深圳平安金融中心超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱制作技术

GXF360 2017-06-16

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深圳平安金融中心超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱制作技术

王　伟　李乡亮　李大壮　李玉梅　刘礼荣

(中建钢构江苏有限公司，江苏靖江　214532)

摘　要：超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱，具有材质强度高、用板厚，组焊难度大，构件尺寸精度控制难等特点。通过分析制作难点，采用“分块制作，总体拼焊”的思路，合理设计焊接坡口，优化装配焊接顺序，采用坐标进行牛腿定位，有效控制焊接变形，保证尺寸精度。制作全过程进行质量控制和检测，构件制作质量良好。

关键词：超厚板；异型斜牛腿；焊接顺序

DOI:10.13206/j.gjg201607016

1　工程概况与结构体系

1.1　工程概况

深圳平安金融中心位于深圳市福田区01号地块，益田路与福华路交汇处西南角，项目由中国平安人寿保险股份有限公司投资建设，总面积约48.9万m2，其塔楼层数为 118层，主体结构高度为 558.45 m，塔尖高度为 660.00 m，包括一个 11 层高的商业裙楼[1]。平安国际金融中心是一幢以甲级写字楼为主，集购物、观光、餐饮、娱乐为一体的综合性大型超高层建筑，建成后将成为亮丽的“深圳名片”，其效果如图1所示。

图1　深圳平安金融中心效果

1.2　结构体系

工程由塔楼和裙房两个部分组成，塔楼钢结构由8根巨型柱、7道加强层桁架、巨型斜撑以及楼层钢梁构成巨型外框结构，核心筒从B5层到L12层采用钢板剪力墙，L12层以上为劲性钢柱剪力墙，外框与核心筒之间通过4道伸臂桁架连接形成整体巨型框架-核心筒结构体系，如图2所示。

2　钢柱制作重、难点分析

超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱整体情况见图3。

图2　深圳平安金融中心结构

1—H形斜牛腿，板厚25，50 mm,材质Q390GJC；2—箱体1，板厚35，70 mm，材质Q390GJC(Z25)；3—箱体2，板厚150 mm,材质Q390GJC-Z35；4—亚字形牛腿，板厚100 mm，材质Q390GJC-Z35；5—H亚字形牛腿，材质Q390GJC-Z35；6—异型牛腿，材质Q420GJC-Z35；7—箱体3，板厚70 mm,材质Q390GJC-Z35。
图3　超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱示意

2.1　钢柱制作重、难点

1)结构复杂。超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱结构形式复杂，截面样式多样化转变，本体由4段箱体对接而成，其中超厚板150 mm超厚板箱体为非对称截面，异型斜牛腿与本体成45°角。

2)焊接难度大。超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱本体钢板最厚达150 mm，异型牛腿及亚字形牛腿板厚为100 mm，本体及牛腿钢材材质均属Ⅲ类钢，焊接难度极大，焊接变形难以控制。

3)精度控制难度大。本体截面变化，且又有超厚板焊接，截面精度控制难度大；异型斜牛腿与本体成45°角，且自身为异形弯折牛腿，加上焊接量大，尺寸精度难以控制[1]。

2.2　解决措施

针对超厚板异型斜牛腿桁架层钢柱结构特性，制定合理的装配和焊接工艺，以控制钢柱制作质量。

1)装配工艺思路：箱型钢柱、异型斜牛腿分别组装、焊接、矫正后再整体组装，装配工艺充分考虑异型斜牛腿与本体之间的倾斜角度，牛腿端部设置控制点，采用全站仪进行辅助测控定位。

2)焊接工艺充分考虑焊接截面收缩、焊接变形、焊接质量控制，制定合理的坡口形式，控制焊接温度，优化焊接顺序，严格执行焊接工艺规程，采用CO2气体保护焊打底加埋弧焊填充盖面方式，以使钢柱整体焊缝成形良好，截面变形控制得当[2]。

3　制作工艺控制要点

3.1　钢柱本体分段焊接

主体箱型柱按板厚划分成3个单元，见图4。单元1长度方向加10 mm收缩余量，单元2不加余量，单元3长度方向加5 mm余量。

图4　钢柱分段示意

3.2　箱型本体单元1、单元3的焊接

装配时根据焊接收缩适当拉开装配间距，留出截面收缩余量。

对称焊接箱体主焊缝，先用气保焊打底，由中间往两侧焊接至坡口深度1/3处，再采用埋弧焊焊填充盖面。焊接过程中应严格控制电流电压参数，以控制焊接变形。

3.3　超厚板箱型单元2的焊接

超厚板箱型单元2装焊流程如图5所示。焊前应预热，预热及焊接层间温度控制在120～250 ℃(尤其在防撕裂坡口位置)。焊接完成后应采用电加热对构件进行后热处理，温度应在250～350 ℃，并用石棉覆盖保温4 h以上[3]。

注：坡口应先开防撕裂坡口，后开过渡坡口。
图5　单元2整体装配示意

3.4　钢柱本体组装

a—气保焊打1层底；b—逆时针90°翻身，气保焊打2层底；c—顺时针90°翻身，气保焊打2道底；d—逆时针90°翻身，气保焊打1道底；e—逆时针90°翻身，气保焊各打3道底；f—埋弧焊填充；g—顺时针90°翻身，埋弧焊填充45 mm深度；h—顺时针90°翻身，埋弧焊填充90 mm深度；i—逆时针90°翻身，埋弧焊填充45 mm深度；j—逆时针90°翻身，埋弧焊填充、盖面。对称焊接；k—顺时针90°翻身，埋弧焊盖面；l—顺时针90°翻身，埋弧焊盖面。
图6　单元2焊接顺序示意

图7　本体组焊示意

主体箱型柱3个单元组焊，见图6—图7。焊接前应对焊缝两侧进行预热，温度控制在120～250 ℃。焊接过程应安排两名气保焊焊工同时对称焊接。

3.5　亚字形牛腿定位、焊接

亚字形牛腿组焊如图8所示。

图8　亚字形牛腿组焊示意

a—牛腿装配示意；b—焊接坡口大样。
图9　异型牛腿组焊示意

3.6　异型牛腿定位、焊接

异型牛腿组焊如图9所示。根据地面线形、控制点，装配异型斜牛腿，采用全站仪测定控制点；焊前应对焊接区进行预热，温度不低于150 ℃,层间温度150～250 ℃，焊后采用石棉覆盖，保温2 h。

4　施工工艺流程

4.1下料

钢板下料切割前用矫平机进行矫平及表面清理，切割设备主要采用数控火焰切割机、半自动火焰切割机等，严禁手工切割。钢柱腹板宽度下料允许偏差0～+2 mm，翼板宽度下料允许偏差±2 mm，其余零件下料允许偏差见表1[4]。

表1　下料允许偏差

切割项目允许偏差/mm长度和宽度±3切割缺棱不大于1端面垂直度不大于板厚的5%且不大于1.5坡口角度±5°板边直线度不大于3

考虑焊接收缩量及变形校正，钢柱本体和H形牛腿翼腹板在下料时需加放一定余量，同时需严格控制箱型钢柱本体与多个H形牛腿坡口开设精度。

4.2　组装及焊接

4.2.1　组装箱型本体

箱型本体主焊缝需要采用线能量小的CO2气体保护焊进行打底焊，打底至t/3深度后，采用埋弧焊进行填充盖面，如图10—图12所示。

图10　超厚板组焊

图11　超厚板组焊及保温

图12　箱型本体组焊

气保焊打底时，采用两名焊工同时对称从两侧往中间焊接，埋弧焊从一端往另一端焊接。考虑到焊接收缩量，150 mm超厚板箱型装配时根据4边焊缝数，单条焊缝拉开6～8 mm间隙，并在内部加设40 mm工艺隔板，三面焊接，一面刨平顶紧，焊接前须在端部加设临时支撑，以保证焊后尺寸。

焊接完成后采用电加热做后热处理，加热至250～350 ℃，并保温3 h以上。

3段箱体组装成整体，装配时注意构件整体尺寸，并应预留焊接收缩间隙，焊接前应对焊缝两侧进行预热，温度控制在120～250 ℃。焊接过程应安排两名气保焊焊工同时焊接箱体对接焊缝，对称焊接。整体焊接完成24 h后，探伤合格后方可流入下道工序。

4.2.2　异型斜牛腿整体焊接

异型牛腿的翼板和腹板下料后应标出翼缘板宽度中心线和与腹板组装的定位线，并以此为基准进行异型牛腿的的拼装，异型牛腿组焊如图13。

图13　异型牛腿组焊

为防止在焊接时产生过大的角变形,拼装应采用斜撑进行加强,焊接时采用两侧隔板对称焊接，多层多道焊，以减少焊接变形，焊后对过大的截面变形采用火焰进行矫正。

4.2.3　异型斜牛腿与本体组焊

异型牛腿翼板板厚为100 mm，牛腿的自身拼接及与柱本体之间的焊缝等级均为全熔透一级焊缝，焊接采用气保焊打底，埋弧焊填充盖面，如图14。

图14　异型牛腿与本体组焊

焊前应进行预热，温度为150～180 ℃,层间温度150～250 ℃，焊后采用电加热至250～350 ℃，保温2 h。在装焊过程中应注意牛腿与本体之间的倾斜角度，必要时可采用全站仪进行控制点辅助测控。

5　质量控制

5.1　焊缝质量控制

焊接质量控制主要从焊工资质、设备、材料、焊接工艺以及施焊环境等方面进行全面控制，其中焊接工艺主要包含焊接工艺参数、接头准备、定位焊、焊前预热及后热、层间道间温度控制以及焊缝返修等[5]。

5.2　构件尺寸检测

构件焊接完成后进行尺寸检测和验收。依据GB 50205—2001[4]，采用钢卷尺、角尺，并辅以全站仪等工具对构件尺寸进行检测，合格后方可转入涂装工序。检测项目、允许偏差及实测值见表2。

表2　构件尺寸检测结果

检测项目允许偏差/mm实测偏差/mm柱截面尺寸(连接处)±3.03.0柱截面尺寸(非连接处)±4.0-1.0连接处对角线差3.01.0钢柱高度±3.0-2.0柱身弯曲失高H/1500,且不大于5.03.0柱身扭曲h/250,且不大于5.02.0箱型柱身板垂直度h/150,且不大于5.02.0牛腿的翘曲或扭曲(l>1000)3.02.0牛腿现场对接口1位置2.00.5牛腿现场对接口2位置2.01.0牛腿现场对接口3位置2.02.0

注：H为钢柱高度；h为截面高度；l为牛腿长度。

6　结束语

1)针对桁架层钢柱节点的150 mm超厚板箱体及100 mm异型斜牛腿，实现了高效、高质量的制作方法；

2)装配工艺宜采用箱型钢柱、异型斜牛腿分别组装、焊接、矫正后再整体组装，有利于各阶段控制制作质量；

3)充分考虑异型斜牛腿与本体之间倾斜的角度，牛腿端部设置控制点，采用全站仪进行辅助测控定位，保证异型斜牛腿定位精度；

4)充分考虑焊接截面收缩、焊接变形、焊接质量控制，制定合理的坡口形式，控制焊接温度，优化焊接顺序，采用CO2气体保护焊打底加埋弧填充盖面方式，严格执行焊接参数，可有效控制焊接变形，获得良好的焊接质量。

参考文献

[1]　栾公峰，李乡亮.大跨度、大倾斜角度塔冠连接巨柱制作技术[J].焊接技术，2015，44(9)：102-104.

[2]　GB 50755—2012　钢结构工程施工规范[S].

[3]　GB 50661—2011　钢结构焊接规范[S].

[4]　GB 50205—2001　钢结构工程施工质量验收规范[S].

[5]　刘长永，刘学峰.多腔体组合巨柱制作工艺研究[J].钢结构，2015，30(2)：49-52.

FABRICATION TECHNOLOGY OF TRUSS LAYER STEEL COLUMN WITH SUPER-THICK PLATE AND SPECIAL-SHAPED OBLIQUE CORBEL

Wang wei　Li Xiangliang　Li Dazhuang　Li Yumei　Liu Lirong

(China Construction Steel Structure Jiangsu Co. Ltd， Jingjiang 214532, China)

ABSTRACT：The characteristics of truss layer steel column with super-thick plate and special-shaped oblique corbel are high strength and super thick of steel plate, difficult in assembly and welding, difficult in component dimension precision control and so on. This paper introduced a method of 'blocking manufacturing, then overall assembly and welding' by analyzing the manufacturing difficulties. Some methods were applied in the manufacturing process, such as designing welding groove reasonably, optimizing the assembly and welding sequence, using coordinates in positioning corbels, controlling the welding deformation effectively, and ensuring the dimension accuracy. Quality control and detection were conducted in the whole process, so as to provide a reference for the fabrication of similar components.