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廣州新電視塔厚壁錐形鋼管柱、節點(diǎn)加工技術(shù)及卷制管的應力特點(diǎn)分析與質(zhì)量控制

作者：王曉波等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文介紹了廣州新電視塔鋼結構工程，建筑造型復雜，主要構件加工制作難度非常大，通過(guò)對高強度厚板錐形鋼管柱的加工工藝的不斷改進(jìn)，提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，本文對厚板錐形鋼管柱的加工、制作全過(guò)程進(jìn)行了總結。 關(guān)鍵詞：電視塔 厚壁錐形鋼管柱 加工 應力分析
    關(guān)鍵詞：廣州新電視塔 厚壁錐形鋼管柱 節點(diǎn)加工技術(shù)
    廣州市新電視塔高610米，由一座高達454米的主塔體和一個(gè)高156米的天線(xiàn)桅桿構成，建成后，在我國乃至世界上都屬于最高的鋼結構之一，具有廣泛的實(shí)用性和觀(guān)賞性，，也是當前世界經(jīng)典建筑中最具有時(shí)代性的標志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)，同時(shí)也是我國在國際地位與實(shí)力的顯示。如下圖示：

    鋼結構外筒是結構的主要抗側力體系，主要由鋼管構件組成，包括鋼管混凝土立柱、鋼管環(huán)梁和鋼管斜撐，鋼管混凝土立柱共24根，由地下二層柱定位點(diǎn)起呈傾斜狀沿直線(xiàn)至塔頂（+454.0m）相應的柱定位點(diǎn)，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2000mm，壁厚50mm縮至頂部外徑1200mm，壁厚30mm，，鋼材材質(zhì)采用Q390JGC和Q345GJC，管內充填C60高強混凝土。因建筑外觀(guān)造型的要求，立柱鋼管是帶錐度的錐形管。
    一.錐形鋼管成形工藝方案的確定
    分析本工程所用的各種規格鋼管，立柱φ2000×50～φ1200×30，其徑厚比為38，符合此規范采用冷卷工藝的要求，鋼板經(jīng)壓制或卷制后，其力學(xué)性能又要發(fā)生變化，壓制、卷制的過(guò)程，實(shí)際就是在外力作用下，使鋼板的外層纖維伸長(cháng)，內層纖維縮短而產(chǎn)生塑性彎曲變形。冷彎時(shí)變形越大，材料的冷加工硬化也越嚴重，在鋼板內產(chǎn)生的殘余應力也越大，甚至會(huì )發(fā)生表面裂紋。壓制或（卷制）后鋼管的表面硬度、冷硬化層深度將隨壓制（卷制）壓力和次數的增加而加大。
    根據本工程設計要求的鋼管柱規格（主要是徑厚比）、材質(zhì)、受力狀態(tài)和構件類(lèi)別，考慮到卷制和壓制制管工藝上各自的特點(diǎn)和應用范圍，以及工廠(chǎng)的實(shí)際加工設備，制作質(zhì)量比較，經(jīng)過(guò)綜合比較分析后，確定錐形鋼管柱采用卷制成型的工藝。
    二.錐管卷制成型的關(guān)鍵設備和關(guān)鍵技術(shù)
    1.放樣
    采用計算機三維放樣技術(shù)，對鋼柱筒體零件進(jìn)行準確放樣，繪制零件詳圖，作為繪制下料圖及數控編程的依據。本工程鋼柱由于其本體為錐型，其零件下料前需進(jìn)行展開(kāi)放樣。
    2.筒體卷制加工余量加放
    1）.鋼管壓制直徑精度的控制
    由于鋼管柱鋼板較厚，在壓制過(guò)程中鋼板的延伸率發(fā)生變化，會(huì )直接導致加工后筒體的直徑偏大，所以加工前必須采取措施進(jìn)行預防，根據本公司以前曾加工過(guò)的類(lèi)似工程的實(shí)際經(jīng)驗，φ1200×60-80mm鋼管壓制后，其圓周長(cháng)將會(huì )增加約10-15mm，所以加工前應將鋼管直徑縮小3-5mm展開(kāi)進(jìn)行展開(kāi)下料。
    2）.鋼管軋制壓頭余量的加放
    為保證每一管節位于縱縫區域曲線(xiàn)光順，必須在縱縫兩側各加放一定的加工壓頭余量，見(jiàn)下圖所示。

    3）.鋼管縱縫對接收縮余量的加放
    對接焊縫處需加放2mm焊接收縮余量。
    3. 壓頭
    根據錐管的曲面線(xiàn)形制作壓模并安裝，采用800噸油壓機進(jìn)行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數至少壓三次，先在鋼板端部150mm范圍內壓一次，然后在300mm范圍內重壓二次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗，切割兩端余量后并開(kāi)坡口。
    壓頭時(shí)注意壓頭質(zhì)量，鋼板制作，且圓弧處采用銑床進(jìn)行機加工，從而保證加壓頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到錐體的成型質(zhì)量，所以為保證加工質(zhì)量，尤其是錐度要求，壓頭檢驗用樣板必須使用專(zhuān)用樣板，樣板要求用3mm不銹鋼加工制作。

    4.卷制
    關(guān)鍵加工設備：
    筒體卷制采用EZW11100*3200數控卷板機及800噸油壓機加工成型。卷板機設備最大加工能力可達t=100mm；L=3200mm；D內≥850mm，見(jiàn)下圖所示。

    加工方法：
    對于筒節內徑大于φ1200mm的筒體采用卷板機一次加工成型，加工后只拼接一條對接縫。
    為了保證筒體的外形尺寸精度，筒體軋制時(shí)根據其錐度要求在零件上劃出加工母線(xiàn)（見(jiàn)下圖所示），軋制過(guò)程中通過(guò)加工母線(xiàn)位置進(jìn)行調節鋼板進(jìn)料方向及速度，從而達到加工成型的要求。

    5.鋼管的縱縫和環(huán)縫焊接
    1）. 鋼管縱縫和環(huán)縫焊接方法:筒體焊接采用在筒體自動(dòng)焊接中心或在專(zhuān)用自動(dòng)焊接胎架上進(jìn)行，筒體內外側均采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，如下圖所示。

    2）. 焊接順序：先焊內側，后焊外側面。內側焊滿(mǎn)2/3坡口深度后進(jìn)行外側碳弧氣刨清根，并焊滿(mǎn)外側坡口，再焊滿(mǎn)內側大坡口，使焊縫成型。
    3）. 焊前裝好引熄弧板，并調整焊機機頭，準備焊接。
    4）. 焊前預熱：焊接前必須對焊縫兩側100mm范圍內進(jìn)行預熱，預熱采用陶瓷電加熱板進(jìn)行預熱，預熱溫度100~150℃，加熱時(shí)需隨時(shí)用測溫儀和溫控儀測量控制加熱溫度，不得太高
    6.鋼柱端面機加工方法
    鋼柱端面機加工采用機械動(dòng)力裝置進(jìn)行端面銑加工，通過(guò)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(xiàn)相互垂直，端面加工如下圖所示。

    三.錐形厚板鋼管制造后的應力特點(diǎn)分析及質(zhì)量控制
    1.折彎成型對母材區應力的影響

    2.鋼管消應力工藝方案
    鋼管消應力方法經(jīng)過(guò)從可操作性、經(jīng)濟性、工藝性等方法的比較，鋼管消應力采用振動(dòng)時(shí)效工藝方案，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明此方法是最適合的。
    振動(dòng)時(shí)效工藝系統布置
    1）.按下圖放置各振動(dòng)工藝裝備與輔件。鋼管放在托架上，應保證4個(gè)橡膠墊壓縮均勻。鋼管固定端口平面距支架厚板平面約10～20mm，
    2）.激振器用C型夾固定在鋼管振動(dòng)端的上方，激振器大端面與鋼管端面齊平。偏心矩設定為32％（可以按實(shí)際效果在25～40％范圍調節）；
    3）.加速度傳感器放在激振器下方的鋼管內；



    2）.在最低共振峰f1的亞共率范圍內進(jìn)行工藝振動(dòng)，連續振動(dòng)18分鐘；手動(dòng)條件下可以每3分鐘調節一次轉速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進(jìn)行。記錄每次調節后的振幅與頻率；
    3）.再在次低共振峰f2的亞共振范圍內進(jìn)行第二次工藝振動(dòng)，連續振動(dòng)12分鐘；手動(dòng)條件下可以每3分鐘調節一次轉速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進(jìn)行。記錄每次調節后的振幅與頻率；
    4）.再次掃頻，獲工藝后的振動(dòng)幅值－電機轉速曲線(xiàn)（a-n曲線(xiàn)）。轉速變化范圍應保證與第一次掃頻相同；
    5）.打印自動(dòng)評定結果、2次掃頻（a-n）曲線(xiàn)和工藝(a-t)曲線(xiàn)。手動(dòng)控制時(shí)應把記錄數據填入工藝執行報告的相應欄目?jì)取?br /> 4.鋼管振動(dòng)時(shí)效前后的應力分析


    鋼管端部振動(dòng)時(shí)效后母材殘余應力分析
    導致直縫彎管端部母材殘余應力在振動(dòng)時(shí)效后上升的原因可能是因為振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，由于振動(dòng)這一外來(lái)機械能量的導入，使得原來(lái)存儲在管中的內能重新分布，在整體均化彎管的殘余應力的同時(shí)，不排除有一部分內應力在這一外來(lái)能量的作用下釋放出來(lái)。而且由于母材受到熱加工和機械加工（即焊接和折彎）的影響遠小于焊縫、HAZ和折彎部位，且在端部的母材要較中部的母材具有較小的約束和較大的自由度，因此端部的母材便成為有利的應力釋放口，導致的結果就是在振動(dòng)時(shí)效后其它測量部位的殘余應力下降的同時(shí)，端部母材的殘余應力有上升的趨勢。
    鋼管中部振動(dòng)時(shí)效后母材殘余應力分析










    四.外框筒鋼管柱節點(diǎn)的加工工藝
    1.結構說(shuō)明
    本工程外框筒部分構件主要由立柱節點(diǎn)、環(huán)梁和斜撐三部分組成，構件形狀和節點(diǎn)類(lèi)型如下圖所示：


    2.外框筒節點(diǎn)組裝工藝
    本工程共有節點(diǎn)1104個(gè)，由于該節點(diǎn)起著(zhù)連接上下立柱、斜撐、左右連接圓環(huán)彎管的特殊作用，且由于設計對安裝精度要求遠遠大于目前塔桅結構的安裝要求，所以要滿(mǎn)足達到高精度的安裝要求，對于外框筒節點(diǎn)的加工制作精度控制非常重要。
    1）.相貫線(xiàn)坡口的設計
    相貫口的切割方案最重要的一點(diǎn)是如何確定相貫坡口的角度，即如何實(shí)現相貫焊縫的最佳參數，實(shí)現焊縫等強。對于本工程而言，由于采用的是φ800、φ1000、φ850等規格均是大直徑，甚至是厚壁管，同時(shí)在細腰部斜撐與立柱的夾角非常小 ，相貫口的徑向長(cháng)度甚至達到2.3m左右，因此如何實(shí)現在相貫口A(yíng)、B、C、D區的等強焊接是關(guān)鍵的考慮因素。經(jīng)過(guò)反復的討論和論證我們采取以下的方案，在符合JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術(shù)規程》的基礎上，選用AWS D1.1：2004美國焊接學(xué)會(huì )《鋼結構焊接規范》的“對厚截面或有疲勞要求時(shí)改善的下凹形剖面形狀的免評定的管材T、Y和K形完全熔透（CJP）節點(diǎn)接頭”，相貫焊縫的分區示意和在不同區剖面坡口要求如下：

    2）.環(huán)梁的彎管工藝與質(zhì)量控制
    本工程的環(huán)梁由于建筑設計的需要，環(huán)梁均采用弧形鋼管與鋼柱連接起來(lái)，由于環(huán)梁為大口徑鋼管且壁厚較厚、彎曲半徑較小，環(huán)梁的彎曲難度較大，所以對于環(huán)梁的彎曲加工是本工程的一個(gè)加工制作的難點(diǎn)，我們根據多年積累的施工經(jīng)驗，以控制成本為出發(fā)點(diǎn)，在保證加工質(zhì)量的前提下，采用了冷彎成型工藝，如下圖所示，彎管前先按鋼管的截面尺寸制作上下專(zhuān)用壓模，壓模采用厚板制作，然后與2000噸油壓機用高強螺栓進(jìn)行連接，下模開(kāi)檔尺寸根據試驗數據確定。通過(guò)實(shí)際檢驗測量，彎管精度和質(zhì)量完全達到設計要求，很好地控制了加工成本。

    3）.節點(diǎn)組裝定位控制
    對于單個(gè)節點(diǎn)工廠(chǎng)制作而言，在深化時(shí)應給出具體的工廠(chǎng)可操作的定位模式或數據。同時(shí)由于節點(diǎn)系管狀結構，圖紙不能給出的是管中心的空間“虛擬中心點(diǎn)”坐標，否則在制作時(shí)無(wú)法實(shí)施，在本工程中我們采用了“三維坐標定位法”和放地線(xiàn)法聯(lián)合作業(yè)定位的思路進(jìn)行拼裝定位，同時(shí)配合高精度的全站儀進(jìn)行檢測，從而較好地控制了節點(diǎn)的組裝精度，如下圖示。

    五. 外框筒節點(diǎn)工廠(chǎng)預拼裝工藝
    1.外框筒構件預拼裝目的
    工廠(chǎng)預拼裝目的在于檢驗構件工廠(chǎng)加工能否保證現場(chǎng)拼裝、安裝的質(zhì)量要求，確保下道工序的正常運轉和安裝質(zhì)量達到規范、設計要求，能否滿(mǎn)足現場(chǎng)一次拼裝和吊裝成功率，減少現場(chǎng)拼裝和安裝誤差，特別是由于本工程外筒所有構件都呈空間三維傾斜，又附帶各種節點(diǎn)分段，本工程鋼立柱的安裝精度為1/2000，且不大于5mm，遠遠高于一般超高層建筑和塔桅的安裝精度要求；為控制外筒構件由于工廠(chǎng)制作誤差、工藝檢驗數據等誤碼差，保證構件的安裝空間絕對位置，減小現場(chǎng)安裝產(chǎn)生的積累誤差，故進(jìn)行外筒構件的預拼裝。
    2.外筒構件預拼裝方法
    本工程外筒由于在水平和垂直方向的外形尺寸都比較大，所以，如何采用合理的預拼裝方法來(lái)同時(shí)確保構兩個(gè)方向的預拼裝精度，將至關(guān)重要，根據工廠(chǎng)的預拼裝場(chǎng)地面積及構件本身的特點(diǎn)，預拼裝主要方法如下：
    1). 在外筒周長(cháng)方向(水平方向)的預拼裝方法
    由于外框筒水平投影尺寸較大，在底部時(shí)達到80×60m,頂部達到54×40.5m，對于工廠(chǎng)預拼裝來(lái)說(shuō)，若要進(jìn)行整體分段預拼，工廠(chǎng)一般沒(méi)有如此大的車(chē)間場(chǎng)地平臺；為此，外筒構件在橢圓方向上的預拼裝擬采用分區連續匹配預拼的方法進(jìn)行，將整個(gè)外筒橢圓沿周長(cháng)方向劃分為12個(gè)分區，按順時(shí)針或逆時(shí)針?lè )较蜻M(jìn)行“2+1”連續匹配預拼，即第一分區預拼后，將與第二分區相鄰的節點(diǎn)和立柱留下，并以留下的節點(diǎn)為基準，進(jìn)行第二分區的預拼，依此類(lèi)推，完成整個(gè)外筒的預拼裝。分區及預拼流程如下圖示：

    2). 外筒構件在高程方向上的預拼裝方法
    如前所述，則在外筒高程方向上將存在與相鄰階段之間的交接界面接口不能進(jìn)行整體預拼；為此，在高程方向上采用與橢圓方向預拼裝相同的方法，以“2+1”連續匹配的方法進(jìn)行預拼裝，即第一階段構件預拼裝后，將其頂部最上面的節點(diǎn)留下，并以此節點(diǎn)為基淮定位節點(diǎn)，進(jìn)行第二階段的預拼裝，在高程方向上保證構件經(jīng)過(guò)預拼裝，從而保證預拼裝立體拼裝要求。如下圖示意：


    六. 結束語(yǔ)
    江蘇滬寧鋼機股份有限公司是一個(gè)具有20多年鋼結構制作歷史和比較成熟的加工技術(shù)的鋼結構制作企業(yè)，在廣州新電視塔鋼結構的加工制作過(guò)程中，將先進(jìn)的現代技術(shù)運用到放樣、下料等生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程之中，并結合20多年積累下的豐富經(jīng)驗以及傳統的加工制作工藝，并取得了豐碩的成果。已加工制作好的近2萬(wàn)噸鋼構件均達到設計圖紙的要求、廣州新電視塔鋼結構質(zhì)量驗收規范以及國家有關(guān)標準、規范，為廣州新電視塔鋼結構工程的順利完成創(chuàng )造了優(yōu)良的條件，也為企業(yè)贏(yíng)得了榮譽(yù)，同時(shí)也使我們對鋼結構的加工工藝又有了更深的理解與質(zhì)的提高。
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