大型場館類建筑箱形人字柱制作及安裝

馬艷飛 王俊偉 孫 浩 周 磊 李 晨

中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125

隨著我國場館類建筑的大規模建造，傳統出現在變電站塔架中的人字柱[1]，逐步出現在場館類鋼結構中，如在昌南體育中心出現高度為18 m的箱形人字鋼管混凝土柱，箱形人字柱的現場對接焊之定位及焊接變形控制是工程中的重難點[2]。在實際工程中遇到的人字柱工廠制作、現場安裝施工的問題，有構件工廠制作的質量缺陷，也有現場地面拼裝精度及安裝質量的影響。針對這些問題，結合建設工程所實施的箱形人字柱特點，在優化制作工藝的基礎上提出了針對性的制作方案，再通過有限元分析軟件對吊裝進行模擬分析，以有效指導工程實施。

1 工程概況

國家會展中心（天津）項目一期展館項目總建筑面積約48萬 m2；鋼結構包含展廳區、交通連廊和中央大廳三部分，總用鋼量約11萬 t。其中展廳單跨84 m，2個展廳總長186 m，高度23.3 m。人字柱位于展廳區和交通連廊區，2個展廳區含人字柱36根，A、B類人字柱各18根。

如圖1所示，A類人字柱與B類人字柱的區別在于采用節點的形式，A類人字柱柱腳采用固定連接的方式，B類人字柱采用鉸接的方式。這是由結構受力特性決定的，可有效地避免因柱腳端彎矩過大導致的結構應力集中的問題。

圖1 A類人字柱（左）和 B 類人字柱（右）

圖2 人字柱加工分段示意

單個展廳人字柱共18根（A類、B類各9根），A類人字柱質量為25 t，B類人字柱質量為35.1 t。人字柱分3段在加工廠加工（圖2），在現場用50 t履帶吊拼裝為整體后，用130 t汽車吊負責吊裝就位。人字柱分段1長16.5 m，寬2.81 m，質量為19.1 t；分段2長15.0 m，寬1.81 m，質量為17 t；分段3長1.0 m，寬0.60 m，質量為0.4 t。

本工程主體結構鋼柱、主梁、次梁的材質均采用Q355B，對于板厚≥40 mm的鋼板應采用厚度方向性能鋼板，板厚40 mm～＜60 mm的鋼板采用Q355B-Z15，板厚60 mm～＜80 mm的鋼板采用Q355B-Z25，板厚≥80 mm的鋼板采用Q355B-Z35；鑄鋼材料采用G20Mn5QT；銷軸材料采用40Cr鋼材，銷軸應進行熱處理，表面鍍鋅。

2 人字柱加工制作過程

2.1 切割

首件切割后應進行自檢，合格后進行批量切割。氣割精度要求如圖3所示，當板厚＜30 mm時，僅腹板開坡口，當板厚≥30 mm時，蓋板和腹板均開坡口。

圖3 焊縫形式

2.2 組對

蓋板、腹板內表面畫出隔板定位線及加勁肋定位線，定位線偏差不得超過±1 mm；縱肋預留隔板裝配間隙，間隙偏差為0～3 mm。

2.3 焊接

每條縱肋焊接采用2臺半自動氣保焊小車從中間向兩端同時相向施焊。焊接完成后進行火焰矯正，蓋板的平面度不得超過2 mm/m。

2.4 組裝

1）在裝配胎架上鋪設寬900 mm的蓋板單元件，然后立隔板，隔板在構件長度方向的偏差不得超過±2 mm，隔板左右側的定位偏差不得超過±1 mm。隔板與底板進行定位焊接，焊角大小不超過6 mm，定位焊縫長度不短于40 mm，凈間距350～550 mm。

2）在胎架上立直腹板和斜腹板，上胎后與隔板進行定位焊接；主焊縫進行定位焊接。

3）對U形槽口里的焊縫進行焊接，對主焊縫進行打底焊接。對變形處進行火焰矯正。對隱蔽焊縫進行檢查驗收。

4）扣蓋板，部分箱形柱頂板在柱頂側處預留1 500 mm的封口段（避開隔板）。焊工進入腔室內焊接隔板和蓋板的焊縫，焊接完后，嵌入封口蓋板，進行對接焊，焊接完成后箱體高度及寬度偏差在±2 mm范圍內。

5）清理、矯正，并對組裝后的箱體尺寸進行檢驗，確保滿足規范要求。

3 特殊部位制作

3.1 A、B類柱帶大頭梁的構件焊接

整體焊接順序與鋼柱焊接順序相同，但是由于柱頂側帶有箱形橫梁并且柱頂側隔板開孔尺寸過小，人無法通過，故采用預留一段長1 500 mm的蓋板最后焊接，焊工可以從此處進入箱體內焊接，待最后主箱體內部焊接完成之后，再進行預留段的裝配焊接。具體焊接順序如圖4所示。

圖4 各類焊縫焊接順序

圖4中：①處的板在工人焊完所有箱內焊縫之后，在外側將此板與隔板進行全熔透拼接；②處加勁板待焊完最后一道隔板后再進行裝配焊接；③處的隔板安裝時，需對隔板周圈進行焊接；④處的隔板安裝時，在3面安裝鋼襯墊，進行全熔透焊接；⑤處待③處的隔板未焊接邊全部焊接完成后，扣上預留段，再進行主焊縫的焊接及蓋板對接；⑥處焊接前需先安裝電渣焊隔板，然后再蓋上柱頂蓋板；⑦處的箱形柱壁板與頂板需加鋼襯墊進行全熔透焊接。

3.2 箱形本體火焰矯正

1）箱形柱焊接完畢，在完全冷卻后會發生彎曲變形，應矯正。箱形本體一般采用火焰矯正。火焰矯正時，其溫度值應控制在700～800 ℃之間，同一部位加熱矯正不得超過2次。矯正后，應緩慢冷卻，低合金鋼不得用水驟冷。

2）火焰加熱的位置應選擇在金屬纖維較長的部位，加熱形式一般有局部點狀加熱和三角形加熱2種。

3）三角形加熱高度與底部寬度為型材高度的1/5～ 2/3。不同的火焰熱量加熱，可獲得不同的矯正能力，低碳鋼構件用火焰矯正時，常采用600～800 ℃的加熱溫度，低合金鋼加熱溫度為750～900 ℃，緩慢冷卻，不允許水冷。

3.3 銷軸的制作

支座底板加勁的組裝焊接，所有過焊孔處處理好焊接封頭，不封焊（圖5）：

1）2件加勁板1與1件加勁板3的組裝焊接，開坡口全熔透焊接，焊接完后進行火焰配合千斤頂的矯正，加勁板1的角變形不得超過3 mm。

2）加勁板2與加勁板3的組裝焊接，焊接完成后需進行火焰矯正。

圖5 銷軸制作組成

3）支座底板下部加勁組合件與支座底板進行裝配及定位焊。

4）加勁板4、5、6在支座底板上裝配定位焊及之間的定位焊接。進行加勁板4、5、6與底板的打底焊接。

5）支座底板下部加勁組合件與底板的全熔透焊接；進行加勁板4、5、6與底板、各加勁板間的填充及清根焊接；進行加勁板4、5、6與底板、各加勁板間的蓋面層焊接。

6）對焊接完后的部件進行尺寸檢查，變形較大處進行火焰矯正，確保4件加勁板4同一位置處的凹槽標準一致，偏差不超過±2 mm。

7）對支座進行尺寸復核、焊縫外觀檢驗、焊縫超聲波無損檢驗。

8）銷軸上加勁與主箱體的裝配，要求槽口同一位置處的標高一致，然后進行焊接。

焊接采用工藝允許的較小電流、電壓參數，較快的焊接速度，直線焊接，不允許擺動焊，每層的填充厚度不得超過4 mm。每件銷軸加勁板1與同一壁板間的焊縫按每層交替焊接，每焊接完4層后即將構件翻身，進行對面側的焊接，如果發現變形過大，應及早翻身焊接。

制作難點：箱形扭曲控制，A柱柱腳銷軸焊接空間狹小，焊縫密集，鋼板厚度較大。因構件分段制作，箱體口形控制須保證精度及角度。分段鋼柱1柱頂板平面度及與分段鋼柱2相接短箱體間的平面度、扭曲、口形的控制。

組對箱形時，必須在測平的平臺板上進行，將人字柱箱體蓋板及腹板水平擺放至平臺上，測量板材直線度。有旁彎的必須矯正。組對前對所有焊接區域進行打磨，清除油、水、銹等雜質，箱體內部隔板檢查直角及串角，焊好銑平的電渣焊襯板，保證隔板與箱體外側頂板的直角，且電渣焊襯板高于腹板1 mm，便于后期箱體成形時蓋板與電渣焊板嚴密接觸，防止焊縫間隙過大造成漏渣，影響焊接。隔板點焊好后，將裝好襯墊板的兩側腹板組立到底板與隔板上，采用夾具臨時固定，形成槽體。先將腹板與底板進行點焊，禁止對隔板點焊。當腹板與底板點焊牢固后，測好兩端箱體兩腹板上邊緣水平，保證無扭曲，才可對箱體內部隔板進行點焊加固，對兩端頭進行臨時支撐點加固，保證箱體端部尺寸，加固好后進入槽形焊接環節。

焊接時，要求所有焊工必須持證上崗，對施焊構件焊接工藝熟悉掌握。焊接時嚴格按照焊接工藝進行施焊。焊接所用焊材經檢驗合格，符合本工程要求方可進行施工。構件焊接時需在測平的平臺或馬凳上進行，使用馬凳做平臺焊接時，馬凳必須有3條以上，墊位要求平均，防止焊接后因自重產生變形。焊接順序要嚴格按照由中心向兩側施焊，以便于釋放焊接應力。

4 施工安裝

人字柱在地面分3段放平拼裝，利用履帶吊進行翻身，實現從水平到垂直的過程，對這個過程進行了有限元的分析，保證施工的安全性。分析中取不同的吊裝階段，分別對其應力、變形、吊繩拉力進行分析，模擬出整個吊裝過程中人字柱的受力形態。

階段1：人字柱底端著地，頂端一端在鋼絲繩的牽引下逐漸立起，與地面夾角30°位置。

階段2：人字柱與地面夾角45°位置。

階段3：人字柱與地面夾角60°位置。

階段4：人字柱與地面夾角90°且底端脫離地面，保持該設計角度，安裝到位。

通過有限元分析后知：構件應力最大值出現在階段1，位于人字柱下段中間區域，為15.4 MPa；吊點反力出現在階段4，吊繩的拉力為115.9 kN；構件變形出現在階段1，出現在人字柱中間區域，最大變形為4.37 mm。分析的各項指標均未超過要求，能滿足施工需求。

5 結語

通過對國家會展中心（天津）展館區箱形人字柱工廠制作、現場拼裝、高空吊裝的研究，對制作過程中的各個環節的嚴格控制以及吊裝過程中的有限元分析計算，有效指導了工程實施，確保了國家會展中心展廳鋼柱安裝精度，并得到了以下成果。

1）論述了箱形人字柱的結構、節點形式，針對運輸及安裝要求對人字柱進行分段，實現了制作少分段，現場易拼裝的要求。

2）針對性地給出了箱形人字柱加工工藝，并對具體工序進行嚴格控制和把關，指導工廠工人制作，實現構件的高質量焊接和矯正，避免返工。

3）對工程現場箱形人字柱的吊裝過程進行有限元模擬，實現吊裝過程中應力、位移的可控，同時吊繩的拉力為吊裝設備的選型提供計算依據。

[1] 任源,柳兆濤,邱新剛,等.變電站新型H型鋼人字柱的研究[J].鋼結 構,2016,31(9):73-76.

[2] 嚴銳.大型人字箱形鋼柱和大跨度懸挑圓鋼管桁架的施工[C]//中 國建筑金屬結構協會.裝配式鋼結構建筑技術研究及應用.北京:中 國建筑金屬結構協會,2017:182-187.