超大截面复杂箱形桁架钢柱加工制作技术

1工程概况

国家会议中心二期项目建设用地位于大屯路道路以北，东邻天辰东路，西邻天辰西路，大屯北路下穿建筑主体，与地铁15号线奥森公园站接驳，建筑功能为会展中心（图1）。

图1??建筑整体规划效果示意

大跨度转换层桁架位于主会场区与会展区+13.500?m标高，跨度分别为72?m和81?m。转换层桁架共27榀，桁架自重约800?t；整个桁架层钢结构重量10?000?t（主会场区）、20?000?t（会展区），超大截面箱形组合钢柱截面最大达2?500?mm×1?500?mm，纵向与横向方向均有桁架与钢柱相连，钢柱内部合理布置双向纵向隔板及十字加劲板，保证内部混凝土浇筑密实（图2）。

图2??大跨度转换层结构示意

2??超大截面箱形组合钢柱制作难点

分析本工程结构特点，箱形组合钢柱是最主要的竖向承重构件，是本工程的关键核心，箱形组合钢柱加工制作质量的好坏将直接关系到安装及项目质量的好坏，因此如何采取措施保证钢柱节点结构的加工制作精度满足设计和安装要求是本工程的重点。

超大截面箱形组合钢柱结构截面为2500mm×1500mm×60mm×60mm，内部隔板厚50?mm, 80mm，大部分板厚在60~80?mm，最大板厚达80?mm。焊接坡口均为全熔透焊缝，焊接收缩变形较大，易产生各种变形，会造成钢柱截面尺寸发生较大的误差，如果钢柱加工后误差过大，则会影响现场安装进度和安装质量，给安装单位带来不利后果，故为保证组合钢柱现场安装的进度和精度要求，工厂制作时须对钢柱壁板的平整度以及钢柱的外形尺寸精度进行严格控制。

超大截面箱形组合钢柱隔板电渣焊焊缝长2.5?m，常规的非熔嘴电渣焊仅可焊接1.6?m长焊缝，需改进电渣焊送丝导杆长度，否则无法完成该部位焊缝的焊接。因常规电渣焊应用板厚较薄，而本工程该部位板厚为50?mm，因此在制作前须进行该部位电渣焊焊接工艺评定试验，编制相应的焊接工艺规程（图3）。

（a）      （b）

图3??超大截面箱形组合钢柱示意

（a）示意1；（b）示意2

3??超大截面箱形组合钢柱制作技术要点

（1）根据钢柱的结构特点，制作前将其拆分为面板、腹板、横向隔板、竖向隔板、内部加劲、节点板、托座、耳板等多种零件板。制作时，先分别进行各面板、腹板、隔板、大过渡竖向隔板的加工，而后再采用卧造法在组装胎架上进行组装焊接。

（2）国内钢厂的厚板存在着波浪形的不平整和扭曲变形，造成厚钢板不平、不直。这样的厚板如直接加工制作，会产生焊缝不规则、构件不平直、构件组装尺寸误差大等缺陷。厚板拼装的构件一旦装焊完成，矫正将非常困难。根据经验，须将厚钢板原材料的平整度控制在每平方小于1?mm，方可确保能加工制造出高精度的厚板构件。由于本工程采用的钢板超厚，最厚达80?mm，无法采用国内常用的厚板矫正机进行矫正作业，需采用特殊工艺进行矫正。

（3）采用重型组装平台进行组装，控制结构变形。构配件组装须采用专用组装胎架进行组装，根据构件、节点的外形特点、制作工艺要求，在重型平台上制作重型整体组装胎架。组装胎架上口水平度必须保证不大于0.5?mm，超差须进行修正。

（4）优化组装方法和焊接工艺，控制组装精度及焊接整体变形。超厚板焊接采用窄间隙小坡口焊接工艺，节点托座采用双数焊工对称焊接控制焊接变形，焊后采用振动消应力工艺消减节点焊接应力。

4??超大截面箱形组合钢柱加工方案

4.1??专用组装胎架搭设

本工程复杂构件、节点组装必须在专用重型平台上制作，平台要有预埋件，满足结构抗倾覆要求。超大截面箱体地面定位基准线的画线和胎架的搭设，组装胎架必须有一定的承载力，并且不得有明显的晃动。胎架高度及其水平度须控制在±1?mm以内，根据组装要求进行严格的控制，胎架必须经专职检查员验收合格后方可使用。对同时车间内至少具备2台50?t大型桥式行车及大型构件翻身能力。

4.2??竖向隔板与箱形面板组装

箱体下面板的吊装定位和栓钉、竖向隔板位置画线及吊装定位，竖向隔板内部构架焊接、探伤合格后安装盖板，上面板安装前应清除箱内垃圾，验收合格后方可进行上面板的定位。上面板吊装前进行栓钉、竖向隔板位置的画线，安装时须定对与竖向隔板的相对位置，检查其平整度，组成H字箱形结构（图4）。

（a）      （b）

图4??竖向隔板与箱形面板组装

（a）示意1；（b）示意2

4.3??横向隔板装焊

H字箱形结构焊接成型后内侧中间横向隔板与构架间采用四面焊接形式，而内侧横向隔板的两外侧隔板与竖向隔板间采用三面焊接形式，另一面与箱体盖板侧采用电渣焊形式（图5）。内侧中间横向隔板焊接探伤合格后，进行外侧横向隔板装焊，中间和两外侧横向隔板与构架间均采用四面焊接形式（图6）。

（a）      （b）

图5??内侧横向隔板装焊

（a）示意1；（b）示意2

（a）      （b）

图6??外侧横向隔板装焊

（a）示意1；（b）示意2

4.4??分仓板及隔板装焊

分仓板优先于隔板组装，分仓板与构架间的焊缝采用局部熔透焊缝形式，最外侧分仓板与柱顶封板间顶紧不焊。待分仓板探伤合格后，工人进入箱体内部装焊分仓处隔板（图7）。

（a）      （b）

图7??分仓板及隔板装焊

（a）示意1；（b）示意2

4.5??箱体盖板和端口处构造隔板及柱顶封板装焊

盖板在安装时须定对与腹板的相对位置，并检查其平整度，定位合格后点焊牢固。然后进行横隔板与腹板间的电渣焊接，根据横向隔板的电渣焊位置，进行箱体钻孔，钻孔大小严格按不同板厚对孔径的要求进行钻孔。钻孔完成后进行箱形内部横向隔板装焊的电渣焊焊接，为减少焊接变形需由中间往两边对称焊接。最后在焊接完成后去除引弧装置半将焊缝收口端焊缝修磨平整（图8）。

（a）      （b）

图8??横向隔板的电渣焊焊接

（a）示意1；（b）示意2

将组装好的箱体吊入箱形焊接流水线，焊接前先进行组装引熄弧板，对于较厚的钢板还应先进行预 热，然后进行箱体纵缝的对称焊接，焊接进行探伤检查。最后安装端口处构造隔板和封板（图9）。

（a ）      （b）

图9??封板装焊

（a）示意1；（b）示意2

4.6??节点板托座装焊

箱形钢柱纵缝探伤合格后在专用组装胎架上安装节点板托座。先采用 C O ₂ 气保护焊焊接节点板，焊接前先进行预热，焊接时应进行清根处理，焊接后进行100%UT探伤检查，然后进行节点板托座腹板定位组装焊接，确认定位正确后提交专职检查员进行验收，验收合格后进行焊接，焊接后进行探伤检查（图10）。

（a）      （b）

图10??节点托座装焊

（a）示意1；（b）示意2

4.7??H形托座和附件的装焊

将装焊合格的H形托座分别定对安装位置线，定位正确后点焊牢固。各托座、耳板定位合格后进行自检互检，验收合格后进行整体焊接。焊接时先焊托座与主体间的平焊及其他立焊，一个方向焊后翻身，进行另一方向托座的焊接，焊接要求相同。焊后进行焊缝清理和探伤，应后焊耳板与钢柱间的焊缝，以便钢柱出现焊接收缩超差时进行适当调整（图11）。

（a）      （b）

图11??H形托座装焊

（a）示意1；（b）示意2

4.8??构件整体验收

构件端口需整体端铣加工，保证构件及节点板外形尺寸。将验收合格的构件转移至端面机加工平台，在平台上定好中心线和水平度，进行上下端面的端铣加工，端铣加工过程中应注意以洋冲印作为基准，端铣后应留半只洋冲印，通过端铣机加工控制端口尺寸精度。自检互检合格后提交专职检查员及驻厂监理进行完整性验收。验收时采用地样法及全站仪相结合的方法进行，有效地控制构件加工的质量（图12）。

（a）      （b）

图12??整体验收

（a）示意1；（b）示意2

5??结束语

针对国家会议中心二期项目超大截面箱形组合钢柱的结构特点及加工制作精度控制难点，采用合理的组装顺序，控制焊接变形，研究出切实可行的加工制作工艺方法，为类似工程构件制作积累了经验，形成了成熟的焊接变形控制工艺，建立完善焊接质量保证体系，从而有效地控制焊接应力应变。