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中央電視臺新臺址鋼結構工程外框柱的制作

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    宗友發(fā) 顧林華 顧思民
    上海中遠川崎重工鋼結構有限公司
    [摘 要] 通過(guò)將空間尺寸轉換為平面尺寸簡(jiǎn)化制作難度,進(jìn)行外框柱的組裝和檢驗;采用大型平臺制作,以中心點(diǎn)(WP點(diǎn))和中心線(xiàn)為定位、制作、檢驗的基準,達到控制尺寸的目的;同時(shí)控制焊接變形、銑削柱和碟形牛腿端面,保證了外框柱的最終制作精度。
    [關(guān)鍵詞] 雙向傾斜 箱形構件 碟形牛腿 WP點(diǎn) 焊接變形控制

    1. 概述
    中央電視臺新臺址鋼結構工程中,主樓的兩座塔樓雙向傾斜60,為滿(mǎn)足整體結構漂亮的傾斜造型,其外框柱亦需要在兩個(gè)方向各傾斜60,同時(shí)由于水平梁和斜撐的不同布置,使得外框柱呈現空間雙向傾斜的外形結構,典型外框柱節點(diǎn)見(jiàn)附圖1。圖中柱身和碟形節點(diǎn)斷面均為箱形構造,柱身在現場(chǎng)進(jìn)行上下柱的焊接連接,碟形牛腿上下到現場(chǎng)分別與箱形斜撐焊接連接;梁牛腿為H形或箱形,分別與水平各方向的梁連接。由于在柱身兩個(gè)方向出現傾斜,水平設置的梁還需要旋轉不同的角度,才能滿(mǎn)足整體設計要求。

    2. 定位基準的確定
    從電子模型轉換過(guò)來(lái)的設計圖,保證了空間尺寸的準確。但由于柱身雙向傾斜的特點(diǎn),設計圖給定的尺寸大多為空間尺寸,很難準確描述構件定位的實(shí)際尺寸,同時(shí)在平面圖上很難表達空間點(diǎn)的具體位置,這給制作帶來(lái)了很大的難度。而鋼結構制作中的定位、組裝、檢驗,需要平面尺寸,需要確定基準定位點(diǎn)。這就需要進(jìn)行設計圖的二次尺寸轉換,把空間的尺寸轉換為可以制作的平面尺寸。我們在前期的技術(shù)準備中,主要做了兩個(gè)方面的工作:
    a) 確定基準點(diǎn)
    基準點(diǎn)的確定涉及制作、檢驗和現場(chǎng)吊裝。在原設計圖尺寸的基礎上,首先確定將原圖中的蝶形牛腿中心與梁牛腿中心的交會(huì )中心(WP)點(diǎn)作為尺寸的基準點(diǎn)(該點(diǎn)通過(guò)構件橫截面的中心),構件所有重要部位的尺寸均以WP點(diǎn)為基準。這樣做,一方面可以保證蝶形牛腿方向和梁牛腿方向定位準確,從而降低現場(chǎng)吊裝難度;另一方面借助WP點(diǎn)確定柱身兩端尺寸,可以保證構件長(cháng)度準確,保證現場(chǎng)安裝定位準確。WP點(diǎn)的位置示意圖見(jiàn)附圖2。

    b) 確定平面尺寸
    確定了WP點(diǎn)作為基準點(diǎn)后,針對空間尺寸難以進(jìn)行構件定位、組裝和檢驗的難題,進(jìn)行二次詳圖轉換。
    先把雙向傾斜60的柱身旋轉至水平和垂直位置,將牛腿轉換為雙向傾斜60位置,把柱身空間尺寸轉換為平面尺寸。此外,因為WP點(diǎn)是通過(guò)構件橫截面形心的點(diǎn),在進(jìn)行平面組裝時(shí),必須先把WP點(diǎn)投影到構件的上平面,并依據上平面的WP點(diǎn)把相關(guān)空間尺寸通過(guò)計算機放樣轉換成構件平面的實(shí)長(cháng),重新繪制制作用圖,作為構件制作、定位、檢驗的依據。在實(shí)際的制作中,二次轉換后的詳圖發(fā)揮了重要的作用,尤其在制作柱身和牛腿有彎曲的外框柱時(shí),平面上WP點(diǎn)的確定和確定平面尺寸就成了構件制作和檢驗的關(guān)鍵。
    3. 外框柱的制作
    3.1 柱身的制作
    柱身為箱形截面,利用本公司成熟的BOX生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行制作。由于構件所用鋼板較厚,多為50mm~90mm的厚板,且全熔透焊縫占的比例很大,焊接線(xiàn)能量較大。我們適當加放了焊接收縮余量,制定了詳細的焊接順序,依據焊接工藝評定嚴格制定了焊接規范,同時(shí)增加了保持板的數量。跟蹤組裝、焊接、校正等每一道工序,觀(guān)察構件的變形和收縮量,通過(guò)計算驗證余量的加放,控制焊接變形。最后通過(guò)端銑將柱身總長(cháng)控制在設計規定的范圍內。
    3.2蝶形牛腿制作
    3.2.1 制作平臺的設置
    蝶形牛腿的制作尺寸和位置是否準確,關(guān)系到構件的總體質(zhì)量。為此必須在平臺上進(jìn)行制作。我們首先設置了專(zhuān)用的組裝平臺,該平臺上平面經(jīng)過(guò)機械加工

    并調整水平。組裝平臺的長(cháng)度和寬度必須滿(mǎn)足構件的長(cháng)度和寬度,平臺的設置見(jiàn)附圖3。外框柱柱身旋轉后碟形節點(diǎn)的組裝位置見(jiàn)附圖4。
    3.2.2 蝶形牛腿的組裝
    ① 在平臺上劃線(xiàn)
    為了保證牛腿定位準確,在平臺上按1:1放樣。劃線(xiàn)時(shí)首先作出WP點(diǎn),依據WP點(diǎn)作構件中心和牛腿定位中心。見(jiàn)附圖5。

    ② 在牛腿面板上劃線(xiàn)
    蝶形牛腿的上下面板都應進(jìn)行劃線(xiàn),以保證蝶形牛腿上下面板尺寸一致。做法是先將上面板吊上平臺,按位置放置,檢驗下料偏差,確定中心和位置后,把中心線(xiàn)引到面板側面。再把中心線(xiàn)兩側的定位板固定在平臺上,然后將板吊下平臺;
    再把下面板吊上平臺,檢驗中心位置與上面板的偏差,進(jìn)行適當的調整后固定下面板,固定時(shí)不允許直接在構件與平臺之間點(diǎn)焊,用壓碼加楔形鐵進(jìn)行固定。
    ③ 裝配碟形牛腿內部板
    由于焊接位置的原因,內部構件不能一次完全裝配到位,需分階段裝配,隱蔽焊縫焊接后才能完整組裝。裝配的要點(diǎn)為:
    a) 斜支撐處保證牛腿邊線(xiàn)到WP點(diǎn)的距離;
    b) 水平牛腿部位保證孔中心到WP點(diǎn)的距離。由于水平牛腿位置在實(shí)際安裝時(shí)H型鋼翼緣板與地面垂直,因此同時(shí)還應重點(diǎn)保證H型鋼的裝配角度。
    ④ 蓋板、焊接和校正
    將上面板重新吊上平臺,裝配就位,內側已裝構件用CO2氣體保護焊進(jìn)行焊接,焊后校正。
    ⑤ 端銑線(xiàn)和檢驗線(xiàn)
    為保證蝶形牛腿尺寸和位置滿(mǎn)足設計要求,制作后的蝶形牛腿上下接口處還必須進(jìn)行端銑。
    端銑前先進(jìn)行劃線(xiàn)。將焊接、校正后的碟形牛腿吊上組裝平臺,按制作時(shí)平臺上的劃線(xiàn)調整碟形牛腿的位置和尺寸,然后將平臺上的位置線(xiàn)投影到碟形牛腿上表面,作出端銑線(xiàn),同時(shí)在端銑線(xiàn)后端100mm處作端銑檢驗線(xiàn)。
    ⑥ 蝶形牛腿的端銑
    采用本公司專(zhuān)用的端銑機床,制作專(zhuān)用的端銑胎架,對碟形牛腿的上下斷面進(jìn)行端銑。

    3.3 碟形牛腿與柱本體大組裝
    組裝在平臺上進(jìn)行。組裝和控制要點(diǎn)為:
    ① 組裝胎架
    由于蝶形牛腿與柱身組裝時(shí)在上下焊縫部位需要留出適當的空間,同時(shí)也為劃線(xiàn)、引線(xiàn)的需要,我們在平臺上設制了一組相同高度的胎架板,在胎架板上進(jìn)行組裝。
    ② 引出WP點(diǎn)
    借助蝶形牛腿組裝時(shí)的劃線(xiàn),先將柱身吊入組裝平臺放妥,將平臺上組裝用的柱身中心線(xiàn)、其它線(xiàn)條和W P點(diǎn)引出,利用測量工具引到柱身上平面。然后將蝶形牛腿分別吊入組裝平臺,引出牛腿中心與柱身WP點(diǎn)交會(huì )(4條線(xiàn)延長(cháng)交會(huì )于WP點(diǎn)),誤差控制在±2mm范圍。
    ③ 確定相關(guān)尺寸
    依據WP點(diǎn)調整蝶形牛腿位置進(jìn)行組裝定位,仍然利用二次轉換后的詳圖進(jìn)行測量和檢驗。為使制作后的構件測量更直觀(guān),更切合實(shí)際,二次尺寸轉換后的詳圖中給出了各個(gè)方向測量和檢驗的相關(guān)尺寸和角度,見(jiàn)附圖7。

    4 焊接
    蝶形牛腿與柱身的焊接非常關(guān)鍵,由于焊縫為內側加襯墊后的外側單面焊,全熔透焊接,板厚在50mm以上。本公司采用底部2道CO2氣體保護焊,其余多道埋弧焊的焊接方法進(jìn)行焊接。為控制焊接變形,我們設想了兩套工藝方案。
    一套方案為在焊接過(guò)程中不斷翻身,交替焊接上下焊縫,利用焊縫本身的收縮進(jìn)行相互之間的制約;另一套方案為在牛腿內部加裝小型千斤頂支撐,通過(guò)定時(shí)加壓控制焊接過(guò)程中的變形,見(jiàn)附圖8。

    在首件制作時(shí),兩套方案交替使用,跟蹤焊接全過(guò)程。實(shí)踐證明,在焊接過(guò)程中適當增加翻身次數,可以有效控制焊接變形。在以后的制作中,為提高生產(chǎn)效率,我們將第二套方案中內部支撐的小型千斤頂改為臨時(shí)固定支撐,起到了相同的效果。
    由于外框柱采用的主材為Q345C和Q390D,部分構件還采用了Q420D和Q460E,除了選取合適的焊接材料、嚴格進(jìn)行焊接工藝評定外,焊接預熱溫度的選取也很重要,附表1為通過(guò)焊接工藝評定確定的預熱溫度值。
    預熱溫度表:

    注:(1)接頭預熱溫度的選擇以較厚板為基準,應注重保證厚板側的預熱溫度,嚴格控制薄板側的層間溫度;表中溫度值為最低預熱和層間溫度,實(shí)際預熱和層間溫度應不小于最低預熱溫度,接頭的預熱溫度和層間溫度最大不宜超過(guò)230℃;
    (2)預熱采用乙烯火焰加熱,加熱區域為被焊接頭中較厚板的兩倍板厚范圍,但不得小于100mm區域,預熱應注意均勻加熱,確保接頭根部加熱溫度滿(mǎn)足要求。
    5. 外框柱成品裝配
    完成碟形牛腿與柱身的組裝、焊接,僅僅是外框柱構件制作的一部分。構件的成品裝配同樣存在很大的難度。主要體現在其余方向和部位水平牛腿的組裝,這些牛腿在設計圖中的表達均為復雜的空間傾斜角和旋轉角。為此我們在二次尺寸轉換后的詳圖中重點(diǎn)對這部分牛腿作了描述,以WP點(diǎn)為基準,給出從測量點(diǎn)到WP點(diǎn)的平面定位尺寸和角度。

    附圖9為典型BH300牛腿裝配尺寸,該牛腿的腹板中心與柱身中心旋轉約60,圖中標注了匯交點(diǎn)至上翼緣的垂直尺寸和腹板中心至WP點(diǎn)的水平尺寸;附圖10為典型BH800牛腿的旋轉角度和BH300牛腿的傾斜角度及相關(guān)的裝配尺寸。

    在實(shí)際裝配中,依據二次詳圖尺寸進(jìn)行組裝后,由質(zhì)控人員進(jìn)行確認,以保證尺寸和方位的準確,同時(shí)控制裝配誤差。
    焊接的全過(guò)程跟蹤和監控焊接變形,及時(shí)進(jìn)行校正,很好地保證了整體質(zhì)量。
    至此,外框柱已基本制作成型,經(jīng)過(guò)檢驗合格,便可按設計要求進(jìn)行外觀(guān)涂裝了。
    6.結語(yǔ)
    由于采取了有效的工藝方法,并嚴格按工藝控制制作過(guò)程,本公司制作的外框柱完全符合設計要求,保證了中央電視臺項目的順利進(jìn)行,為2008年奧運會(huì )作出了應有的貢獻。

    參考文獻
    《建筑鋼結構施工手冊》(中國鋼結構協(xié)會(huì )編著(zhù))――北京:中國計劃出版社2002年5月出版


    2007年2月14日
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