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廣州新電視塔厚壁錐形鋼管柱、節(jié)點加工技術及卷制管的應力特點分析與質量控制

作者：王曉波等    
時間：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，通過對高強度厚板錐形鋼管柱的加工工藝的不斷改進，提高了生產效率和加工質量，本文對厚板錐形鋼管柱的加工、制作全過程進行了總結。 關鍵詞：電視塔 厚壁錐形鋼管柱 加工 應力分析
    關鍵詞：廣州新電視塔 厚壁錐形鋼管柱 節(jié)點加工技術
    廣州市新電視塔高610米，由一座高達454米的主塔體和一個高156米的天線桅桿構成，建成后，在我國乃至世界上都屬于最高的鋼結構之一，具有廣泛的實用性和觀賞性，，也是當前世界經典建筑中最具有時代性的標志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風景線，同時也是我國在國際地位與實力的顯示。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起呈傾斜狀沿直線至塔頂（+454.0m）相應的柱定位點，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，，鋼材材質采用Q390JGC和Q345GJC，管內充填C60高強混凝土。因建筑外觀造型的要求，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(guī)格鋼管，立柱φ2000×50～φ1200×30，其徑厚比為38，符合此規(guī)范采用冷卷工藝的要求，鋼板經壓制或卷制后，其力學性能又要發(fā)生變化，壓制、卷制的過程，實際就是在外力作用下，使鋼板的外層纖維伸長，內層纖維縮短而產生塑性彎曲變形。冷彎時變形越大，材料的冷加工硬化也越嚴重，在鋼板內產生的殘余應力也越大，甚至會發(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(guī)格（主要是徑厚比）、材質、受力狀態(tài)和構件類別，考慮到卷制和壓制制管工藝上各自的特點和應用范圍，以及工廠的實際加工設備，制作質量比較，經過綜合比較分析后，確定錐形鋼管柱采用卷制成型的工藝。
    二.錐管卷制成型的關鍵設備和關鍵技術
    1.放樣
    采用計算機三維放樣技術，對鋼柱筒體零件進行準確放樣，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，其零件下料前需進行展開放樣。
    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，在壓制過程中鋼板的延伸率發(fā)生變化，會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行預防，根據本公司以前曾加工過的類似工程的實際經驗，φ1200×60-80mm鋼管壓制后，其圓周長將會增加約10-15mm，所以加工前應將鋼管直徑縮小3-5mm展開進行展開下料。
    2）.鋼管軋制壓頭余量的加放
    為保證每一管節(jié)位于縱縫區(qū)域曲線光順，必須在縱縫兩側各加放一定的加工壓頭余量，見下圖所示。

    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
    根據錐管的曲面線形制作壓模并安裝，采用800噸油壓機進行鋼板兩端部壓頭，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坡口。
    壓頭時注意壓頭質量，鋼板制作，且圓弧處采用銑床進行機加工，從而保證加壓頭質量的好壞直接關系到錐體的成型質量，所以為保證加工質量，尤其是錐度要求，壓頭檢驗用樣板必須使用專用樣板，樣板要求用3mm不銹鋼加工制作。

    4.卷制
    關鍵加工設備：
    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，見下圖所示。

    加工方法：
    對于筒節(jié)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，筒體軋制時根據其錐度要求在零件上劃出加工母線（見下圖所示），軋制過程中通過加工母線位置進行調節(jié)鋼板進料方向及速度，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焊接中心或在專用自動焊接胎架上進行，筒體內外側均采用自動埋弧焊進行焊接，如下圖所示。

    2）. 焊接順序：先焊內側，后焊外側面。內側焊滿2/3坡口深度后進行外側碳弧氣刨清根，并焊滿外側坡口，再焊滿內側大坡口，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范圍內進行預熱，預熱采用陶瓷電加熱板進行預熱，預熱溫度100~150℃，加熱時需隨時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力裝置進行端面銑加工，通過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分析及質量控制
    1.折彎成型對母材區(qū)應力的影響

    2.鋼管消應力工藝方案
    鋼管消應力方法經過從可操作性、經濟性、工藝性等方法的比較，鋼管消應力采用振動時效工藝方案，經過實際使用證明此方法是最適合的。
    振動時效工藝系統(tǒng)布置
    1）.按下圖放置各振動工藝裝備與輔件。鋼管放在托架上，應保證4個橡膠墊壓縮均勻。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％（可以按實際效果在25～40％范圍調節(jié)）；
    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的亞共率范圍內進行工藝振動，連續(xù)振動18分鐘；手動條件下可以每3分鐘調節(jié)一次轉速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進行。記錄每次調節(jié)后的振幅與頻率；
    3）.再在次低共振峰f2的亞共振范圍內進行第二次工藝振動，連續(xù)振動12分鐘；手動條件下可以每3分鐘調節(jié)一次轉速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進行。記錄每次調節(jié)后的振幅與頻率；
    4）.再次掃頻，獲工藝后的振動幅值－電機轉速曲線（a-n曲線）。轉速變化范圍應保證與第一次掃頻相同；
    5）.打印自動評定結果、2次掃頻（a-n）曲線和工藝(a-t)曲線。手動控制時應把記錄數據填入工藝執(zhí)行報告的相應欄目內。
    4.鋼管振動時效前后的應力分析


    鋼管端部振動時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時效后上升的原因可能是因為振動時效過程中，由于振動這一外來機械能量的導入，使得原來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，不排除有一部分內應力在這一外來能量的作用下釋放出來。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時效后其它測量部位的殘余應力下降的同時，端部母材的殘余應力有上升的趨勢。
    鋼管中部振動時效后母材殘余應力分析










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


    2.外框筒節(jié)點組裝工藝
    本工程共有節(jié)點1104個，由于該節(jié)點起著連接上下立柱、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，所以要滿足達到高精度的安裝要求，對于外框筒節(jié)點的加工制作精度控制非常重要。
    1）.相貫線坡口的設計
    相貫口的切割方案最重要的一點是如何確定相貫坡口的角度，即如何實現相貫焊縫的最佳參數，實現焊縫等強。對于本工程而言，由于采用的是φ800、φ1000、φ850等規(guī)格均是大直徑，甚至是厚壁管，同時在細腰部斜撐與立柱的夾角非常小 ，相貫口的徑向長度甚至達到2.3m左右，因此如何實現在相貫口A、B、C、D區(qū)的等強焊接是關鍵的考慮因素。經過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規(guī)程》的基礎上，選用AWS D1.1：2004美國焊接學會《鋼結構焊接規(guī)范》的“對厚截面或有疲勞要求時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(jié)點接頭”，相貫焊縫的分區(qū)示意和在不同區(qū)剖面坡口要求如下：

    2）.環(huán)梁的彎管工藝與質量控制
    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，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加工制作的難點，我們根據多年積累的施工經驗，以控制成本為出發(fā)點，在保證加工質量的前提下，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行連接，下模開檔尺寸根據試驗數據確定。通過實際檢驗測量，彎管精度和質量完全達到設計要求，很好地控制了加工成本。

    3）.節(jié)點組裝定位控制
    對于單個節(jié)點工廠制作而言，在深化時應給出具體的工廠可操作的定位模式或數據。同時由于節(jié)點系管狀結構，圖紙不能給出的是管中心的空間“虛擬中心點”坐標，否則在制作時無法實施，在本工程中我們采用了“三維坐標定位法”和放地線法聯合作業(yè)定位的思路進行拼裝定位，同時配合高精度的全站儀進行檢測，從而較好地控制了節(jié)點的組裝精度，如下圖示。

    五. 外框筒節(jié)點工廠預拼裝工藝
    1.外框筒構件預拼裝目的
    工廠預拼裝目的在于檢驗構件工廠加工能否保證現場拼裝、安裝的質量要求，確保下道工序的正常運轉和安裝質量達到規(guī)范、設計要求，能否滿足現場一次拼裝和吊裝成功率，減少現場拼裝和安裝誤差，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(jié)點分段，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，減小現場安裝產生的積累誤差，故進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同時確保構兩個方向的預拼裝精度，將至關重要，根據工廠的預拼裝場地面積及構件本身的特點，預拼裝主要方法如下：
    1). 在外筒周長方向(水平方向)的預拼裝方法
    由于外框筒水平投影尺寸較大，在底部時達到80×60m,頂部達到54×40.5m，對于工廠預拼裝來說，若要進行整體分段預拼，工廠一般沒有如此大的車間場地平臺；為此，外筒構件在橢圓方向上的預拼裝擬采用分區(qū)連續(xù)匹配預拼的方法進行，將整個外筒橢圓沿周長方向劃分為12個分區(qū)，按順時針或逆時針方向進行“2+1”連續(xù)匹配預拼，即第一分區(qū)預拼后，將與第二分區(qū)相鄰的節(jié)點和立柱留下，并以留下的節(jié)點為基準，進行第二分區(qū)的預拼，依此類推，完成整個外筒的預拼裝。分區(qū)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(xù)匹配的方法進行預拼裝，即第一階段構件預拼裝后，將其頂部最上面的節(jié)點留下，并以此節(jié)點為基淮定位節(jié)點，進行第二階段的預拼裝，在高程方向上保證構件經過預拼裝，從而保證預拼裝立體拼裝要求。如下圖示意：


    六. 結束語
    江蘇滬寧鋼機股份有限公司是一個具有20多年鋼結構制作歷史和比較成熟的加工技術的鋼結構制作企業(yè)，在廣州新電視塔鋼結構的加工制作過程中，將先進的現代技術運用到放樣、下料等生產過程和管理過程之中，并結合20多年積累下的豐富經驗以及傳統(tǒng)的加工制作工藝，并取得了豐碩的成果。已加工制作好的近2萬噸鋼構件均達到設計圖紙的要求、廣州新電視塔鋼結構質量驗收規(guī)范以及國家有關標準、規(guī)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)贏得了榮譽，同時也使我們對鋼結構的加工工藝又有了更深的理解與質的提高。
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