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廣州珠江新城西塔X型節點(diǎn)制作技術(shù)的創(chuàng )新??外框筒X型節點(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構工程的關(guān)鍵技術(shù)施工難點(diǎn)。著(zhù) 重介紹了外框筒X型節點(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(xiàn)上，其所在的廣場(chǎng)距珠江最近的距離只有200多米，在我國乃至世界上都屬于較高的建筑鋼結構之一，該結構設計新穎，造型優(yōu)美、線(xiàn)條流暢、結構獨特，具有廣泛的實(shí)用性和觀(guān)賞性，她的建成，不僅成為廣州市的城市標致性建筑，也是當前世界經(jīng)典建筑中具有時(shí)代性的標志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)，同時(shí)也是我國在國際地位與實(shí)力的顯示。如下圖示：

    1）.塔體鋼結構概況
    (1).結構概況
    珠江新城西塔鋼結構外筒是一個(gè)不規則網(wǎng)筒結構，其橫截面沿整個(gè)建筑高度是連續變化的。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層以上是高級酒店及客房，最高處設有直升機平臺。在辦公樓層，采用鋼管混凝土斜交網(wǎng)格柱外筒+鋼筋混凝土內筒的筒中筒結構體系；上升至酒店層時(shí)，混凝土內筒不再向上延伸，由鋼柱錨入核心筒墻內，形成鋼結構內框架加斜撐核心，結構體系為斜交網(wǎng)格柱外筒+內框架加斜撐體系。
    鋼結構外筒是結構的主要抗側力體系，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(xiàn)至塔頂（+432.0m）相應的柱定位點(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，管內充填高強混凝土。
    2）.結構特點(diǎn)
    (1).珠江新城西塔鋼結構工程由外框筒、核心筒及外框筒與核心筒之間各樓層平臺梁組合而成。
    (2).塔體外框筒由30根錐形立柱斜交組合而成，是一個(gè)不規則網(wǎng)筒管狀塔形鋼結構，高度方向每隔27米在立柱與立柱相交處形成“X”形狀的外筒節點(diǎn)，由于節點(diǎn)受力復雜、且構造不易處理，故對外筒節點(diǎn)的制作精度要求十分高。
    (3).由于本結構體系十分龐大，高達432m，受力十分復雜，所選用鋼材要求高，對外筒結構節點(diǎn)處材料均要求為Q345GJ，且要滿(mǎn)足Z25要求。
    2.鋼結構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）.節點(diǎn)制作
    本工程共有X節點(diǎn)255個(gè)，由于該節點(diǎn)起著(zhù)連接上下立柱和樓層梁的特殊作用，且節點(diǎn)外形呈“X”形，外形尺寸大、節點(diǎn)重量大、最大板厚達到100mm，構造復雜。因此節點(diǎn)制作將是本工程的一大重點(diǎn)。本文主要介紹X節點(diǎn)的加工制作與預拼裝過(guò)程及其技術(shù)難點(diǎn)的攻關(guān)。
    3）.預拼裝
    通過(guò)對構件進(jìn)行預拼裝，除了對構件的制作質(zhì)量進(jìn)行檢測與確認外，在拼裝過(guò)程中還可對構件的制作偏差進(jìn)行調整與融合，因此構件工廠(chǎng)預拼裝是保證現場(chǎng)安裝順利進(jìn)行、保證本工程整體工期計劃的重要措施。
    但構件預拼裝工作量大，構件定位難且精度高，特別是占用場(chǎng)地面積巨大，且周期長(cháng)。因此構件預拼裝的方法，拼裝基面的選取，胎架的設計與制作，測量方案的設計等均是本工程的施工難點(diǎn)。
    4）.焊接
    本工程外筒結構焊縫均為X形節點(diǎn)相貫部位的相貫線(xiàn)焊縫，由于相貫線(xiàn)焊縫的坡口是沿其周長(cháng)在變化的，因此該焊縫的坡口設計、相貫線(xiàn)切割、施焊工藝均是本工程的難點(diǎn)。由于鋼材選用較厚，節點(diǎn)處最大達100mm，且焊接要求高，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋、層狀撕裂等對焊接不利的因素，因此鋼材的焊接準備工作十分復雜，綜上所述，焊接亦是本工程的難點(diǎn)。
    5）.殘余應力的消除
    鋼管在卷制或壓制過(guò)程中，一定會(huì )產(chǎn)生相當的殘余應力，這些應力是否消除，如何處理，加之構件尺寸均很大，對殘余應力的消除方案的選定均增加了很大難度，因此殘余應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形節點(diǎn)的加工制作
    1.X形節點(diǎn)的三維模型
    X形節點(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，構件形狀和節點(diǎn)類(lèi)型如下圖所示：

    2.X形節點(diǎn)的制作方案
    1）.方案
    預先進(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節點(diǎn)的制作精度要求滿(mǎn)足預拼裝及設計的要求。
    2）.X形節點(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(cháng)，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在卷制加工后再進(jìn)行開(kāi)設；環(huán)縫坡口應在加工前進(jìn)行開(kāi)設。
    （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(xiàn)角接焊縫，其坡口開(kāi)設分為兩部分，即以連接處自然角度為45度界限，界限點(diǎn)向中部開(kāi)設為雙面坡口；界限點(diǎn)向端部開(kāi)設為單面坡口，坡口置于內側。
    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(kāi)設坡口，其范圍約400mm弧長(cháng)左右，坡口約25～30進(jìn)行開(kāi)設，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根據立柱圓管的直徑制作壓模并安裝，采用油壓機進(jìn)行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數至少壓三次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗，如下圖所示：

    ②在壓好頭后，切去兩端縱縫處的余量，并開(kāi)好坡口。
    （2）.軋圓
    將壓好頭的鋼板吊入三輥軋車(chē)后，必須用靠模式拉線(xiàn)進(jìn)行調整，以保證鋼板端部與軋輥成一直線(xiàn)，防止卷管后產(chǎn)生錯邊，然后按要求徐徐軋制，直至卷制結束，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
    （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(zhuān)用自動(dòng)焊接胎架上進(jìn)行，筒體內外側均采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，如下圖所示。

    ②矯正
    矯正采用卷板機和火焰加熱法進(jìn)行。如誤差出現偏大時(shí)，采用卷板機用滾壓法進(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(cháng)
    胎架經(jīng)驗收合格后即可進(jìn)行立柱的拼接，接管前每節小段節必須進(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(xiàn)對齊地面定位中心線(xiàn)，同時(shí)將其端口對齊地面位置線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)，以及與上節鋼柱的對合標記線(xiàn)，并用洋沖標記。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：先焊筒體內側焊縫，外側清根后再焊筒體外側焊縫。
    環(huán)縫焊接前同樣采用陶瓷電加熱板進(jìn)行焊前預熱。
    （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(xiàn)，送端銑機加工平臺進(jìn)行端部的銑平，以保證節點(diǎn)的現場(chǎng)安裝精度。
    4）.立柱端面的加工
    （1）.為控制節點(diǎn)的組裝精度以及保證節點(diǎn)現場(chǎng)安裝的精度，特別是鋼柱分段間的對接焊縫的間隙要求,鋼柱上、下端面必須進(jìn)行端面機加工，將構件的制作誤差控制在最小范圍內，保證整個(gè)結構的安裝精度及現場(chǎng)鋼結構的安裝進(jìn)度。
    （2）.鋼柱端面機加工采用機械動(dòng)力裝置進(jìn)行端面銑加工，通過(guò)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(xiàn)相互垂直，如下圖所示：

    三.外框筒X型節點(diǎn)制作及工程技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)
    1.組裝基準面的選擇和組裝胎架的設置
    （1).組裝基準面的選擇:
    節點(diǎn)整體組裝以橢圓拉板和樓層牛腿垂直于地面為基準進(jìn)行臥造。
    （2）.整體組裝胎架設置的要求
    節點(diǎn)組裝胎架根據上述基準進(jìn)行設置，先在平臺上劃出橢圓拉板和各樓層梁的定位十字中心線(xiàn)，然后按節點(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(xiàn)，端面企口線(xiàn)、胎架模板位置線(xiàn)等，劃線(xiàn)后進(jìn)行自檢，然后提交專(zhuān)職檢查員進(jìn)行驗收，合格后方可進(jìn)行組裝胎架模板的設置，地面劃線(xiàn)后如下圖所示：

    （3）.組裝胎架的設置：
    胎架模板采用數控切割，以保證組裝精度，然后嚴格按平臺上的模板設置位置線(xiàn)進(jìn)行胎架模板的搭設，胎架模板上口標高必須保證不大于0.5mm，超差必須修正，另外，由于節點(diǎn)重量較大，胎架模板必須保證有足夠的剛度和強度，胎架設置后必須驗收合格方可使用，胎架設置如下圖所示：

    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)，應先采用油壓機進(jìn)行折角，定位時(shí)將其中心線(xiàn)及邊企口線(xiàn)對齊地面定位中心線(xiàn)及企口線(xiàn)，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，也可在一側適當加設支撐進(jìn)行加強，如下圖所示：

    2）.鋼管立柱的定位組裝
    （1）.將已加工合格并畫(huà)好組裝定位中心線(xiàn)喝耳板十字中心線(xiàn)的鋼管立柱吊上胎架進(jìn)行定位，定位必須定對平臺上立柱中心線(xiàn)和端面企口線(xiàn)以及立柱二端中心標高，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(kāi)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)行對接，修正接口處的對接偏差，進(jìn)行定位焊。
    （3）.采用同樣的方法，組裝定位另一側鋼管立柱，進(jìn)行定位焊，檢查合格后，即進(jìn)行焊接。

    （4）.先進(jìn)行立柱間的對接焊接，為了減小整體焊接變形，焊接采用CO2氣保護焊，焊前先進(jìn)行預熱，焊接時(shí)先焊內側，外側清根后再焊；然后進(jìn)行立柱與橢圓拉板間的相貫焊接，焊前同樣應先進(jìn)行預熱，焊接采用雙數焊工進(jìn)行對稱(chēng)焊接，先焊內側，后清根出白進(jìn)行外側焊接，正面焊接后，將節點(diǎn)翻身，采用同樣方法進(jìn)行另一側的焊接，焊后進(jìn)行探傷檢查。


    3）.各加強環(huán)的定位組裝
    各加強環(huán)定位時(shí)，將其板邊線(xiàn)對齊地面定位基準線(xiàn)，同時(shí)注意與地面的垂直度，加強環(huán)應采用分塊散裝，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，再與節點(diǎn)進(jìn)行定位組裝，牛腿組裝時(shí)定對地面基準線(xiàn)，同時(shí)注意其端口對齊地面上的定位線(xiàn)，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(zhuān)職質(zhì)檢員進(jìn)行驗收，合格后即可進(jìn)行整體焊接，焊接時(shí)采用對稱(chēng)焊，密切注意焊接變形。

    7）.耳板的組裝、焊接
    整體焊接后將節點(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)圓周方向分別對齊安裝位置線(xiàn)，長(cháng)度方向定對企口線(xiàn)即可，經(jīng)驗收合格后即可進(jìn)行焊接，焊后如下圖所示：

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

    （3）.根據地面劃出的線(xiàn)型或是坐標值中的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（下圖括號中的數值），將其投影偏差值結合起來(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(xiàn)型及坐標值如下圖所示：

    三.結束語(yǔ)
    由于廣州珠江新城西塔外框筒鋼結構體系龐大，其中共有X型節點(diǎn)255個(gè)，外形尺寸大節點(diǎn)重量大，最大板厚達100mm厚，結構極為復雜。
    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形節點(diǎn)分解為數段立柱筒體和一塊中間橢圓拉板，以加強環(huán)等小零件，然后對每個(gè)零部件各自下料、加工制作、拼裝、焊前驗收、焊接、焊后矯正驗收。最后在精確制作的胎架上進(jìn)行X節點(diǎn)的預拼裝，嚴格控制每一道工序，高起點(diǎn)、高標準滿(mǎn)足每一項精度要求。有了這樣的精湛的工藝和嚴謹的工作態(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 )有誠實(shí)卓越的企業(yè)信譽(yù)。
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