复杂节点钢柱制作技术

国家会议中心二期主体建筑采用框架支撑组合剪力墙结构体系，其中由中建二局廊坊钢结构分公司承接的 轴~ 轴部分工程量约4.6万t。钢桁架包括会议厅主桁架、宴会厅屋面桁架、屋顶花园屋面网壳和序厅屋面桁架，共0.7万t；框架体系中，钢柱以箱形柱为主，钢梁以H型梁为主，共3.6万t （图1）。

图1 轴~ 轴钢结构（计算机截图）

1?钢结构的特点

（1）构件截面主要为H型钢、双腹板H型、箱形和变截面箱形等。桁架数量多达40余榀，最大跨度72?m，最大截面高7.5?m。板材使用的钢材牌号包括Q355, Q345GJ, Q390GJ等，最大厚度为80?mm，对应的焊材种类繁多。

（2）部分钢柱托座数量多且形式不一，内部隔板纵横交错，纵隔板将横隔板断开，横隔板间距较近，操作时空间狭小。

（3）冬季制作构件时需考虑低温对钢材收缩的影响，适当增加收缩余量；温度降低还会延长焊前预热和焊后保温工序占用的时间，延长构件制作周期。

（4）会议厅桁架两端钢柱受力复杂，连接杆件多且截面多样，导致钢柱托座截面多样，内部隔板也较复杂。

本文介绍会议厅桁架两端钢柱（图2）的制作要点。

图2　钢柱模型示意

（a）示意1；（b）示意2；（c）示意3

2　板材采购

2.1　定尺板采购

本工程提料时，对材质相同、规格较一致、重量大或板厚较特殊的构件材料，选择购买定长定宽板；对材质相同、宽度相同、长度不一且重量大的主料（多为钢梁）或钢柱内规格相同或宽度板厚隔板，选择定宽不定长的钢板。定尺时还需参考材料供货周期，合理选择板材尺寸。

定尺前进行主材或大型零件预配料，预配料原则如下。

（1）对同一施工分部的零件优先组合，例如同一个工号中的零件优先组合排版。

（2）同构件的零件优先组合，例如同一根组焊型材（H型或箱形）翼缘板或腹板厚度相同则可优先组合排版。

（3）同长度的零件优先组合排版。

（4）同宽度的零件优先组合排版。

（5）定尺长度需考虑构件加工时的季节适当增加焊接收缩余量（表1），定尺宽度需考虑翼缘板宽度方向余量（2?mm）和火焰切割机割嘴宽度（4?mm），还需考虑构件起拱和铣端预留量。

表1　长度方向常规加工余量取值

2.2　不定尺板采购

对其他零件板，需对比其净重与毛重的差值。对差值较小的矩形板按重量+常规损耗提料，对差值较大的异形板则先选取零件形状占比较大的部分进行大致预排，再根据预排结果增加适量损耗或考虑 定宽。

3　零件下料

下料前应清除钢板表面的铁锈、油污等杂物，检查钢板的不平度。对不满足表2规定的钢板用1?000?t液压机矫平。精心进行软件排版，排版时根据采购预排选择钢板，预排原则也适用于实际排版。

表2　钢板局部平整度要求

3.1　主材下料

（1）对长度不足的板材，下料前先采用双面埋弧焊进行对接，施焊位置为平焊，焊缝等级为全熔透一级。焊接完成后测量钢板的直线度，校正超差，经质检人员探伤合格后方能下料。钢板装配允许错边量为：钢板厚度 t ＜30?mm允许错边量 t /10，且 t ≤2.0?mm； 钢板厚度 t ≥30?mm，允许错边量 t /10，且 t ≤3.0?mm。

（2）主料拼接须满足以下要求：组焊型材（H型、箱形）翼板长度方向接料长度不得小于600?mm且不得小于2倍板宽；腹板长度方向接料不得小于600?mm，宽度方向均不允许接料；翼腹板拼接缝间距应大于200?mm，与孔位、劲板、节点间应至少错开200?mm。

3.2　其他小零件下料

考虑节约用料对异形小零件的需求，在排版时通常采用以下方法。

（1）集中下料法：将数个工号中材质、板厚相同的零件集中在一起下料，统筹安排，大小搭配。

（2）零件拼整法：对整体下料损耗较大的零件 （如回字形隔板），在工艺许可的条件下，采用拼整的方法将零件拆分成多个零件，再进行拼焊。

4　构件装焊措施

4.1　装焊顺序

桁架端头钢柱结构较复杂，需多次装焊才能制作完成。钢柱制作顺序如图3所示。将纵向隔板与上中两层隔板组焊校正，组焊成图3（a）所示的结构→将钢柱两腹板和a结构组焊，同时装焊构造隔板，组焊完成后如图3（b）所示→装焊剩余横隔板，焊接完成后装电渣焊隔板，装钢柱翼缘板（图3c、图3d）→ 装焊外部托座、吊耳卡板（图3e）。

图３　钢柱装焊顺序

（a）示意1；（b）示意2；（c）示意3；（d）示意4；（e）示意5；

4.2　厚板焊接措施

正式施焊前需进行焊接工艺评定，根据合格的焊评报告选用合适的焊接参数，如焊材选用、焊接电流电压、焊接速度、层温控制、焊前焊后措施等。 

4.2.1　防层状撕裂的工艺措施

（1）改善坡口形式。将坡口对称优化，例如采用双面坡口代替单面坡口等；适量减小坡口角度及间隙，减少焊接填充量，以减少热输入；将T形接头转换为十字接头等。

（2）优化焊接位置。在构件易于调整的条件下，用横焊、平焊代替立焊、仰焊，调整焊接位置可改善焊接熔深和热输入情况，提高母材抗撕裂性能。

4.2.2　焊接变形控制工艺措施

采用双面坡口对称焊接，对称截面采用构件中心对称的方法施焊。长焊缝采用多人对称施焊法和分段退焊法，焊接方法为多层焊。通过调整焊接顺序和焊接方法减小热输入量，采用对称施焊也可减少构件弯扭现象。

4.3　钢构件冬季制作技术措施

因构件在车间制作，温度比外界温度高，受天气影响小。冬季主要影响因素为温度，故制作时主要考虑温度因素。

4.3.1　焊前预热与焊后保温

焊接作业区环境在0~10℃时，需对焊接区域各方向不小于2倍板厚且不小于100?mm范围内的母材进行加热，且焊接过程中温度均不得低于20℃，焊接位置温度不得高于250℃，预热要求见表3。

表3　钢材最低预热温度要求

针对焊前预热，厂内自行研制了一种工装：采用长2?m的 ? 50×3的圆管为主杆，一端封堵，另一端设置开关阀，中间每隔100?mm开孔与长100?mm的 ? 30×30 圆管焊接，形成导管，外设支架挂钩等。 将该工装与甲烷管道接通，管道设置回火阀，在车间内设置可燃气体探测装置，以降低危险。 通过挂钩与支架将工装安放至指定位置加热。 预热结束后测量预热温度，测量位置为焊接位置的反面，测温点位于离电弧经过前焊接点各方向不小于75?mm处。 焊接过程中使用石棉被保温，必要时可采用火焰加热保证层间温度的综合要求。

4.3.2　其他注意事项

零件组装前须将接缝两侧各50?mm范围内的铁锈、油污等杂质清理干净，接缝位置应干燥，不得残留水分。

冬季焊接时应适当增加焊道层数并应连续施焊，若焊接中断需及时保暖，重新焊接时温度不得低于预热温度。焊缝返修前需将焊缝加热50℃以上再用碳弧气刨清除焊缝缺陷，补焊过程同上。

5　打砂油漆

受打砂设备的限制，部分构件无法完整通过打砂机，因此在构件加工时根据实际尺寸及重量调整制作步骤，将打砂构件（或组合）的尺寸和重量控制在打砂设备的限制内。

制作工序有2种：一是先进行钢板打砂（或打砂并喷涂–20?μm车间底漆），然后下料、组装焊接、油漆；二是先进行钢板下料、组装焊接，托座与柱身暂不安装，待打砂完成后再组焊托座，最后涂刷油漆。

考虑到厂内打砂设备最大允许通过尺寸为1?800?mm×3?400?mm，允许最大单重为18?t，故结合厂内产能，对超限的构件暂不组装单侧或两侧的托座，将未组装的托座与构件分别打砂，检验合格后根据图纸标注出构件屏蔽区域，在打砂完成后4?h内喷涂一道防锈底漆。

待油漆干后再转移到制作车间装焊托座，整体验收合格后交付油漆车间，对油污和漆面损坏的部位使用行角磨机打磨补漆，再喷涂油漆，待干燥后再进行油漆检验，以保证钢构件的最终质量。