼拼裝如圖6

圖6 焊接十字型鋼拼裝

2)焊接十字型鋼拼裝時在胎架上進行拼裝，在焊接H型鋼的腹板上確定好焊接T型鋼的拼裝位置并進行劃線標記，將T型鋼吊裝到標記位置后進行拼裝，并進行點焊，然后將構件翻轉180°固定于胎架上，用同樣的方法將另一個T型鋼進行拼裝并點焊，為保證截面尺寸，拼裝時應預留2mm的收縮余量，保證焊后截面尺寸要求，拼裝時必須保證T型鋼的垂直度與直線度。

3)檢驗合格后進行焊接，焊接時在專用胎架上進行。

4)焊接后檢查外觀質量，如果發現有變形，應進行矯正處理，確保焊接十字型鋼的外觀截面尺寸符合規定要求。

5 結語

綜上所述，結合實際案例，分析了超高層鋼結構H型構件及十字型構件的加工方法，分析結果表明，超高層鋼結構H型構件及十字型構件是超高層鋼結構建筑的主要結構形式，其成本低、抗震強、裝配程度高、工期短、性能好等優點得到了廣泛應用。但在實際生產加工過程中，影響加工質量和精度的因素較多，任何一個細節把控不嚴，都會影響施工質量。因此，需要嚴格按照H型構件、十字型構件加工工藝執行，尤其是在構件拼裝過程中，需要嚴格控制好工序、材料、人員、設備，以最大限度保證超高層鋼結構構件的加工質量，在焊后矯正處理時，嚴格按照規定要求進矯正，保證構件外觀尺寸符合規范要求。