天圓地方轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)

張 偉，胡玲娟，寇宗憲，孟玲霄，劉天成

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

天圓地方轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)

張 偉，胡玲娟，寇宗憲，孟玲霄，劉天成

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

介紹天津周大福金融中心項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程中鋼柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的工藝制作。箱型鋼柱與圓管鋼柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)為“天圓地方”構(gòu)造“，天圓地方”構(gòu)件在工廠制作過程中，為控制應(yīng)力應(yīng)變帶來的變形，采取分成4塊的壓制工藝，焊縫數(shù)量由傳統(tǒng)的8條焊縫減少為4條，避免了焊縫交叉問題，減少了焊縫缺陷。根據(jù)焊接變形理論分析，合理安排坡口設(shè)置、組裝順序及焊接順序，減少“天圓地方”構(gòu)件的焊接變形，確保了“天圓地方”構(gòu)件的制作精度。

天圓地方；焊接順序；坡口；壓制工藝；焊接變形

1 工程概況

天津周大福金融中心項(xiàng)目平面呈“L”型布置，分別由塔樓、裙樓及整體地下室組成，涵蓋甲級(jí)辦公、豪華公寓、超五星級(jí)酒店等眾多業(yè)態(tài)。塔樓平面尺寸由底部區(qū)域最大尺寸約62 m×62 m逐步向上縮進(jìn)至塔冠區(qū)域8 m×8 m，屋面頂高度444.350 m，塔冠頂高度530 m。裙樓平面尺寸南北長(zhǎng)約174 m，東西長(zhǎng)約83 m，屋面頂高度22.750 m。結(jié)構(gòu)由4層地下室、5層裙樓和100層塔樓組成，如圖1所示。作為天津國(guó)際化地標(biāo)建筑群中的重要組成部分，該綜合性的國(guó)際現(xiàn)代商業(yè)項(xiàng)目將成為天津形象的代表、“北方之鉆”的象征。

圖1 天津周大福效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

塔樓采用鋼管（型鋼）混凝土外框架＋混凝土核心筒＋帶狀桁架組合結(jié)構(gòu)體系。外框由外框柱、樓層梁和帶狀桁架組成，鋼柱截面形式包括圓管、箱型、SRC鋼骨及異形組合截面等。塔樓F92層在＋434.575 m標(biāo)高處外框柱為箱體轉(zhuǎn)圓管（即天圓地方節(jié)點(diǎn)），材質(zhì)為Q345C。

3 天圓地方轉(zhuǎn)換鋼柱制作重難點(diǎn)[1]

（1）天圓地方節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)做法是采用鑄鋼件形式，本研究則采用焊接件形式。焊接件能否滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)件本身的要求？

（2）箱體和圓管通過天圓地方連接。天圓地方上部與圓管（φ1 000×35）對(duì)接，下部與箱體（□1 000×1 000×35×35）對(duì)接。如何控制天圓地方的下料精度，以保證整體構(gòu)件尺寸。

（3）天圓地方節(jié)點(diǎn)由4個(gè)弧形面和4個(gè)平面組合而成，如圖2所示。采取何種壓制工藝，保證天圓地方成型精度是制作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖2 天圓地方各個(gè)面示意

（4）天圓地方節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，焊縫集中，多條焊縫交叉且都為Ⅰ級(jí)全熔透焊縫。焊接時(shí)熱輸入量大，易造成天圓地方節(jié)點(diǎn)發(fā)生變形且矯正困難。如何有效減小焊接應(yīng)力應(yīng)變，保證焊接質(zhì)量和整個(gè)構(gòu)件尺寸精度，是制作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 鑄鋼件和焊接件的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

（1）鑄鋼件是高碳鋼，焊接性較差；鑄鋼件焊接易產(chǎn)生熱裂紋，熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織而導(dǎo)致冷裂紋。鑄鋼件含碳量高、雜質(zhì)多，并具有塑性低、焊接性差、對(duì)冷卻速度敏感等特性，焊補(bǔ)后容易出現(xiàn)白口組織和產(chǎn)生裂紋[2]。

（2）焊接件具有生產(chǎn)周期短、質(zhì)量輕、所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單（不需木模制作、不需熔煉設(shè)備等）等優(yōu)點(diǎn)。

鑄鋼件和焊接件優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 鑄鋼件與焊接件優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 天圓地方焊接應(yīng)力應(yīng)變控制措施[3]

（1）采取合理的結(jié)構(gòu)形式，在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的情況下，盡可能減少焊縫數(shù)量、焊縫長(zhǎng)度及焊縫面積。

（2）盡可能兩面開坡口進(jìn)行焊接；使結(jié)構(gòu)中所有焊縫盡量處于對(duì)稱位置，避免密集或交叉。

（3）采取必要的工藝措施，焊接過程中控制焊接帶來的構(gòu)件變形。

（4）選用正確的焊接工藝參數(shù)，制定合理的焊接順序，選用合格的焊工。

6 天圓地方轉(zhuǎn)換鋼柱制作技術(shù)

以往天圓地方節(jié)點(diǎn)工藝采取4個(gè)弧形面和4個(gè)平面進(jìn)行組拼，一共有8條對(duì)接焊縫，給節(jié)點(diǎn)尺寸精度要求帶來困難，且同一面2條焊縫需在一點(diǎn)交叉，焊縫質(zhì)量難控制。為解決焊縫質(zhì)量和尺寸精度問題，將天圓地方節(jié)點(diǎn)分成4部分進(jìn)行壓制，焊縫數(shù)量減少為4條，如圖3所示。

6.1 下料

（1）構(gòu)件零件板采用等離子數(shù)控切割機(jī)（帶坡口功能）進(jìn)行下料，四分之一展開圖如圖4所示。

（2）開設(shè)X型坡口，內(nèi)側(cè)和外側(cè)的坡口角度如圖5所示，無間隙，內(nèi)側(cè)清根后焊接。減少拼接焊縫的熱輸入量，減小構(gòu)件焊接變形，保證構(gòu)件表面焊縫美觀。

6.2 零件板成型

壓制前，根據(jù)下料展開圖進(jìn)行噴粉劃線（11道壓制線），然后采用5 000 t油壓機(jī)及專用壓槽進(jìn)行壓制，如圖6～圖9所示。

6.3 組裝

由于天圓地方構(gòu)件4個(gè)面都為曲面，在組裝過程中，平面放置組裝難以準(zhǔn)確定位。為此該構(gòu)件組裝采用立式組裝。

圖3 天圓地方節(jié)點(diǎn)新舊拆分示意圖

圖4 四分之一展開

圖5 坡口示意

圖6 5 000 t油壓機(jī)

圖7 專用壓槽示意

圖8 噴粉劃線示意

圖9 壓制成型

（1）地面放樣。

在拼裝平臺(tái)上，對(duì)天圓地方的方口進(jìn)行放樣劃線。

（2）二分之一構(gòu)件組裝。

根據(jù)平臺(tái)地樣線將2個(gè)壓制合格的四分之一構(gòu)件放置于組裝平臺(tái)上，下部方口對(duì)齊后，由下而上點(diǎn)焊。為防止焊接變形，在上下端口內(nèi)側(cè)對(duì)接處設(shè)置卡瑪進(jìn)行臨時(shí)固定，并在上下端口和中間部位設(shè)置小支撐桿，對(duì)二分之一構(gòu)件端部尺寸進(jìn)行控制。如圖10、圖11所示。

圖10 二分之一構(gòu)件示意

圖11 防變形措施示意

（3）整個(gè)構(gòu)件組裝。

整個(gè)構(gòu)件組裝工藝與上述二分之一構(gòu)件組裝工藝類似。在二分之一構(gòu)件臨時(shí)組焊合格后，在組裝平臺(tái)上進(jìn)行整個(gè)構(gòu)件的組裝，并在端口對(duì)接處和中間部位設(shè)置臨時(shí)連接板和端口支撐桿。

6.4 焊接理論分析[4-5]

構(gòu)件4條主體焊縫要求為全熔透一級(jí)焊縫。為控制焊接過程中的焊接收縮，對(duì)焊接進(jìn)行理論性分析。

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1），減小焊縫截面積（坡口角度由常規(guī)的45°縮小為35°），收縮量與焊縫截面積成正比、與板厚成反比，應(yīng)力應(yīng)變均勻是坡口的均勻影響，坡口事先調(diào)整一致

式中 ε1為焊縫橫向收縮量；K為系數(shù)，K=0.1～0.2；A為焊縫截面積；δ為板厚。

（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2），焊接殘余應(yīng)力和變形是矛盾的雙方相輔相成，可以互相轉(zhuǎn)化，減少一方必須增大另一方

式中 ε2為焊接變形量；σ殘為殘余應(yīng)力；C為常量。

（3）焊縫頂緊不留間隙，以增加應(yīng)力來減少變形，工藝措施采用卡瑪固定焊縫兩側(cè)。

（4）合理安排焊接順序，減少焊接過程中構(gòu)件變形。

（5）焊接過程中，檢測(cè)整體構(gòu)件長(zhǎng)度，可在清根前和整體焊接后進(jìn)行。

6.5 焊接順序

合理的焊接順序可控制好焊接收縮和構(gòu)件變形。單個(gè)焊縫施焊順序如圖12所示：先采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊縫打底焊①→內(nèi)側(cè)焊縫根部進(jìn)行清根②→采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫打底焊和填充③→外側(cè)焊縫采用小車埋弧焊填充④→內(nèi)側(cè)焊縫采用小車埋弧焊蓋面⑤→外側(cè)焊縫采用小車埋弧焊蓋面⑥（見圖13）。

圖12 單個(gè)焊縫焊接順序

圖13 焊縫內(nèi)側(cè)小車埋弧焊蓋面

構(gòu)件焊縫施焊順序如圖14所示。

圖14 構(gòu)件焊接順序

根據(jù)單個(gè)焊縫焊接順序安排整體構(gòu)件焊縫焊接順序，每層（打底層、填充層、蓋面層）對(duì)稱施焊完畢更換焊縫位置。焊縫A和B進(jìn)行對(duì)稱施焊→翻身→焊縫C和D進(jìn)行對(duì)稱施焊。

主體焊縫磨平處理：先采用磨光機(jī)打磨至焊縫高度為1～2 mm，再采用拋光片進(jìn)行打磨，嚴(yán)禁出現(xiàn)焊縫高度低于母材的現(xiàn)象。

6.6 整個(gè)構(gòu)件檢測(cè)

整個(gè)構(gòu)件焊接完畢之后進(jìn)行整個(gè)構(gòu)件檢查調(diào)整，主要測(cè)量圓口和方口的平面度、平行度、圓度等。利用壓力機(jī)對(duì)超標(biāo)的管口進(jìn)行端口調(diào)整，如圖15所示。

圖15 構(gòu)件端口校正

6.7 整體組裝

天圓地方構(gòu)件（見圖16）與上下兩端圓管和箱體在組裝胎架上進(jìn)行整體構(gòu)件的組焊，如圖17所示。

7 結(jié)論

闡述了天津周大福工程中天圓地方構(gòu)件的下料、壓制、加工、制作等一整套加工技術(shù)。通過合理的分塊、先進(jìn)性分塊壓制成型的方法、科學(xué)的裝焊技術(shù)、切實(shí)可行的組裝和焊接方案，節(jié)省了加工成本、減小構(gòu)件焊接變形、質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了現(xiàn)場(chǎng)安裝的需求，進(jìn)而縮短施工工期、降低成本，取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖16 天圓地方構(gòu)件

圖17 整體構(gòu)件

（1）合理的分塊方案。

將天圓地方構(gòu)件的分塊方案由傳統(tǒng)分塊（8塊）減少到4塊，減少了對(duì)接焊縫數(shù)量，同時(shí)采用小坡口工藝，減少了焊接熱輸入量，對(duì)整個(gè)構(gòu)件焊接變形起到良好的控制。

（2）構(gòu)件焊縫質(zhì)量。

構(gòu)件對(duì)接焊縫為全熔透焊縫，超聲波檢測(cè)焊縫，自檢一次合格率100%。通過工藝分析抓住了影響天圓地方構(gòu)件加工制作質(zhì)量的關(guān)鍵所在，通過各工序的精度控制和有效的裝配、焊接順序及措施，確保了天圓地方構(gòu)件的制作精度。

[1]GB50661-2011.鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2012.

[2] 李軍.鑄鐵零件的常用焊接方法[J].汽車維修，2006（1）：12-13.

[3]GB50205-2001.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2002.

[4]戴為志，劉景鳳.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)——“鳥巢”焊接工程實(shí)踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[5]戴為志，劉景鳳，高良.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程應(yīng)用技術(shù)及案例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

Manufacturing technology of"round heaven and square earth"switching nodes

ZHANG Wei，HU Lingjuan，KOU Zongxian，MENG Lingxiao，LIU Tiancheng
（Jinggong Steel Building Group，Shaoxing 312030，China）

The manufacturing technology of steel column switching node in the steel structure engineering of the Tianjin Chow Tai Fook financial center project is introduced in this paper.The switching node with structure of"round heaven and square earth"is used to join the box steel column and circular pipe steel column.In the manufacturing of this switching node in the factory，a pressing technology which divides the switching node into 4 pieces is adopted to control the deformation caused by stress and strain，and the number of welds reduces from eight to four，which avoids the cross of welds and reduces the weld defects.At the same time，according to the theoretical analysis of welding deformation，the set of groove，assembly sequence and welding sequence are reasonably arranged，which reduces the welding deformation of this switching node and ensures its manufacturing precision.

round heaven and square earth；welding sequence；groove；pressing technology；welding deformation

TG457.2

B

1001－2303（2017）05－0085-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.18

2017-02-22

張 偉（1984—），男，工程師，學(xué)士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)施工工作。E-mail：32295540@qq.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張偉，胡玲娟，寇宗憲，等.天圓地方轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：85-89.