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中央電視臺(tái)新臺(tái)址鋼結(jié)構(gòu)工程外框柱的制作

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)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(yuǎn)川崎重工鋼結(jié)構(gòu)有限公司
    ［摘 要］ 通過(guò)將空間尺寸轉(zhuǎn)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(yàn)；采用大型平臺(tái)制作，以中心點(diǎn)（WP點(diǎn)）和中心線(xiàn)為定位、制作、檢驗(yàn)的基準(zhǔn)，達(dá)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(gòu)件 碟形牛腿 WP點(diǎn) 焊接變形控制

    1. 概述
    中央電視臺(tái)新臺(tái)址鋼結(jié)構(gòu)工程中，主樓的兩座塔樓雙向傾斜60，為滿(mǎn)足整體結(jié)構(gòu)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(xiàn)空間雙向傾斜的外形結(jié)構(gòu)，典型外框柱節(jié)點(diǎn)見(jiàn)附圖1。圖中柱身和碟形節(jié)點(diǎn)斷面均為箱形構(gòu)造，柱身在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行上下柱的焊接連接，碟形牛腿上下到現(xiàn)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(xiàn)傾斜，水平設(shè)置的梁還需要旋轉(zhuǎn)不同的角度，才能滿(mǎn)足整體設(shè)計(jì)要求。

    2. 定位基準(zhǔn)的確定
    從電子模型轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的設(shè)計(jì)圖，保證了空間尺寸的準(zhǔn)確。但由于柱身雙向傾斜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)圖給定的尺寸大多為空間尺寸，很難準(zhǔn)確描述構(gòu)件定位的實(shí)際尺寸，同時(shí)在平面圖上很難表達(dá)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(jié)構(gòu)制作中的定位、組裝、檢驗(yàn)，需要平面尺寸，需要確定基準(zhǔn)定位點(diǎn)。這就需要進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的二次尺寸轉(zhuǎn)換，把空間的尺寸轉(zhuǎn)換為可以制作的平面尺寸。我們?cè)谇捌诘募夹g(shù)準(zhǔn)備中，主要做了兩個(gè)方面的工作：
    a) 確定基準(zhǔn)點(diǎn)
    基準(zhǔn)點(diǎn)的確定涉及制作、檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)吊裝。在原設(shè)計(jì)圖尺寸的基礎(chǔ)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(zhǔn)點(diǎn)（該點(diǎn)通過(guò)構(gòu)件橫截面的中心），構(gòu)件所有重要部位的尺寸均以WP點(diǎn)為基準(zhǔn)。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(zhǔn)確，從而降低現(xiàn)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(gòu)件長(zhǎng)度準(zhǔn)確，保證現(xiàn)場(chǎng)安裝定位準(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)后，針對(duì)空間尺寸難以進(jìn)行構(gòu)件定位、組裝和檢驗(yàn)的難題，進(jìn)行二次詳圖轉(zhuǎn)換。
    先把雙向傾斜60的柱身旋轉(zhuǎn)至水平和垂直位置，將牛腿轉(zhuǎn)換為雙向傾斜60位置，把柱身空間尺寸轉(zhuǎn)換為平面尺寸。此外，因?yàn)閃P點(diǎn)是通過(guò)構(gòu)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(gòu)件的上平面，并依據(jù)上平面的WP點(diǎn)把相關(guān)空間尺寸通過(guò)計(jì)算機(jī)放樣轉(zhuǎn)換成構(gòu)件平面的實(shí)長(zhǎng)，重新繪制制作用圖，作為構(gòu)件制作、定位、檢驗(yàn)的依據(jù)。在實(shí)際的制作中，二次轉(zhuǎn)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(gòu)件制作和檢驗(yàn)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(gòu)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(dāng)加放了焊接收縮余量，制定了詳細(xì)的焊接順序，依據(jù)焊接工藝評(píng)定嚴(yán)格制定了焊接規(guī)范，同時(shí)增加了保持板的數(shù)量。跟蹤組裝、焊接、校正等每一道工序，觀(guān)察構(gòu)件的變形和收縮量，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證余量的加放，控制焊接變形。最后通過(guò)端銑將柱身總長(zhǎng)控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)。
    3.2蝶形牛腿制作
    3.2.1 制作平臺(tái)的設(shè)置
    蝶形牛腿的制作尺寸和位置是否準(zhǔn)確，關(guān)系到構(gòu)件的總體質(zhì)量。為此必須在平臺(tái)上進(jìn)行制作。我們首先設(shè)置了專(zhuān)用的組裝平臺(tái)，該平臺(tái)上平面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工

    并調(diào)整水平。組裝平臺(tái)的長(zhǎng)度和寬度必須滿(mǎn)足構(gòu)件的長(zhǎng)度和寬度，平臺(tái)的設(shè)置見(jiàn)附圖3。外框柱柱身旋轉(zhuǎn)后碟形節(jié)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(tái)上劃線(xiàn)
    為了保證牛腿定位準(zhǔn)確，在平臺(tái)上按1：1放樣。劃線(xiàn)時(shí)首先作出WP點(diǎn)，依據(jù)WP點(diǎn)作構(gòu)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(yīng)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(tái)，按位置放置，檢驗(yàn)下料偏差，確定中心和位置后，把中心線(xiàn)引到面板側(cè)面。再把中心線(xiàn)兩側(cè)的定位板固定在平臺(tái)上，然后將板吊下平臺(tái)；
    再把下面板吊上平臺(tái)，檢驗(yàn)中心位置與上面板的偏差，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后固定下面板，固定時(shí)不允許直接在構(gòu)件與平臺(tái)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(nèi)部板
    由于焊接位置的原因，內(nèi)部構(gòu)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(yīng)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(tái)，裝配就位，內(nèi)側(cè)已裝構(gòu)件用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊后校正。
    ⑤ 端銑線(xiàn)和檢驗(yàn)線(xiàn)
    為保證蝶形牛腿尺寸和位置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(tái)，按制作時(shí)平臺(tái)上的劃線(xiàn)調(diào)整碟形牛腿的位置和尺寸，然后將平臺(tái)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(yàn)線(xiàn)。
    ⑥ 蝶形牛腿的端銑
    采用本公司專(zhuān)用的端銑機(jī)床，制作專(zhuān)用的端銑胎架，對(duì)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(tái)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(dāng)?shù)目臻g，同時(shí)也為劃線(xiàn)、引線(xiàn)的需要，我們?cè)谄脚_(tái)上設(shè)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(tái)放妥，將平臺(tái)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(cè)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(tái)，引出牛腿中心與柱身WP點(diǎn)交會(huì)（4條線(xiàn)延長(zhǎng)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(jù)WP點(diǎn)調(diào)整蝶形牛腿位置進(jìn)行組裝定位，仍然利用二次轉(zhuǎn)換后的詳圖進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)。為使制作后的構(gòu)件測(cè)量更直觀(guān)，更切合實(shí)際，二次尺寸轉(zhuǎn)換后的詳圖中給出了各個(gè)方向測(cè)量和檢驗(yàn)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(nèi)側(cè)加襯墊后的外側(cè)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(hù)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?cè)O(shè)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(nèi)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(dāng)增加翻身次數(shù)，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(nèi)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(gòu)件還采用了Q420D和Q460E，除了選取合適的焊接材料、嚴(yán)格進(jìn)行焊接工藝評(píng)定外，焊接預(yù)熱溫度的選取也很重要，附表1為通過(guò)焊接工藝評(píng)定確定的預(yù)熱溫度值。
    預(yù)熱溫度表：

    注：（1）接頭預(yù)熱溫度的選擇以較厚板為基準(zhǔn)，應(yīng)注重保證厚板側(cè)的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制薄板側(cè)的層間溫度；表中溫度值為最低預(yù)熱和層間溫度，實(shí)際預(yù)熱和層間溫度應(yīng)不小于最低預(yù)熱溫度，接頭的預(yù)熱溫度和層間溫度最大不宜超過(guò)230℃；
    （2）預(yù)熱采用乙烯火焰加熱，加熱區(qū)域?yàn)楸缓附宇^中較厚板的兩倍板厚范圍，但不得小于100mm區(qū)域，預(yù)熱應(yīng)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(gòu)件制作的一部分。構(gòu)件的成品裝配同樣存在很大的難度。主要體現(xiàn)在其余方向和部位水平牛腿的組裝，這些牛腿在設(shè)計(jì)圖中的表達(dá)均為復(fù)雜的空間傾斜角和旋轉(zhuǎn)角。為此我們?cè)诙纬叽甾D(zhuǎn)換后的詳圖中重點(diǎn)對(duì)這部分牛腿作了描述，以WP點(diǎn)為基準(zhǔn)，給出從測(cè)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(zhuǎn)約60，圖中標(biāo)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(zhuǎn)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(jù)二次詳圖尺寸進(jìn)行組裝后，由質(zhì)控人員進(jìn)行確認(rèn)，以保證尺寸和方位的準(zhǔn)確，同時(shí)控制裝配誤差。
    焊接的全過(guò)程跟蹤和監(jiān)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(yàn)合格，便可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行外觀(guān)涂裝了。
    6.結(jié)語(yǔ)
    由于采取了有效的工藝方法，并嚴(yán)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(shè)計(jì)要求，保證了中央電視臺(tái)項(xiàng)目的順利進(jìn)行，為2008年奧運(yùn)會(huì)作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

    參考文獻(xiàn)
    《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)》（中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編著）――北京：中國(guó)計(jì)劃出版社2002年5月出版


    2007年2月14日
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