東盟塔桁架層復雜巨柱節點加工制作技術

唐飛虎，鄭林偉，金 平，蔣國明

(中冶(上海)鋼結構科技有限公司，上海 201908)

1 工程概況

南寧東盟塔位于南寧市五象新區，由75層地上地標塔樓及3層地下室組成，塔樓冠頂高度為346 m，為一類公共建筑。建成后將成為集辦公、酒店、購物、餐飲、金融功能于一體，進行全方位服務的高檔CBD區域，是具有城市標識性的超高層建筑(見圖1)[1]。

東盟塔結構形式采用復合外圍框架(鋼管混凝土+鋼梁)+帶狀桁架+核心筒雙重結構體系，塔樓的外框鋼結構平面上呈三角形布置，并向結構內側以小角度傾斜。地上部分塔樓每個角布置2根四邊形鋼管混凝土巨柱(共計6根)[2]，三角形外框每邊設置4根圓管柱(桁架層以上每邊為5根)，核心筒剪力墻內部設置有H型鋼骨柱，加強層內部設置有鋼板墻、鋼腳筒，外框鋼結構共設置了3道帶狀桁架加強層，分別位于F29層～F31層、F51層～F52M層、F73層～F75層(見圖2)。

塔樓加強帶狀桁架層由上弦桿、下弦桿、腹桿、桁架節點、桁架巨柱節點組成，其中桁架節點與桁架巨柱節點采用異形箱形節點，其他桿件為焊接H型構件，桁架材質等級為Q420GJC，桁架最大板厚為100 mm。由于篇幅有限，本文主要介紹F29層～F31層桁架巨柱節點的加工制作技術(見圖3～圖5)。

2 桁架節點深化設計

桁架節點深化設計流程：根據結構圖建立BIM模型→深化構造設計→設計洽商→設計確認。

2.1 總體優化原則

在不改變原設計結構的傳力路徑及節點受力的基礎上進行優化，通過優化降低節點構件的加工、焊接、安裝難度。

2.2 桁架巨柱節點優化

桁架巨柱節點是桁架與巨柱的傳力紐帶，也是整個結構中最核心的受力部件。桁架巨柱節點由2塊100 mm厚縱向折彎板將巨柱貫穿，并在巨柱內部對應桁架弦桿上下翼緣位置設置2塊100 mm厚的橫向隔板，桁架巨柱主材由4塊60 mm厚鋼板組成。

2.2.1 桁架巨柱節點分段位置優化

原設計桁架巨柱節點與腹桿對接位置，桁架巨柱節點牛腿翼緣板外伸尺寸較長(如圖6所示)，不利于現場安裝，且會增加材料損耗。經與設計溝通將節點位置翼緣板減短，與其對接的腹桿加長(如圖7所示)。此節點優化遵循《鋼結構工程施工質量驗收標準》翼緣板拼接縫和腹板拼接縫錯開的間距不小于200 mm原則。

2.2.2 防止焊縫撕裂的節點構造優化

原設計桁架巨柱節點主材板與縱向折彎板齊平(如圖8所示)，為了保證節點焊接質量，降低巨柱節點因焊接產生層狀撕裂的風險。經與設計溝通，將貫穿巨柱的縱向折彎板及與其連接的橫向加勁板均加長100 mm(如圖9所示)。

3 桁架巨柱節點特點分析

桁架巨柱節點結構形式如圖10所示。

根據桁架巨柱節點的結構形式對其特點進行詳細分析，并細化至具體加工工藝。

3.1 焊縫填充量巨大

桁架巨柱節點厚板用量占比較多，導致焊縫填充量巨大，焊縫質量占比高達6.6%，而常規構件焊縫質量占比僅約為1.5%。桁架巨柱節點單件質量約為35 t，經計算焊縫質量約為2.3 t，根據以往經驗每個焊工每天可以焊接約25 kg焊絲，則單個桁架巨柱節點焊接工序理論需要92個人工。按照一般鋼結構加工廠各工種人員配比根本無法滿足本項目的焊接需求，所以焊接量大是制約加工效率的重要因素。必須分析結構形式，優化焊接坡口形式，既有利于保證焊縫質量，又可以減少焊縫填充量。

3.2 節點構造復雜，施焊空間小，隱蔽焊縫多

桁架巨柱節點構造復雜，很多焊縫施焊空間狹小，寬度僅有400 mm，而深度則有1 200 mm。桁架巨柱節點為箱形節點，3個方向均有牛腿，隱蔽焊縫較多。制定裝配工藝時必須考慮隱蔽焊縫施焊問題，盡量為焊接創造有利條件。桁架巨柱節點加工時需嚴格按照加工工藝步驟實施，實行多次循環裝焊、退裝退焊等工藝保證桁架巨柱節點加工質量。

3.3 桁架巨柱節點焊縫探傷合格率的保證

桁架巨柱節點除了牛腿加勁板外其他焊縫均為全熔透一級焊縫，焊后100%UT探傷檢測。焊縫一旦返修其用時將成倍于正常焊接時間，整個項目進度也會因此受到較大影響。施焊前必須對焊工進行考核，并對典型焊縫節點做針對性焊接工藝評定，以保證焊縫合格率。

3.4 桁架巨柱節點外形尺寸保證

桁架巨柱節點鋼板材質為Q420GJC，大部分零件板為厚板，其中100 mm厚零件板占比43%，厚板焊接熱輸入較大，容易產生焊接收縮變形，由于節點構件形狀不規則，后續校正難度大，必須對裝配尺寸、裝配順序和焊接順序加以研究，從而保證桁架巨柱節點構件的整體外形尺寸[3]。

4 桁架巨柱節點加工制作工藝

4.1 下料

原材料進場后需取樣進行復檢，復檢合格后方可進行排版下料。由于桁架巨柱節點鋼材材質等級較高，為Q420GJC，為避免材料用錯，必須在每塊零件板上進行材質等級標識，做到全過程可追溯。

桁架巨柱節點厚板零件較多，為保證切割質量需選擇合適的切割工藝參數。經試驗，當零件板厚為100 mm時，采用5號割嘴，切割速度控制在220 mm/min～280 mm/min，切割氧氣壓力為0.7 MPa～0.8 MPa，乙炔壓力大于0.06 MPa時，零件切割面質量較好。

4.2 桁架巨柱節點拼裝

桁架巨柱節點結構復雜，在制定拼裝工藝時必須保證每條焊縫的可焊性[4]。具體拼裝步驟如下：

1)第一步。

先組裝與桁架下弦桿連接的折彎牛腿(見圖11)，牛腿上下翼緣板厚度為100 mm，腹板厚度為50 mm。

2)第二步。

將兩塊縱向折彎板(100 mm)與第一步組裝完成的牛腿連接，并將位于縱向折彎板之間的內隔板組裝完成(見圖12，圖13)。

3)第三步。

分別將縱向折彎板兩側的橫向隔板、縱向隔板與巨柱主板組焊完成，然后將兩個整體組件與貫穿巨柱的縱向折彎板連接(見圖14，圖15)。

4)第四步。

組裝巨柱主板及箱體內部剩余零件板(見圖16，圖17)。

5)第五步。

組裝與桁架下弦連接的直牛腿，并將折彎牛腿側與腹桿連接的牛腿腹板進行組裝(見圖18，圖19)。

6)第六步。

組裝與桁架腹桿連接的牛腿翼板，并組裝折彎牛腿側橫向、縱向兩塊隔板(見圖20，圖21)。

7)第七步。

組裝與樓面梁、水平支撐連接的牛腿，并組裝與桁架連接的直牛腿側牛腿腹板(見圖22，圖23)。

8)第八步。

組裝直牛腿側橫向、縱向兩塊隔板，并組裝兼做吊耳板的定位連接板(見圖24，圖25)。

上述組拼步驟，每個組拼步驟安裝完成后，均需對該步驟焊縫進行焊接并進行UT及外形尺寸檢測，檢測合格后方可進行下一步組拼步驟。

5 桁架巨柱節點焊接

桁架巨柱節點焊縫數量多，焊縫填充量大，隱蔽焊縫數量多，部分焊縫焊接空間狹小，焊縫質量要求高，焊接難度大。桁架節點整體焊接順序隨組裝順序，單個組裝步驟內焊接順序遵循先焊接收縮大的焊縫后焊接收縮小的焊縫，焊縫盡量對稱焊接，焊縫長度較長時需分段焊接，所有厚板焊縫均需多層多道焊接。

5.1 坡口開設

桁架巨柱節點涉及3種接頭形式，分別為角接接頭、T形接頭和十字接頭，根據焊縫所在位置情況選取4種坡口形式，分別為K形坡口[5]、單邊V形坡口、V形坡口和防層狀撕裂坡口。

坡口總體開設原則：

1)針對十字接頭和T形接頭，當板厚t>40 mm時采用K形坡口，板厚t≤40 mm時采用單邊V形坡口。

2)針對角接接頭，當板厚t>40 mm采用V形坡口，板厚t≤40 mm時采用單邊V形坡口。

3)橫向隔板與貫穿巨柱的縱向折彎板位置雙側均有焊縫，極易誘發層狀撕裂，需開設防層狀撕裂坡口。

由于桁架巨柱節點較為復雜，如完全按照上述原則開設，則會導致部分焊縫無法焊接，節點實際主要焊縫所采用焊縫坡口形式如圖26所示。

5.2 焊接工藝

5.2.1 焊接方法

巨柱桁架節點均采用藥芯焊絲氣體保護焊接，工廠焊縫基本以平焊及橫焊為主，50 mm以上厚板橫焊焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數表

5.2.2 焊前預熱及層間溫度控制

焊前預熱可以有效控制焊縫金屬的冷卻速度，降低脆硬組織的脆化，提高鋼材的抗撕裂能力。預熱區域為焊道兩側，測溫位置為距離焊道50 mm位置，具體預熱溫度如表2所示。

表2 預熱溫度要求表 ℃

5.2.3 防止層狀撕裂措施

巨柱桁架節點縱向折彎板兩側均有100 mm厚的橫向隔板，兩側焊縫拉應力集中，容易導致中間縱向折彎板厚度方向力學性能下降出現層狀撕裂。為解決此問題除了采用防層狀撕裂坡口外，還需采用有效的防層狀撕裂焊接方法。首先需采用隔離焊打底技術，在受拉板厚度方向進行一道打底，利用打底焊縫優越的延性，與拉板共同承受厚度方向的拉應力，從而提高接頭位置的抗層狀撕裂性能。焊接填充層及蓋面層時采用多層多道錯位焊接方法，此方法可以降低焊接拘束度，使內應力得到均勻分布。

5.2.4 焊縫檢測

桁架巨柱節點全熔透焊縫占比極大，受操作空間制約，每個組裝步驟焊縫焊接完成后均需經過UT檢測合格后才能進行下一組裝步驟。其中容易產生層狀撕裂位置還需增加MT檢測，為避免出現延遲裂紋，在節點打砂后涂裝前再進行一次MT檢測。

6 結語

南寧東盟塔為超高層巨柱結構體系[6]，塔樓共設有3道環帶桁架，用于增加結構剛度。巨柱與環帶桁架連接節點受力大，節點構造復雜，加工難度極大。通過分析節點構造，在深化階段優化節點的分段位置，坡口的開設形式及坡口角度，有效保證了焊縫質量，降低了焊材使用量，節約了加工成本。加工前通過 細化組裝工藝及焊接順序，使節點加工精度和節點焊接質量得到保證。本文的研究對類似復雜巨柱節點的加工提供借鑒。