大型復雜箱體鋼結(jié)構(gòu)制作工藝分析

□文/董 巖

1 工程概況

天津茱莉亞學院項目地下共2層、地上最高6層，總建筑面積44 965 m2，設(shè)有4個文體館及2個房中房，分別為音樂廳、演奏廳、黑盒劇場、排演廳、音樂廳房中房和演奏廳房中房。文體館由穿過大廳斜對角的五條連廊相互連接，融為一體，連廊中設(shè)有音樂學院的教學工作室、練習室和教室。四個單體均為不規(guī)則多邊形懸挑結(jié)構(gòu)，其中音樂廳西南角為雙向懸挑，最大懸挑達30.05 m，懸挑高度達5.9 m。五條連廊均為大跨度結(jié)構(gòu)，其中連廊A跨度最大，達73 m。主體結(jié)構(gòu)71%采用Q420GJC鋼材，其中60～100 mm厚鋼材占35%。主體結(jié)構(gòu)由47根箱型鋼柱支撐，其中最大箱型鋼柱截面為口1 500 mm×800 mm×100 mm×100 mm；音樂廳獨立房主房結(jié)構(gòu)箱型柱最大截面為□1 800 mm×800 mm×60 mm×60 mm。

2 工程重難點

2.1 復雜箱體構(gòu)件和鋼柱復雜節(jié)點的加工制作

1）鋼柱結(jié)構(gòu)板厚均較大，大部分板厚60～100 mm，最大板厚達100 mm。鋼柱、鋼牛腿焊接坡口均為全熔透焊縫，節(jié)點數(shù)量多，桿件角度變化大，組裝精度要求高，大量的構(gòu)件需要采用端部銑平、精密制孔，工廠組裝焊接后的構(gòu)件內(nèi)應力大。

2）鋼柱與桁架、鋼梁連接處，由于結(jié)構(gòu)體系以及節(jié)點構(gòu)造要求，節(jié)點受力較大且構(gòu)造非常復雜，鋼柱與上述部位連接的節(jié)點不管是外形尺寸、節(jié)點重量、還是復雜程度均是本工程最難處理的地方。鋼柱與矩形連接節(jié)點處構(gòu)造難處理且厚板焊接工作量極大，焊接變形難以控制；另外鋼柱與上述部位的連接節(jié)點大部分屬三超構(gòu)件，加工制作還要考慮到節(jié)點的運輸外形尺寸滿足要求。

2.2 厚鋼板的焊接質(zhì)量

鋼材材質(zhì)為Q345、Q420 等，板厚最厚達100 mm，存在焊接性較差、層狀撕裂傾向嚴重、焊接殘余應力大、焊接變形對精度的影響等不利因素，嚴重影響焊接質(zhì)量。厚板的焊接質(zhì)量對本工程有直接影響，焊接過程中易產(chǎn)生嚴重的角變形、扭曲變形、局部或整體變形，若焊接變形得不到有效控制，將會直接導致構(gòu)件的外形尺寸精度嚴重超差，構(gòu)件精度根達不到設(shè)計、規(guī)范要求，特別是會給安裝帶來施工難度；因此防止層狀撕裂，保證接頭質(zhì)量和接頭的延性、韌性，減小焊接變形及殘余應力，確保高強鋼厚板焊接質(zhì)量是本工程的重點。

2.3 焊接殘余應力的消減

由于厚板焊接多為封閉的箱形結(jié)構(gòu)，焊接填充量大、應力相當集中；但高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件從制作到安裝一般周期僅為15 d左右，使得構(gòu)件內(nèi)大量的焊接殘余應力無處釋放。若構(gòu)件的大量殘余應力得不到釋放，將會對構(gòu)件的承載能力、抗疲勞強度產(chǎn)生極大的影響，易造成結(jié)構(gòu)脆性斷裂。所以，如何采取經(jīng)濟合理的工藝措施，來消除(降低)構(gòu)件內(nèi)的殘余應力是本工程加工制作的一大難點。

3 解決措施

3.1 復雜節(jié)點制作

3.1.1 超厚鋼板矯平

1）厚度＜80 mm 的鋼板，采用專用的七輥矯平機對下料后的零件進行矯平，確保每個零件平整度達＜1 mm/m2的要求。

2）厚度＞80 mm 鋼板，采用大噸位的液壓壓力機對下料后的零件進行矯平，鋼材矯平方法：在凸起處施加壓力并用厚度相同的墊鐵（圓鋼或扁鋼）在凹面兩側(cè)支撐工件，使工件在強力作用下發(fā)生塑性變形，以達到矯正的目的。

3.1.2 重型組裝平臺

為保證組裝精度，特別是組裝間隙的控制，必須采用專用組裝胎架進行組裝。根據(jù)構(gòu)件、節(jié)點的外形特點、制作工藝要求，在重型平臺上制作重型整體組裝胎架。組裝胎架上口水平度必須保證≯0.5 mm，超差必須進行修正。

3.1.3 優(yōu)化組裝方法和焊接工藝

合理選擇焊接坡口形式、制定焊接反變形措施、優(yōu)化組裝方法和焊接工藝等一系列工藝措施控制鋼柱的組裝精度及焊接整體變形。

對超厚板的焊接盡量采用窄間隙小坡口焊接工藝，節(jié)點牛腿盡量采用雙數(shù)焊工對稱焊接控制焊接變形；焊后采用振動消應力工藝消減節(jié)點焊接應力。

3.1.4 構(gòu)件端口整體端銑加工

對驗收合格的構(gòu)件轉(zhuǎn)移至端面機加工平臺，在平臺上定好中心線和水平度，進行上下端面的端銑加工，端銑加工過程中應注意以洋沖印作為基準，端銑后應留半只洋沖印，通過端銑機加工控制端口尺寸精度。

3.2 應力消減

3.2.1 設(shè)計階段

1）復雜的節(jié)點能最大限度的解體成施工部件。

2）各施工部件能最大限度的利用機械化設(shè)備進行組裝。

3）各施工部件在焊接時能最大限度的減少焊接拘束度。

4）部件組裝時各部件結(jié)合面盡可能為一個平面內(nèi)，焊接時不存在二個方向且相互影響的焊接收縮變形。

5）組成各部件的若因鋼板厚度不同而需拼裝時，其拼接縫必須貫穿鋼板整個寬度方向，不可形成凹槽形的拼接縫。

3.2.2 加工制作階段

1)提高零件切割精度。

2)鋼板切割后進行整平處理，及時消除熱切割應力。

3）提高部件組裝精度，減小焊縫間縫偏差。

4）部件組裝焊接完成后及時消除焊接變形和焊接應力。

3.2.3 焊接階段

1）擴大構(gòu)件在焊接過程中自動焊和CO2氣體保護焊的使用范圍。

2）根據(jù)本項目焊接工藝評定試驗所確定的焊接工藝參數(shù)編制科學合理的焊接工藝文件，含施工順序、每條焊縫的焊層與焊道的劃分及每條焊道的焊接方向。

3）箱型構(gòu)件厚板焊接采用小角度坡口，以減少焊接熱輸入量及減小焊接殘余應力。

3.3 典型構(gòu)件節(jié)點形式焊縫要求

1）牛腿節(jié)點位置焊縫要求見圖1。

圖1 牛腿節(jié)點位置焊縫

2）本體縱肋、內(nèi)隔板焊縫要求見圖2和圖3。

圖2 本體縱肋焊縫

圖3 內(nèi)隔板焊縫

3.4 反變形

1）H 形鋼牛腿面板按中心3 mm 高度壓制反變形。面板厚度≥2 倍腹板厚度形式的H 形鋼牛腿面板取消反變形壓制。見圖4。

圖4 H形鋼反變形

2）典型結(jié)構(gòu)一箱型牛腿下面板伸出位置壓制179°反變形。見圖5。

圖5 典型結(jié)構(gòu)一反變形

3）典型結(jié)構(gòu)二箱型牛腿對應H 形鋼上面板伸出位置壓制178.5°反變形。見圖6。

圖6 典型結(jié)構(gòu)二反變形

4）典型形式三箱型柱內(nèi)部通長縱肋與鋼柱壁板預先制作H 形鋼形式，對應鋼柱壁板壓制179°反變形。壁板厚度≥2 倍縱肋厚度形式的取消壁板反變形壓制。見圖7。

圖7 典型結(jié)構(gòu)三反變形

4 結(jié)語

本文對復雜箱型構(gòu)件、鋼柱復雜節(jié)點的加工制作、厚鋼板的焊接質(zhì)量、焊接殘余應力的消減的解決措施進行了論述分析，總的原則是優(yōu)化組裝方法和焊接工藝，控制組裝精度及焊接整體變形。