雙菱形組合鋼柱工藝制作方案探究

張發(fā)榮 何志濤

（湖北精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，湖北武漢 430312）

1 工程概況

首義廣場(chǎng)觀光塔是武漢辛亥革命博物館配套工程，其主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)體系，分為內(nèi)筒和外筒，內(nèi)筒各層平面外形不變，外筒自下而上逐漸縮小，碑身平面為菱形，其對(duì)角線長(zhǎng)度沿高度從地面到頂部逐漸縮小。地下室采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，一層以上樓板采用花紋鋼板。紀(jì)念碑內(nèi)部設(shè)有一部景觀電梯，一部疏散樓梯，頂部設(shè)有3層觀景平臺(tái)如圖1所示。

圖1 觀光塔地下部分

2 組合菱形柱概況

組合菱形柱主要是由兩根菱形柱本體通過(guò)梯形連接板進(jìn)行剛性連接（焊接）組合而成。其中，兩菱形柱中一根鋼柱本體為上下等截面鋼柱，另一根為上下兩端不等截面鋼柱，呈現(xiàn)下端口截面大，上端口截面小。本菱形鋼柱本體中隔板布置較為頻繁，節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多，加之牛腿加設(shè)較多且結(jié)構(gòu)形狀各異，如圖2所示。

圖2 雙菱形組合鋼柱

3 組合菱形柱制作

3.1 焊接坡口的確定

在單個(gè)的菱形柱本體制作中，主要焊接接頭形式有柱翼板與腹板之間的角接接頭和箱體內(nèi)隔板與柱本體之間的T型接頭。在這兩種接頭中，都必須保證一級(jí)全熔透焊縫等級(jí)，而焊縫質(zhì)量的好壞從某種意義上來(lái)說(shuō)直接關(guān)系著坡口的制作質(zhì)量。因此，坡口的制作對(duì)整個(gè)菱形柱的制作來(lái)說(shuō)起到了至關(guān)重要的作用，如圖3所示。

圖3 箱體面板坡口制作

3.2 箱體組立

箱體的組立過(guò)程在胎架上進(jìn)行，組立過(guò)程中必須保證菱形柱裝配對(duì)角線和角度。在制作中采用焊接定位板的方法來(lái)進(jìn)行定位，用角度樣板來(lái)保證定位角度如圖4，圖5所示。

圖4 箱體組立

圖5 箱體角度檢驗(yàn)

3.3 箱體焊接

由于箱體面板（δ＝50mm屬于中厚板，在焊接過(guò)程中必須考慮到焊前組裝定位焊及主體焊縫焊后焊接缺欠的相關(guān)工藝。根據(jù)焊接冷卻速度影響低合金鋼硬化開(kāi)裂的規(guī)律可以得出：定位焊長(zhǎng)度在60mm～80mm范圍為宜。此外，定位焊還應(yīng)距設(shè)計(jì)焊縫端部30mm以上，且定位焊開(kāi)始時(shí)的預(yù)熱溫度應(yīng)比正式焊接時(shí)所采用的預(yù)熱溫度高出20℃～50℃。

為了防止主體焊縫焊接后出現(xiàn)層狀撕裂等缺陷，要求在焊接前根據(jù)JGJ81－2002進(jìn)行80℃左右預(yù)熱處理。

3.4 箱體合攏裝配

3.4.1 箱體合攏

根據(jù)本雙菱形組合鋼柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需對(duì)單根菱形鋼柱制作完畢后再進(jìn)行雙菱形鋼柱的合攏裝配，組后進(jìn)行鋼柱上牛腿的組裝、焊接。

在雙菱形鋼柱合攏之前，必須根據(jù)構(gòu)件自身的特點(diǎn)，制作相應(yīng)的輔助工裝夾具來(lái)進(jìn)行裝配。在本工藝的制作中，結(jié)合構(gòu)件的特點(diǎn)：（1）兩菱形柱尺寸大小截面不一；（2）其中一根菱形柱上下存在大小頭截面；（3）菱形組合柱中間梯形連接板在同一水平面上。結(jié)合上述難題，制作前用專門(mén)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件X－Steel在模型中進(jìn)行剖面的截?。ㄉ疃日{(diào)節(jié)需設(shè)置為0），然后通過(guò)AutoCAD軟件進(jìn)行處理，制作出胎架模板TJ－1、TJ－2、TJ－3、TJ－4，若單純的用AutoCAD軟件進(jìn)行胎架模制，無(wú)法將截面間的變化和差距表達(dá)，如圖6所示。

圖6 箱體合攏

3.4.2 箱體牛腿裝配焊接

（1）本構(gòu)件從結(jié)構(gòu)上看，具有較多的牛腿，裝配起來(lái)存在較大的難度；從構(gòu)件形式上來(lái)看，屬于超寬和大噸位構(gòu)件，更是給工廠的裝配帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)性。此外，在裝配的過(guò)程中還需考慮后道工序?qū)φ麄€(gè)構(gòu)件所帶來(lái)的影響。

（2）因本構(gòu)件在設(shè)計(jì)上應(yīng)用了50mm的中厚板，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及構(gòu)件自身的噸位條件限制，決定了裝配時(shí)的精度控制條件和焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形的因素。

（3）牛腿在裝配時(shí)應(yīng)盡量少對(duì)構(gòu)件進(jìn)行翻身，減少不必要的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（4）本構(gòu)件中存在箱型—V型牛腿，因部分此類型牛腿與梯形連接板之間的夾角較小，組裝后牛腿與菱形柱本體無(wú)法施焊，制作時(shí)需對(duì)牛腿拆分后進(jìn)行散件裝配。

（5）牛腿裝配。

①原則：為了減少對(duì)大型構(gòu)件的翻身，牛腿的裝配需裝配好一面后再進(jìn)行另一面的裝配（例如：先裝NT－6、NT－8一面住本體牛腿，待此面牛腿裝配完畢后再進(jìn)行NT－1、NT－3一面柱本體牛腿的裝配）；

②裝配：第一步裝配N(xiāo)T－6牛腿，第二步裝配N(xiāo)T－8牛腿，第三步裝配N(xiāo)T－12牛腿及搭筋板，第四步裝配N(xiāo)T－5牛腿，第五步裝配N(xiāo)T－7牛腿。構(gòu)件翻身后裝配：第一步裝配N(xiāo)T－1牛腿，第二步裝配N(xiāo)T－3牛腿，第三步裝配N(xiāo)T－4牛腿，第四步裝配N(xiāo)T－9牛腿及搭筋板，第五步裝配N(xiāo)T－2牛腿、NT－10牛腿、NT－11牛腿及搭筋板。

③難點(diǎn)：NT－1和NT－6兩箱型－V型牛腿與梯形連接板之間夾角太小，導(dǎo)致牛腿翼緣板與菱形住本體間（NT－1牛腿與LXGZ－2柱本體翼板，NT－6牛腿與LXGZ－2柱本體腹板）焊縫無(wú)法施焊，因此，箱型－V型牛腿在組立時(shí)制作成U型牛腿和一塊翼緣板（蓋板）。待牛腿與鋼柱本體裝配時(shí)首先組裝U型牛腿，隨后焊接隱蔽焊縫，經(jīng)UT檢測(cè)合格后再進(jìn)行牛腿蓋板的組裝焊接，見(jiàn)圖7。

圖7 雙菱形組合鋼柱裝配

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)首義廣場(chǎng)觀光塔鋼結(jié)構(gòu)工程中雙菱形組合鋼柱工藝制作技術(shù)方案的探討，很好地兼顧和解決了制作中各環(huán)節(jié)的重難點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)巧妙制作角度樣板、胎架等簡(jiǎn)易的工裝，使得構(gòu)件在裝配精度上得到了很好的控制。此外，合理有序的牛腿裝配及焊接順序也使得構(gòu)件整體焊接變形得到了控制。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程（JGJ81—2002）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

2 戴為志，高良.鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)培訓(xùn)教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009，2

3 劉子祥，戴為志.國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011，3

4 戴為志，高良.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)及實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010，5

5 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，5

6 王磊.國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）鋼結(jié)構(gòu)桁架柱安裝技術(shù)［J］.建筑技術(shù)，2010，41（7）