變截面十字箱形柱的制作裝配工藝

李 晨 杜小康 王津晶 鄭康洋

中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125

隨著我國國民經濟建設的快速發展，大量的高層建筑拔地而起，其中鋼結構建筑所占的比例越來越大[1]。大型場館類建筑主體鋼結構中常采用箱形柱，為了優化柱的受力情況，也采用十字柱的形式。

但十字箱形柱在制作過程中出現的易變形、難度大等特點[2]，是成品質量控制的重難點。只要能有效地控制十字柱和箱形柱的拼裝焊接質量，即可在施工過程中極大地加快進度[3]。

針對實際工程中遇到的十字箱形柱體量大、中間隔板多、施焊空間狹小、易漏焊、焊縫等級要求高等特點，從該類型構件的總體工藝入手，通過三維工藝模擬及焊接有效空間分析，總結出制作過程中的裝配控制要點、全熔透焊接特點，并對整個制作的各個環節進行工藝控制，制定工藝質量控制文件指導工人操作，從而實現高質量的構件制作。

1 工程概況

國家會展中心（天津）項目位于天津市津南區，分為16個展廳、中央大廳以及交通連廊3個主體部分，均采用鋼結構為主體框架，總用鋼量約110 000 t[4]。其中，中央大廳屋蓋由32個樹形結構組成，頂部截面為30 m×30 m，標高32.80 m，用鋼量18 000 t。該工程造型獨特，施工工藝復雜。鋼結構安裝完成的結構形式及屋蓋結構體系如圖1所示。

圖1 中央大廳鋼結構模型

樹形結構的底部為十字箱形柱構件，由于箱體壁板組成的空間太窄、太深，造成施焊空間狹小，全熔透焊縫的焊接質量難以保證（圖2），為保證箱體壁板之間的焊縫質量，本文對十字箱形柱的制作及裝配順序進行說明。

2 重難點分析

變截面十字箱形柱的制作裝配工藝十分復雜，主要難點在于需要將十字柱斷開，分別對各部分進行處理，然后再進行整體裝配。在斷開后對各部分進行處理時，要根據不同部位的不同要求進行全熔透、部分熔透或者不熔透等；整體裝配時，也要對不同位置的裝配進行分別處理，整個過程需要對工序進行科學組織，對施工提出了較高的要求[5-8]。

圖2 十字箱形柱模型三維

3 十字箱形柱各部分裝配

3.1 十字箱形柱斷開

首先十字柱需要從中間斷開，分成4個部分分別單獨進行制作（圖3）。斷開后，傘柱分成了2個寬1.2 m和2個寬1.4 m的箱體部件：2個寬1.2 m的箱體在隔板接口處斷開，2個寬1.4 m的箱體在最中心的隔板中間一分為二，斷口處開R＝35 mm過焊孔；柱底板和頂部中心處隔板不斷開，傘柱整體組焊時，再進行裝配焊接。

圖3 十字柱斷開示意

3.2 十字箱形柱箱體部件的裝配、制作

傘柱制作時，箱體壁板下料時柱頂加了30 mm的余量，每個單元件制作完成后，復核整體尺寸，先去掉柱頂20 mm的加工余量，留出10 mm的端銑余量，在箱體組成十字形之后，進行端銑。傘柱的水平隔板要全部增開透氣孔。箱體內增設的工藝隔板，可用厚14 mm或14 mm以上、寬50～60 mm的板條拼接制作，一定要嚴格控制工藝隔板的外形尺寸。

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3.2.1 寬1.4 m箱體部件分步裝配順序

1）全熔透隔板位置的裝配（圖4）。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置中間，并且要與端頭壁板之間留出間隙，避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內部隔板后采用電渣焊雙夾板，使此處的隔板長度減短25 mm；內隔板進行全熔透、不探傷，開R=35 mm過焊孔，并且此處的隔板與內部通長加勁板不再焊接；裝另一側壁板，同樣開R=35 mm過焊孔。

圖4 全熔透隔板裝配示意

2）部分熔透隔板位置裝配（圖5）。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置中間，并且要與端頭壁板之間留出間隙，避免妨礙最后放置蓋板。端頭壁板處加內部隔板后采用電渣焊雙夾板，使此處的隔板長度減短25 mm；內隔板進行部分熔透，開R=35 mm過焊孔，并且此處的隔板與內部通長加勁板不再焊接；斷開處的壁板同樣開R=35 mm過焊孔。

圖5 部分熔透隔板裝配示意

3）無隔板位置裝配（圖6）。首先將壁板與通長加勁板進行組對、焊接，并矯正板間平面度；之后裝第2塊壁板，臨時工藝隔板間隔2 m放置在2個隔板位置的中間，并且要與端頭壁板之間留出一定的間隙，避免妨礙最后放置蓋板。

圖6 無隔板裝配示意

3.2.2 寬1.2 m箱體部件分步裝配順序

1）全熔透隔板位置的裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

2）部分熔透隔板位置裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

3）無隔板位置裝配。裝配順序基本同寬1.4 m箱體部件。

按上述要求進行裝配時，每一步的操作都要控制板的變形，及時進行校正，焊接時要邊預熱邊進行焊接，減小板的變形。

增設的輔助吊耳以及傘柱自帶的連接耳板和傘柱之間全熔透焊接，并且要進行探傷；傘柱的吊耳板厚全部改為厚30 mm。

箱體部件組焊過程中每一步都要嚴格執行相關要求，并檢驗箱體壁板的平整度，偏差大的要及時進行返修，避免組焊完成后，箱體壁板平面度超差，從而造成不可返修的后果。

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。水平隔板電渣焊孔允許偏差±2.0 mm；內隔板拼裝間隙允許偏差1.0 mm；內部隔板傾斜允許偏差2.0 mm；內部隔板位置允許偏差2.0 mm；柱截面高度偏差應≤400 mm。

3.3 十字箱形柱的整體裝配

傘柱的箱體部件在組立前，傘柱的通長加勁與柱底焊接的位置，需要提前開好坡口和過焊孔（R=35 mm），鉚對時要仔細辨別坡口的方向，兩側雙面開坡口，中間單開坡口。

傘柱的箱體部件完成并檢驗合格后，進行傘柱的整體裝配。組裝時，因柱頂留有端銑余量，所以要以柱底為基準面進行傘柱整體組對焊接。

3.3.1 箱體拼接

1）將2件寬1.4 m的箱體部件拼接到一起（圖7、圖8）。焊接時將對接的間隙由8 mm調到11 mm，增加3 mm焊接收縮量。焊接時先用氣保焊進行打底。柱頂中心處隔板要最后放置。為減小焊接變形，主拼接縫焊接時，要從接縫中部向兩側同時進行焊接，一側的主縫焊接2道后，進行另一側的主縫焊接，以此類推直至焊接完成。拼接完成后，柱底部位的通長加勁板需要開過焊孔以及坡口。焊接過程中要時刻校正箱體壁板的平面度。拼接完成后，應檢查拼接是否有缺陷，檢驗壁板整體的平面度和箱體的直線度。

圖7 中部隔板位置示意

圖8 接縫坡口示意

2）2個寬1.4 m的部件組焊到一起后，將2個寬1.2 m的部件焊接上去（圖9）。焊接主縫時，避免出現較大的焊接變形，主縫1和主縫2用半自動小車打完底，焊接2～3道后，將整個箱體翻轉180°進行主縫3和主縫4的打底，主縫3和主縫4焊接2～3道后，再將整個箱體翻轉180°，去焊接主縫1和主縫2，以此類推，保證焊接均勻。焊接過程中要時刻校正箱體的垂直度，直至焊接完成。可將槽鋼每隔2 m進行布置，起到臨時支撐作用，并在底端增設限位擋板，以保證其穩定性。

圖9 焊接平面示意

組成十字箱體后，需進行檢驗：畫出箱形本體中心線，標記出柱頂處中心點的位置，用水準儀測量水平方向箱體中心的偏差；用吊線墜的方法測量豎直方向箱體中心線的偏差，箱體中心線允許偏差為1 mm。

3.3.2 鋼柱頂面的端銑及柱底板的裝配

1）裝配柱底板時，組好的十字形箱體根部要提前開好過焊孔，保證根部焊縫的貫通焊接（圖10）。

圖10 柱底板焊接示意

2）為保證柱頂面的整體平面度，要對十字形的箱體頂面進行端銑，由于構件外形尺寸較大，且質量較大，故端銑時固定箱體的胎架一定要牢固，做好限位措施，避免出現較大的晃動，更不能出現移位的情況。

4 零部件裝配及檢驗

1）畫出箱形本體中心線，再以箱形柱頂端銑面為基準，根據圖紙尺寸，點裝端板和牛腿，定位焊牢固，并報專檢人員檢查，合格后才允許焊接施工。

2）安裝牛腿時，需要注意孔位間距的誤差及牛腿與鋼柱間的垂直度。

3）按照圖紙和工藝要求完成焊接。焊接完成后將飛濺、焊瘤等缺陷去除。

4）按圖紙和工藝要求進行檢驗，合格后方可轉入下道工序。

5 焊接十字柱成品尺寸要求

柱的高度允許偏差為±3.0 mm；連接處截面高度允許偏差為±2.0 mm，非連接處截面高度允許偏差為±3.0 mm；牛腿上表面到柱底距離以及兩牛腿上表面之間的距離允許偏差為±2.0 mm；牛腿的長度允許偏差為±3.0 mm；對角線允許偏差為3.0 mm；接合部位中心偏移允許偏差為1.5 mm，非接合部位中心偏移允許偏差為2 mm；柱腳螺栓孔對柱軸線的距離允許偏差為1.5 mm。

6 十字柱制作完成后的裝卸發運

用于國家會展中心（天津）的十字柱制作完成后，發運時按照圖11進行放置固定。上部的輔助吊耳不用切除，留作現場裝卸用；下部吊耳在發貨裝車時要切除掉，切除時要留出5 mm的余料，防止傷到母材。

圖11 吊耳安裝示意

7 結語

本文對巨型鋼結構變截面十字箱形柱制作過程中遇到的裝配順序、焊接要求及運輸問題等進行研究，得出以下結論：

1）通過裝配工藝的研究，確立了該類型十字箱形柱的各部分斷開位置及各類板的裝配順序，實現板材的有效裝配。

2）通過確立十字柱的焊接順序以及各類焊縫的焊接方式，有效地控制焊接變形及焊縫缺陷，保證了構件制作的質量。

國家會展中心（天津）項目中央大廳屋蓋采用樹形結構，施工非常具有挑戰性。經過科學組織、精心施工，十字箱形柱的安裝按期完成，安裝質量達到了設計與規范要求，取得了較好的經濟效益，可為同類項目的施工提供參考。