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廣州珠江新城西塔X型節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)的創(chuàng)新??外框筒X型節(jié)點(diǎn)的加工制作工藝技術(shù)說(shuō)明

作者：顧曉付等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文介紹了廣州珠江新城西塔鋼結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵技術(shù)施工難點(diǎn)。著 重介紹了外框筒X型節(jié)點(diǎn)的加工制作工藝技術(shù)及其要點(diǎn)和難點(diǎn)攻關(guān)。
    一.工程概況及特點(diǎn)
    1.工程概況
    廣州珠江新城西塔高432米，建成后，西塔將矗立在城市的中軸線上，其所在的廣場(chǎng)距珠江最近的距離只有200多米，在我國(guó)乃至世界上都屬于較高的建筑鋼結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，造型優(yōu)美、線條流暢、結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有廣泛的實(shí)用性和觀賞性，她的建成，不僅成為廣州市的城市標(biāo)致性建筑，也是當(dāng)前世界經(jīng)典建筑中具有時(shí)代性的標(biāo)志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風(fēng)景線，同時(shí)也是我國(guó)在國(guó)際地位與實(shí)力的顯示。如下圖示：

    1）.塔體鋼結(jié)構(gòu)概況
    (1).結(jié)構(gòu)概況
    珠江新城西塔鋼結(jié)構(gòu)外筒是一個(gè)不規(guī)則網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)，其橫截面沿整個(gè)建筑高度是連續(xù)變化的。主塔樓地面以上103層，高432米，其中1-3層為大廳，4-67層為辦公室，67層以上是高級(jí)酒店及客房，最高處設(shè)有直升機(jī)平臺(tái)。在辦公樓層，采用鋼管混凝土斜交網(wǎng)格柱外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒結(jié)構(gòu)體系；上升至酒店層時(shí)，混凝土內(nèi)筒不再向上延伸，由鋼柱錨入核心筒墻內(nèi)，形成鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)框架加斜撐核心，結(jié)構(gòu)體系為斜交網(wǎng)格柱外筒+內(nèi)框架加斜撐體系。
    鋼結(jié)構(gòu)外筒是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系，鋼管混凝土立柱共30根，由地下四層柱定位點(diǎn)起呈傾斜狀沿直線至塔頂（+432.0m）相應(yīng)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1800mm，壁厚50mm縮至頂部外徑700mm，壁厚20mm，鋼材材質(zhì)為Q345GJC、Q345B，管內(nèi)充填高強(qiáng)混凝土。
    2）.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    (1).珠江新城西塔鋼結(jié)構(gòu)工程由外框筒、核心筒及外框筒與核心筒之間各樓層平臺(tái)梁組合而成。
    (2).塔體外框筒由30根錐形立柱斜交組合而成，是一個(gè)不規(guī)則網(wǎng)筒管狀塔形鋼結(jié)構(gòu)，高度方向每隔27米在立柱與立柱相交處形成“X”形狀的外筒節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜、且構(gòu)造不易處理，故對(duì)外筒節(jié)點(diǎn)的制作精度要求十分高。
    (3).由于本結(jié)構(gòu)體系十分龐大，高達(dá)432m，受力十分復(fù)雜，所選用鋼材要求高，對(duì)外筒結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處材料均要求為Q345GJ，且要滿足Z25要求。
    2.鋼結(jié)構(gòu)加工制作的施工技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)分析
    1）.大直徑鋼管立柱的制作
    本工程30根鋼管立柱系由小段節(jié)鋼管裝焊而成，重量占整個(gè)工程重量的比例較大，加工難度大，精度高，且工作量十分巨大，這是本工程的首要難點(diǎn)。
    2）.節(jié)點(diǎn)制作
    本工程共有X節(jié)點(diǎn)255個(gè)，由于該節(jié)點(diǎn)起著連接上下立柱和樓層梁的特殊作用，且節(jié)點(diǎn)外形呈“X”形，外形尺寸大、節(jié)點(diǎn)重量大、最大板厚達(dá)到100mm，構(gòu)造復(fù)雜。因此節(jié)點(diǎn)制作將是本工程的一大重點(diǎn)。本文主要介紹X節(jié)點(diǎn)的加工制作與預(yù)拼裝過(guò)程及其技術(shù)難點(diǎn)的攻關(guān)。
    3）.預(yù)拼裝
    通過(guò)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)拼裝，除了對(duì)構(gòu)件的制作質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與確認(rèn)外，在拼裝過(guò)程中還可對(duì)構(gòu)件的制作偏差進(jìn)行調(diào)整與融合，因此構(gòu)件工廠預(yù)拼裝是保證現(xiàn)場(chǎng)安裝順利進(jìn)行、保證本工程整體工期計(jì)劃的重要措施。
    但構(gòu)件預(yù)拼裝工作量大，構(gòu)件定位難且精度高，特別是占用場(chǎng)地面積巨大，且周期長(zhǎng)。因此構(gòu)件預(yù)拼裝的方法，拼裝基面的選取，胎架的設(shè)計(jì)與制作，測(cè)量方案的設(shè)計(jì)等均是本工程的施工難點(diǎn)。
    4）.焊接
    本工程外筒結(jié)構(gòu)焊縫均為X形節(jié)點(diǎn)相貫部位的相貫線焊縫，由于相貫線焊縫的坡口是沿其周長(zhǎng)在變化的，因此該焊縫的坡口設(shè)計(jì)、相貫線切割、施焊工藝均是本工程的難點(diǎn)。由于鋼材選用較厚，節(jié)點(diǎn)處最大達(dá)100mm，且焊接要求高，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋、層狀撕裂等對(duì)焊接不利的因素，因此鋼材的焊接準(zhǔn)備工作十分復(fù)雜，綜上所述，焊接亦是本工程的難點(diǎn)。
    5）.殘余應(yīng)力的消除
    鋼管在卷制或壓制過(guò)程中，一定會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力，這些應(yīng)力是否消除，如何處理，加之構(gòu)件尺寸均很大，對(duì)殘余應(yīng)力的消除方案的選定均增加了很大難度，因此殘余應(yīng)力的消除是本工程制作過(guò)程中又一個(gè)難點(diǎn)。
    二.外框筒X形節(jié)點(diǎn)的加工制作
    1.X形節(jié)點(diǎn)的三維模型
    X形節(jié)點(diǎn)主要由外筒立柱、橢圓形拉接板、加勁環(huán)、加勁板以及樓層梁牛腿等組成，構(gòu)件形狀和節(jié)點(diǎn)類型如下圖所示：

    2.X形節(jié)點(diǎn)的制作方案
    1）.方案
    預(yù)先進(jìn)行各零部件的加工制作，合格后在總裝胎架上進(jìn)行整體組裝，以保證單個(gè)X節(jié)點(diǎn)的制作精度要求滿足預(yù)拼裝及設(shè)計(jì)的要求。
    2）.X形節(jié)點(diǎn)立柱鋼管與橢圓形拉板相貫處坡口的加工要求
    （1）.立柱鋼管與橢圓形拉板相貫處坡口
    由于鋼管相貫部分較長(zhǎng)，卷制時(shí)有些僅為弧形，為了保證卷制加工的質(zhì)量，與拉接板連接處的坡口應(yīng)在卷制加工后再進(jìn)行開設(shè)；環(huán)縫坡口應(yīng)在加工前進(jìn)行開設(shè)。
    （2）.鋼管與橢圓形拉接板間的角接焊縫坡口形式
    鋼管與拉接板連接為一螺旋型的漸變相貫線角接焊縫，其坡口開設(shè)分為兩部分，即以連接處自然角度為45度界限，界限點(diǎn)向中部開設(shè)為雙面坡口；界限點(diǎn)向端部開設(shè)為單面坡口，坡口置于內(nèi)側(cè)。
    另外，由于端部鋼管板厚與拉接板間的角度較小，在9～16度之間，為了保證此處的焊縫質(zhì)量，需在100mm拉接板的端部開設(shè)坡口，其范圍約400mm弧長(zhǎng)左右，坡口約25～30進(jìn)行開設(shè)，坡口形式如下圖所示:

    3）.立柱鋼管的壓圓加工技術(shù)要點(diǎn)
    （1）.壓頭
    ①根據(jù)立柱圓管的直徑制作壓模并安裝，采用油壓機(jī)進(jìn)行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數(shù)至少壓三次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗(yàn)，如下圖所示：

    ②在壓好頭后，切去兩端縱縫處的余量，并開好坡口。
    （2）.軋圓
    將壓好頭的鋼板吊入三輥軋車后，必須用靠模式拉線進(jìn)行調(diào)整，以保證鋼板端部與軋輥成一直線，防止卷管后產(chǎn)生錯(cuò)邊，然后按要求徐徐軋制，直至卷制結(jié)束，軋圓允許偏差如下：


    4）.立柱鋼管縱縫、環(huán)縫的焊接及其矯正和檢驗(yàn)
    （1）.立柱鋼管縱縫焊接
    ①縱縫焊接
    筒體焊接采用在筒體自動(dòng)焊接中心或在專用自動(dòng)焊接胎架上進(jìn)行，筒體內(nèi)外側(cè)均采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，如下圖所示。

    ②矯正
    矯正采用卷板機(jī)和火焰加熱法進(jìn)行。如誤差出現(xiàn)偏大時(shí)，采用卷板機(jī)用滾壓法進(jìn)行矯正，如下圖所示：

    如誤差較小時(shí)，采用局部火焰加熱法進(jìn)行局部矯正。
    （2）.在胎架上定位、接長(zhǎng)
    胎架經(jīng)驗(yàn)收合格后即可進(jìn)行立柱的拼接，接管前每節(jié)小段節(jié)必須進(jìn)行校正，特別是橢圓度必須校正好。拼接時(shí)先將下口弧形板進(jìn)行定位，定位時(shí)將其中心線對(duì)齊地面定位中心線，同時(shí)將其端口對(duì)齊地面位置線，如有誤差需進(jìn)行修整，必須保證兩端口的橢圓度、垂直度以及直線度要求，符合要求后與胎架進(jìn)行點(diǎn)焊牢固。如下圖所示：

    ②.然后進(jìn)行第二小段的定位，定位時(shí)與前相同，但必須注意與第一段間的接口以及焊縫間隙，以利后道工序的操作。
    ③.最后進(jìn)行頂部段節(jié)的定位，方法與前相同，拼接后在所有筒體上彈出0°、90°、180°、270°母線，以及與上節(jié)鋼柱的對(duì)合標(biāo)記線，并用洋沖標(biāo)記。如下圖所示：

    3）.環(huán)縫的焊接
    （1）.為了采用筒體環(huán)縫的自動(dòng)焊，在焊前需加工一塊與非全圓弧形筒體切口相吻合的弧形板，如下圖所示：

    （2）.將弧形板與筒體進(jìn)行拼接，如下圖所示：

    （3）.合格后將拼接好的筒體吊入滾輪焊接胎架上用埋弧焊進(jìn)行環(huán)縫的焊接，焊接要求同縱縫要求，環(huán)縫焊接如下圖所示：


    環(huán)縫焊接順序：先焊筒體內(nèi)側(cè)焊縫，外側(cè)清根后再焊筒體外側(cè)焊縫。
    環(huán)縫焊接前同樣采用陶瓷電加熱板進(jìn)行焊前預(yù)熱。
    （4）.焊后校正，冷卻后探傷，探傷合格后重新吊上拼裝胎架進(jìn)行立柱端口余量的劃線，送端銑機(jī)加工平臺(tái)進(jìn)行端部的銑平，以保證節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)安裝精度。
    4）.立柱端面的加工
    （1）.為控制節(jié)點(diǎn)的組裝精度以及保證節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝的精度，特別是鋼柱分段間的對(duì)接焊縫的間隙要求,鋼柱上、下端面必須進(jìn)行端面機(jī)加工，將構(gòu)件的制作誤差控制在最小范圍內(nèi)，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝精度及現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)度。
    （2）.鋼柱端面機(jī)加工采用機(jī)械動(dòng)力裝置進(jìn)行端面銑加工，通過(guò)對(duì)鋼柱的端面機(jī)加工，使鋼柱兩端面保證平行且與鋼柱軸心線相互垂直，如下圖所示：

    三.外框筒X型節(jié)點(diǎn)制作及工程技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)
    1.組裝基準(zhǔn)面的選擇和組裝胎架的設(shè)置
    （1).組裝基準(zhǔn)面的選擇:
    節(jié)點(diǎn)整體組裝以橢圓拉板和樓層牛腿垂直于地面為基準(zhǔn)進(jìn)行臥造。
    （2）.整體組裝胎架設(shè)置的要求
    節(jié)點(diǎn)組裝胎架根據(jù)上述基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，先在平臺(tái)上劃出橢圓拉板和各樓層梁的定位十字中心線，然后按節(jié)點(diǎn)的投影位置依次劃出鋼管立柱和加勁板（樓層）的投影中心線，端面企口線、胎架模板位置線等，劃線后進(jìn)行自檢，然后提交專職檢查員進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可進(jìn)行組裝胎架模板的設(shè)置，地面劃線后如下圖所示：

    （3）.組裝胎架的設(shè)置：
    胎架模板采用數(shù)控切割，以保證組裝精度，然后嚴(yán)格按平臺(tái)上的模板設(shè)置位置線進(jìn)行胎架模板的搭設(shè)，胎架模板上口標(biāo)高必須保證不大于0.5mm，超差必須修正，另外，由于節(jié)點(diǎn)重量較大，胎架模板必須保證有足夠的剛度和強(qiáng)度，胎架設(shè)置后必須驗(yàn)收合格方可使用，胎架設(shè)置如下圖所示：

    2.各部件的組裝
    1）.橢圓拉板的組裝定位
    胎架經(jīng)驗(yàn)收合格后首先進(jìn)行橢圓拉板的定位，橢圓拉板有折角時(shí)，應(yīng)先采用油壓機(jī)進(jìn)行折角，定位時(shí)將其中心線及邊企口線對(duì)齊地面定位中心線及企口線，同時(shí)保證與地面的垂直度，定位正確后與胎架進(jìn)行點(diǎn)焊牢固，也可在一側(cè)適當(dāng)加設(shè)支撐進(jìn)行加強(qiáng)，如下圖所示：

    2）.鋼管立柱的定位組裝
    （1）.將已加工合格并畫好組裝定位中心線喝耳板十字中心線的鋼管立柱吊上胎架進(jìn)行定位，定位必須定對(duì)平臺(tái)上立柱中心線和端面企口線以及立柱二端中心標(biāo)高，同時(shí)注意與橢圓拉板間的焊縫間隙及坡口大小，如有誤差在立柱上進(jìn)行修正，保證其開口尺寸和坡口間隙，如下圖所示：

    （2）.第一根立柱定位后，采用相同的方法將同一側(cè)的另外一根立柱進(jìn)行組裝定位，與已定位的立柱進(jìn)行對(duì)接，修正接口處的對(duì)接偏差，進(jìn)行定位焊。
    （3）.采用同樣的方法，組裝定位另一側(cè)鋼管立柱，進(jìn)行定位焊，檢查合格后，即進(jìn)行焊接。

    （4）.先進(jìn)行立柱間的對(duì)接焊接，為了減小整體焊接變形，焊接采用CO2氣保護(hù)焊，焊前先進(jìn)行預(yù)熱，焊接時(shí)先焊內(nèi)側(cè)，外側(cè)清根后再焊；然后進(jìn)行立柱與橢圓拉板間的相貫焊接，焊前同樣應(yīng)先進(jìn)行預(yù)熱，焊接采用雙數(shù)焊工進(jìn)行對(duì)稱焊接，先焊內(nèi)側(cè)，后清根出白進(jìn)行外側(cè)焊接，正面焊接后，將節(jié)點(diǎn)翻身，采用同樣方法進(jìn)行另一側(cè)的焊接，焊后進(jìn)行探傷檢查。


    3）.各加強(qiáng)環(huán)的定位組裝
    各加強(qiáng)環(huán)定位時(shí)，將其板邊線對(duì)齊地面定位基準(zhǔn)線，同時(shí)注意與地面的垂直度，加強(qiáng)環(huán)應(yīng)采用分塊散裝，以利裝配，裝焊后如下圖所示：

    4）.各加勁板的定位、組裝
    各加勁板按圖紙尺寸進(jìn)行定位，安裝，但必須注意其裝焊順序，40mm的墊板應(yīng)后裝，待加加勁板與筒體焊接合格后方可進(jìn)行裝焊，然后再進(jìn)行16mm的封板的裝焊，如下圖所示：

    5）.樓層牛腿的組裝、定位
    加勁板安裝后，即可進(jìn)行定位組裝樓層牛腿，樓層牛腿先進(jìn)行組裝焊接并制孔，再與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位組裝，牛腿組裝時(shí)定對(duì)地面基準(zhǔn)線，同時(shí)注意其端口對(duì)齊地面上的定位線，另外為保證牛腿的定位精度，再采用全站儀進(jìn)行配合定位組裝，組裝后如下圖所示：

    6）.整體焊接
    安裝完畢后進(jìn)行自檢互檢，然后提交專職質(zhì)檢員進(jìn)行驗(yàn)收，合格后即可進(jìn)行整體焊接，焊接時(shí)采用對(duì)稱焊，密切注意焊接變形。

    7）.耳板的組裝、焊接
    整體焊接后將節(jié)點(diǎn)重新吊上整體組裝胎架進(jìn)行定位，然后進(jìn)行端部耳板的裝焊，定位時(shí)圓周方向分別對(duì)齊安裝位置線，長(zhǎng)度方向定對(duì)企口線即可，經(jīng)驗(yàn)收合格后即可進(jìn)行焊接，焊后如下圖所示：

    3.完整性驗(yàn)收
    （1）.焊后在整體組裝胎架上進(jìn)行測(cè)量，各車間先進(jìn)自檢、互檢，符合要求后提交專職質(zhì)檢員及駐廠監(jiān)理進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收時(shí)采用地樣法及全站儀同時(shí)進(jìn)行，以確保節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量。
    （2）.以圖中P3點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其整體驗(yàn)收時(shí)各控制點(diǎn)坐標(biāo)值軸測(cè)圖如下圖所示：

    （3）.根據(jù)地面劃出的線型或是坐標(biāo)值中的X、Y、Z值可以控制部件在其各自方向的定位。由于只控制了端口的兩點(diǎn)，不是控制其整個(gè)面的尺寸，其根部會(huì)有所偏移，因此還需提供各筒體及牛腿端部上、下口在地面上的投影偏差值（下圖括號(hào)中的數(shù)值），將其投影偏差值結(jié)合起來(lái)就控制了其整個(gè)端面的尺寸，從而保證各牛腿及筒體的精確定位，線型及坐標(biāo)值如下圖所示：

    三.結(jié)束語(yǔ)
    由于廣州珠江新城西塔外框筒鋼結(jié)構(gòu)體系龐大，其中共有X型節(jié)點(diǎn)255個(gè)，外形尺寸大節(jié)點(diǎn)重量大，最大板厚達(dá)100mm厚，結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。
    我公司生產(chǎn)技術(shù)人員在提高單件精度，確保整體精度的前提下“化整為零，精益求精”。先將每個(gè)X形節(jié)點(diǎn)分解為數(shù)段立柱筒體和一塊中間橢圓拉板，以加強(qiáng)環(huán)等小零件，然后對(duì)每個(gè)零部件各自下料、加工制作、拼裝、焊前驗(yàn)收、焊接、焊后矯正驗(yàn)收。最后在精確制作的胎架上進(jìn)行X節(jié)點(diǎn)的預(yù)拼裝，嚴(yán)格控制每一道工序，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)滿足每一項(xiàng)精度要求。有了這樣的精湛的工藝和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，必定鑄造明日廣州西塔的輝煌。完美無(wú)缺的產(chǎn)品質(zhì)量，才會(huì)有誠(chéng)實(shí)卓越的企業(yè)信譽(yù)。
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