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廣州珠江新城西塔X型節(jié)點制作技術的創(chuàng)新??外框筒X型節(jié)點的加工制作工藝技術說明

作者：顧曉付等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文介紹了廣州珠江新城西塔鋼結構工程的關鍵技術施工難點。著 重介紹了外框筒X型節(jié)點的加工制作工藝技術及其要點和難點攻關。
    一.工程概況及特點
    1.工程概況
    廣州珠江新城西塔高432米，建成后，西塔將矗立在城市的中軸線上，其所在的廣場距珠江最近的距離只有200多米，在我國乃至世界上都屬于較高的建筑鋼結構之一，該結構設計新穎，造型優(yōu)美、線條流暢、結構獨特，具有廣泛的實用性和觀賞性，她的建成，不僅成為廣州市的城市標致性建筑，也是當前世界經(jīng)典建筑中具有時代性的標志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風景線，同時也是我國在國際地位與實力的顯示。如下圖示：

    1）.塔體鋼結構概況
    (1).結構概況
    珠江新城西塔鋼結構外筒是一個不規(guī)則網(wǎng)筒結構，其橫截面沿整個建筑高度是連續(xù)變化的。主塔樓地面以上103層，高432米，其中1-3層為大廳，4-67層為辦公室，67層以上是高級酒店及客房，最高處設有直升機平臺。在辦公樓層，采用鋼管混凝土斜交網(wǎng)格柱外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒結構體系；上升至酒店層時，混凝土內(nèi)筒不再向上延伸，由鋼柱錨入核心筒墻內(nèi)，形成鋼結構內(nèi)框架加斜撐核心，結構體系為斜交網(wǎng)格柱外筒+內(nèi)框架加斜撐體系。
    鋼結構外筒是結構的主要抗側力體系，鋼管混凝土立柱共30根，由地下四層柱定位點起呈傾斜狀沿直線至塔頂（+432.0m）相應的柱定位點，各柱的傾角不相同，柱鋼管截面的直徑與壁厚均沿高度變化，由底部外徑1800mm，壁厚50mm縮至頂部外徑700mm，壁厚20mm，鋼材材質為Q345GJC、Q345B，管內(nèi)充填高強混凝土。
    2）.結構特點
    (1).珠江新城西塔鋼結構工程由外框筒、核心筒及外框筒與核心筒之間各樓層平臺梁組合而成。
    (2).塔體外框筒由30根錐形立柱斜交組合而成，是一個不規(guī)則網(wǎng)筒管狀塔形鋼結構，高度方向每隔27米在立柱與立柱相交處形成“X”形狀的外筒節(jié)點，由于節(jié)點受力復雜、且構造不易處理，故對外筒節(jié)點的制作精度要求十分高。
    (3).由于本結構體系十分龐大，高達432m，受力十分復雜，所選用鋼材要求高，對外筒結構節(jié)點處材料均要求為Q345GJ，且要滿足Z25要求。
    2.鋼結構加工制作的施工技術要點和難點分析
    1）.大直徑鋼管立柱的制作
    本工程30根鋼管立柱系由小段節(jié)鋼管裝焊而成，重量占整個工程重量的比例較大，加工難度大，精度高，且工作量十分巨大，這是本工程的首要難點。
    2）.節(jié)點制作
    本工程共有X節(jié)點255個，由于該節(jié)點起著連接上下立柱和樓層梁的特殊作用，且節(jié)點外形呈“X”形，外形尺寸大、節(jié)點重量大、最大板厚達到100mm，構造復雜。因此節(jié)點制作將是本工程的一大重點。本文主要介紹X節(jié)點的加工制作與預拼裝過程及其技術難點的攻關。
    3）.預拼裝
    通過對構件進行預拼裝，除了對構件的制作質量進行檢測與確認外，在拼裝過程中還可對構件的制作偏差進行調(diào)整與融合，因此構件工廠預拼裝是保證現(xiàn)場安裝順利進行、保證本工程整體工期計劃的重要措施。
    但構件預拼裝工作量大，構件定位難且精度高，特別是占用場地面積巨大，且周期長。因此構件預拼裝的方法，拼裝基面的選取，胎架的設計與制作，測量方案的設計等均是本工程的施工難點。
    4）.焊接
    本工程外筒結構焊縫均為X形節(jié)點相貫部位的相貫線焊縫，由于相貫線焊縫的坡口是沿其周長在變化的，因此該焊縫的坡口設計、相貫線切割、施焊工藝均是本工程的難點。由于鋼材選用較厚，節(jié)點處最大達100mm，且焊接要求高，在焊接過程中易產(chǎn)生裂紋、層狀撕裂等對焊接不利的因素，因此鋼材的焊接準備工作十分復雜，綜上所述，焊接亦是本工程的難點。
    5）.殘余應力的消除
    鋼管在卷制或壓制過程中，一定會產(chǎn)生相當?shù)臍堄鄳?，這些應力是否消除，如何處理，加之構件尺寸均很大，對殘余應力的消除方案的選定均增加了很大難度，因此殘余應力的消除是本工程制作過程中又一個難點。
    二.外框筒X形節(jié)點的加工制作
    1.X形節(jié)點的三維模型
    X形節(jié)點主要由外筒立柱、橢圓形拉接板、加勁環(huán)、加勁板以及樓層梁牛腿等組成，構件形狀和節(jié)點類型如下圖所示：

    2.X形節(jié)點的制作方案
    1）.方案
    預先進行各零部件的加工制作，合格后在總裝胎架上進行整體組裝，以保證單個X節(jié)點的制作精度要求滿足預拼裝及設計的要求。
    2）.X形節(jié)點立柱鋼管與橢圓形拉板相貫處坡口的加工要求
    （1）.立柱鋼管與橢圓形拉板相貫處坡口
    由于鋼管相貫部分較長，卷制時有些僅為弧形，為了保證卷制加工的質量，與拉接板連接處的坡口應在卷制加工后再進行開設；環(huán)縫坡口應在加工前進行開設。
    （2）.鋼管與橢圓形拉接板間的角接焊縫坡口形式
    鋼管與拉接板連接為一螺旋型的漸變相貫線角接焊縫，其坡口開設分為兩部分，即以連接處自然角度為45度界限，界限點向中部開設為雙面坡口；界限點向端部開設為單面坡口，坡口置于內(nèi)側。
    另外，由于端部鋼管板厚與拉接板間的角度較小，在9～16度之間，為了保證此處的焊縫質量，需在100mm拉接板的端部開設坡口，其范圍約400mm弧長左右，坡口約25～30進行開設，坡口形式如下圖所示:

    3）.立柱鋼管的壓圓加工技術要點
    （1）.壓頭
    ①根據(jù)立柱圓管的直徑制作壓模并安裝，采用油壓機進行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數(shù)至少壓三次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗，如下圖所示：

    ②在壓好頭后，切去兩端縱縫處的余量，并開好坡口。
    （2）.軋圓
    將壓好頭的鋼板吊入三輥軋車后，必須用靠模式拉線進行調(diào)整，以保證鋼板端部與軋輥成一直線，防止卷管后產(chǎn)生錯邊，然后按要求徐徐軋制，直至卷制結束，軋圓允許偏差如下：


    4）.立柱鋼管縱縫、環(huán)縫的焊接及其矯正和檢驗
    （1）.立柱鋼管縱縫焊接
    ①縱縫焊接
    筒體焊接采用在筒體自動焊接中心或在專用自動焊接胎架上進行，筒體內(nèi)外側均采用自動埋弧焊進行焊接，如下圖所示。

    ②矯正
    矯正采用卷板機和火焰加熱法進行。如誤差出現(xiàn)偏大時，采用卷板機用滾壓法進行矯正，如下圖所示：

    如誤差較小時，采用局部火焰加熱法進行局部矯正。
    （2）.在胎架上定位、接長
    胎架經(jīng)驗收合格后即可進行立柱的拼接，接管前每節(jié)小段節(jié)必須進行校正，特別是橢圓度必須校正好。拼接時先將下口弧形板進行定位，定位時將其中心線對齊地面定位中心線，同時將其端口對齊地面位置線，如有誤差需進行修整，必須保證兩端口的橢圓度、垂直度以及直線度要求，符合要求后與胎架進行點焊牢固。如下圖所示：

    ②.然后進行第二小段的定位，定位時與前相同，但必須注意與第一段間的接口以及焊縫間隙，以利后道工序的操作。
    ③.最后進行頂部段節(jié)的定位，方法與前相同，拼接后在所有筒體上彈出0°、90°、180°、270°母線，以及與上節(jié)鋼柱的對合標記線，并用洋沖標記。如下圖所示：

    3）.環(huán)縫的焊接
    （1）.為了采用筒體環(huán)縫的自動焊，在焊前需加工一塊與非全圓弧形筒體切口相吻合的弧形板，如下圖所示：

    （2）.將弧形板與筒體進行拼接，如下圖所示：

    （3）.合格后將拼接好的筒體吊入滾輪焊接胎架上用埋弧焊進行環(huán)縫的焊接，焊接要求同縱縫要求，環(huán)縫焊接如下圖所示：


    環(huán)縫焊接順序：先焊筒體內(nèi)側焊縫，外側清根后再焊筒體外側焊縫。
    環(huán)縫焊接前同樣采用陶瓷電加熱板進行焊前預熱。
    （4）.焊后校正，冷卻后探傷，探傷合格后重新吊上拼裝胎架進行立柱端口余量的劃線，送端銑機加工平臺進行端部的銑平，以保證節(jié)點的現(xiàn)場安裝精度。
    4）.立柱端面的加工
    （1）.為控制節(jié)點的組裝精度以及保證節(jié)點現(xiàn)場安裝的精度，特別是鋼柱分段間的對接焊縫的間隙要求,鋼柱上、下端面必須進行端面機加工，將構件的制作誤差控制在最小范圍內(nèi)，保證整個結構的安裝精度及現(xiàn)場鋼結構的安裝進度。
    （2）.鋼柱端面機加工采用機械動力裝置進行端面銑加工，通過對鋼柱的端面機加工，使鋼柱兩端面保證平行且與鋼柱軸心線相互垂直，如下圖所示：

    三.外框筒X型節(jié)點制作及工程技術難點攻關
    1.組裝基準面的選擇和組裝胎架的設置
    （1).組裝基準面的選擇:
    節(jié)點整體組裝以橢圓拉板和樓層牛腿垂直于地面為基準進行臥造。
    （2）.整體組裝胎架設置的要求
    節(jié)點組裝胎架根據(jù)上述基準進行設置，先在平臺上劃出橢圓拉板和各樓層梁的定位十字中心線，然后按節(jié)點的投影位置依次劃出鋼管立柱和加勁板（樓層）的投影中心線，端面企口線、胎架模板位置線等，劃線后進行自檢，然后提交專職檢查員進行驗收，合格后方可進行組裝胎架模板的設置，地面劃線后如下圖所示：

    （3）.組裝胎架的設置：
    胎架模板采用數(shù)控切割，以保證組裝精度，然后嚴格按平臺上的模板設置位置線進行胎架模板的搭設，胎架模板上口標高必須保證不大于0.5mm，超差必須修正，另外，由于節(jié)點重量較大，胎架模板必須保證有足夠的剛度和強度，胎架設置后必須驗收合格方可使用，胎架設置如下圖所示：

    2.各部件的組裝
    1）.橢圓拉板的組裝定位
    胎架經(jīng)驗收合格后首先進行橢圓拉板的定位，橢圓拉板有折角時，應先采用油壓機進行折角，定位時將其中心線及邊企口線對齊地面定位中心線及企口線，同時保證與地面的垂直度，定位正確后與胎架進行點焊牢固，也可在一側適當加設支撐進行加強，如下圖所示：

    2）.鋼管立柱的定位組裝
    （1）.將已加工合格并畫好組裝定位中心線喝耳板十字中心線的鋼管立柱吊上胎架進行定位，定位必須定對平臺上立柱中心線和端面企口線以及立柱二端中心標高，同時注意與橢圓拉板間的焊縫間隙及坡口大小，如有誤差在立柱上進行修正，保證其開口尺寸和坡口間隙，如下圖所示：

    （2）.第一根立柱定位后，采用相同的方法將同一側的另外一根立柱進行組裝定位，與已定位的立柱進行對接，修正接口處的對接偏差，進行定位焊。
    （3）.采用同樣的方法，組裝定位另一側鋼管立柱，進行定位焊，檢查合格后，即進行焊接。

    （4）.先進行立柱間的對接焊接，為了減小整體焊接變形，焊接采用CO2氣保護焊，焊前先進行預熱，焊接時先焊內(nèi)側，外側清根后再焊；然后進行立柱與橢圓拉板間的相貫焊接，焊前同樣應先進行預熱，焊接采用雙數(shù)焊工進行對稱焊接，先焊內(nèi)側，后清根出白進行外側焊接，正面焊接后，將節(jié)點翻身，采用同樣方法進行另一側的焊接，焊后進行探傷檢查。


    3）.各加強環(huán)的定位組裝
    各加強環(huán)定位時，將其板邊線對齊地面定位基準線，同時注意與地面的垂直度，加強環(huán)應采用分塊散裝，以利裝配，裝焊后如下圖所示：

    4）.各加勁板的定位、組裝
    各加勁板按圖紙尺寸進行定位，安裝，但必須注意其裝焊順序，40mm的墊板應后裝，待加加勁板與筒體焊接合格后方可進行裝焊，然后再進行16mm的封板的裝焊，如下圖所示：

    5）.樓層牛腿的組裝、定位
    加勁板安裝后，即可進行定位組裝樓層牛腿，樓層牛腿先進行組裝焊接并制孔，再與節(jié)點進行定位組裝，牛腿組裝時定對地面基準線，同時注意其端口對齊地面上的定位線，另外為保證牛腿的定位精度，再采用全站儀進行配合定位組裝，組裝后如下圖所示：

    6）.整體焊接
    安裝完畢后進行自檢互檢，然后提交專職質檢員進行驗收，合格后即可進行整體焊接，焊接時采用對稱焊，密切注意焊接變形。

    7）.耳板的組裝、焊接
    整體焊接后將節(jié)點重新吊上整體組裝胎架進行定位，然后進行端部耳板的裝焊，定位時圓周方向分別對齊安裝位置線，長度方向定對企口線即可，經(jīng)驗收合格后即可進行焊接，焊后如下圖所示：

    3.完整性驗收
    （1）.焊后在整體組裝胎架上進行測量，各車間先進自檢、互檢，符合要求后提交專職質檢員及駐廠監(jiān)理進行驗收，驗收時采用地樣法及全站儀同時進行，以確保節(jié)點的質量。
    （2）.以圖中P3點為坐標原點，其整體驗收時各控制點坐標值軸測圖如下圖所示：

    （3）.根據(jù)地面劃出的線型或是坐標值中的X、Y、Z值可以控制部件在其各自方向的定位。由于只控制了端口的兩點，不是控制其整個面的尺寸，其根部會有所偏移，因此還需提供各筒體及牛腿端部上、下口在地面上的投影偏差值（下圖括號中的數(shù)值），將其投影偏差值結合起來就控制了其整個端面的尺寸，從而保證各牛腿及筒體的精確定位，線型及坐標值如下圖所示：

    三.結束語
    由于廣州珠江新城西塔外框筒鋼結構體系龐大，其中共有X型節(jié)點255個，外形尺寸大節(jié)點重量大，最大板厚達100mm厚，結構極為復雜。
    我公司生產(chǎn)技術人員在提高單件精度，確保整體精度的前提下“化整為零，精益求精”。先將每個X形節(jié)點分解為數(shù)段立柱筒體和一塊中間橢圓拉板，以加強環(huán)等小零件，然后對每個零部件各自下料、加工制作、拼裝、焊前驗收、焊接、焊后矯正驗收。最后在精確制作的胎架上進行X節(jié)點的預拼裝，嚴格控制每一道工序，高起點、高標準滿足每一項精度要求。有了這樣的精湛的工藝和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，必定鑄造明日廣州西塔的輝煌。完美無缺的產(chǎn)品質量，才會有誠實卓越的企業(yè)信譽。
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