大型场馆类建筑箱形人字柱制作及安装

2020-03-18马艳飞王俊伟

建筑施工 2020年11期

马艳飞王俊伟孙浩周磊李晨

中国建筑第八工程局有限公司钢结构工程公司上海 200125

随着我国场馆类建筑的大规模建造，传统出现在变电站塔架中的人字柱[1]，逐步出现在场馆类钢结构中，如在昌南体育中心出现高度为18 m的箱形人字钢管混凝土柱，箱形人字柱的现场对接焊之定位及焊接变形控制是工程中的重难点[2]。在实际工程中遇到的人字柱工厂制作、现场安装施工的问题，有构件工厂制作的质量缺陷，也有现场地面拼装精度及安装质量的影响。针对这些问题，结合建设工程所实施的箱形人字柱特点，在优化制作工艺的基础上提出了针对性的制作方案，再通过有限元分析软件对吊装进行模拟分析，以有效指导工程实施。

1 工程概况

国家会展中心（天津）项目一期展馆项目总建筑面积约48万 m2；钢结构包含展厅区、交通连廊和中央大厅三部分，总用钢量约11万 t。其中展厅单跨84 m，2个展厅总长186 m，高度23.3 m。人字柱位于展厅区和交通连廊区，2个展厅区含人字柱36根，A、B类人字柱各18根。

如图1所示，A类人字柱与B类人字柱的区别在于采用节点的形式，A类人字柱柱脚采用固定连接的方式，B类人字柱采用铰接的方式。这是由结构受力特性决定的，可有效地避免因柱脚端弯矩过大导致的结构应力集中的问题。

图1 A类人字柱（左）和 B 类人字柱（右）

图2 人字柱加工分段示意

单个展厅人字柱共18根（A类、B类各9根），A类人字柱质量为25 t，B类人字柱质量为35.1 t。人字柱分3段在加工厂加工（图2），在现场用50 t履带吊拼装为整体后，用130 t汽车吊负责吊装就位。人字柱分段1长16.5 m，宽2.81 m，质量为19.1 t；分段2长15.0 m，宽1.81 m，质量为17 t；分段3长1.0 m，宽0.60 m，质量为0.4 t。

本工程主体结构钢柱、主梁、次梁的材质均采用Q355B，对于板厚≥40 mm的钢板应采用厚度方向性能钢板，板厚40 mm～＜60 mm的钢板采用Q355B-Z15，板厚60 mm～＜80 mm的钢板采用Q355B-Z25，板厚≥80 mm的钢板采用Q355B-Z35；铸钢材料采用G20Mn5QT；销轴材料采用40Cr钢材，销轴应进行热处理，表面镀锌。

2 人字柱加工制作过程

2.1 切割

首件切割后应进行自检，合格后进行批量切割。气割精度要求如图3所示，当板厚＜30 mm时，仅腹板开坡口，当板厚≥30 mm时，盖板和腹板均开坡口。

图3 焊缝形式

2.2 组对

盖板、腹板内表面画出隔板定位线及加劲肋定位线，定位线偏差不得超过±1 mm；纵肋预留隔板装配间隙，间隙偏差为0～3 mm。

2.3 焊接

每条纵肋焊接采用2台半自动气保焊小车从中间向两端同时相向施焊。焊接完成后进行火焰矫正，盖板的平面度不得超过2 mm/m。

2.4 组装

1）在装配胎架上铺设宽900 mm的盖板单元件，然后立隔板，隔板在构件长度方向的偏差不得超过±2 mm，隔板左右侧的定位偏差不得超过±1 mm。隔板与底板进行定位焊接，焊角大小不超过6 mm，定位焊缝长度不短于40 mm，净间距350～550 mm。

2）在胎架上立直腹板和斜腹板，上胎后与隔板进行定位焊接；主焊缝进行定位焊接。

3）对U形槽口里的焊缝进行焊接，对主焊缝进行打底焊接。对变形处进行火焰矫正。对隐蔽焊缝进行检查验收。

4）扣盖板，部分箱形柱顶板在柱顶侧处预留1 500 mm的封口段（避开隔板）。焊工进入腔室内焊接隔板和盖板的焊缝，焊接完后，嵌入封口盖板，进行对接焊，焊接完成后箱体高度及宽度偏差在±2 mm范围内。

5）清理、矫正，并对组装后的箱体尺寸进行检验，确保满足规范要求。

3 特殊部位制作

3.1 A、B类柱带大头梁的构件焊接

整体焊接顺序与钢柱焊接顺序相同，但是由于柱顶侧带有箱形横梁并且柱顶侧隔板开孔尺寸过小，人无法通过，故采用预留一段长1 500 mm的盖板最后焊接，焊工可以从此处进入箱体内焊接，待最后主箱体内部焊接完成之后，再进行预留段的装配焊接。具体焊接顺序如图4所示。

图4 各类焊缝焊接顺序

图4中：①处的板在工人焊完所有箱内焊缝之后，在外侧将此板与隔板进行全熔透拼接；②处加劲板待焊完最后一道隔板后再进行装配焊接；③处的隔板安装时，需对隔板周圈进行焊接；④处的隔板安装时，在3面安装钢衬垫，进行全熔透焊接；⑤处待③处的隔板未焊接边全部焊接完成后，扣上预留段，再进行主焊缝的焊接及盖板对接；⑥处焊接前需先安装电渣焊隔板，然后再盖上柱顶盖板；⑦处的箱形柱壁板与顶板需加钢衬垫进行全熔透焊接。

3.2 箱形本体火焰矫正

1）箱形柱焊接完毕，在完全冷却后会发生弯曲变形，应矫正。箱形本体一般采用火焰矫正。火焰矫正时，其温度值应控制在700～800 ℃之间，同一部位加热矫正不得超过2次。矫正后，应缓慢冷却，低合金钢不得用水骤冷。

2）火焰加热的位置应选择在金属纤维较长的部位，加热形式一般有局部点状加热和三角形加热2种。

3）三角形加热高度与底部宽度为型材高度的1/5～ 2/3。不同的火焰热量加热，可获得不同的矫正能力，低碳钢构件用火焰矫正时，常采用600～800 ℃的加热温度，低合金钢加热温度为750～900 ℃，缓慢冷却，不允许水冷。

3.3 销轴的制作

支座底板加劲的组装焊接，所有过焊孔处处理好焊接封头，不封焊（图5）：

1）2件加劲板1与1件加劲板3的组装焊接，开坡口全熔透焊接，焊接完后进行火焰配合千斤顶的矫正，加劲板1的角变形不得超过3 mm。

2）加劲板2与加劲板3的组装焊接，焊接完成后需进行火焰矫正。

图5 销轴制作组成

3）支座底板下部加劲组合件与支座底板进行装配及定位焊。

4）加劲板4、5、6在支座底板上装配定位焊及之间的定位焊接。进行加劲板4、5、6与底板的打底焊接。

5）支座底板下部加劲组合件与底板的全熔透焊接；进行加劲板4、5、6与底板、各加劲板间的填充及清根焊接；进行加劲板4、5、6与底板、各加劲板间的盖面层焊接。

6）对焊接完后的部件进行尺寸检查，变形较大处进行火焰矫正，确保4件加劲板4同一位置处的凹槽标准一致，偏差不超过±2 mm。

7）对支座进行尺寸复核、焊缝外观检验、焊缝超声波无损检验。

8）销轴上加劲与主箱体的装配，要求槽口同一位置处的标高一致，然后进行焊接。

焊接采用工艺允许的较小电流、电压参数，较快的焊接速度，直线焊接，不允许摆动焊，每层的填充厚度不得超过4 mm。每件销轴加劲板1与同一壁板间的焊缝按每层交替焊接，每焊接完4层后即将构件翻身，进行对面侧的焊接，如果发现变形过大，应及早翻身焊接。

制作难点：箱形扭曲控制，A柱柱脚销轴焊接空间狭小，焊缝密集，钢板厚度较大。因构件分段制作，箱体口形控制须保证精度及角度。分段钢柱1柱顶板平面度及与分段钢柱2相接短箱体间的平面度、扭曲、口形的控制。

组对箱形时，必须在测平的平台板上进行，将人字柱箱体盖板及腹板水平摆放至平台上，测量板材直线度。有旁弯的必须矫正。组对前对所有焊接区域进行打磨，清除油、水、锈等杂质，箱体内部隔板检查直角及串角，焊好铣平的电渣焊衬板，保证隔板与箱体外侧顶板的直角，且电渣焊衬板高于腹板1 mm，便于后期箱体成形时盖板与电渣焊板严密接触，防止焊缝间隙过大造成漏渣，影响焊接。隔板点焊好后，将装好衬垫板的两侧腹板组立到底板与隔板上，采用夹具临时固定，形成槽体。先将腹板与底板进行点焊，禁止对隔板点焊。当腹板与底板点焊牢固后，测好两端箱体两腹板上边缘水平，保证无扭曲，才可对箱体内部隔板进行点焊加固，对两端头进行临时支撑点加固，保证箱体端部尺寸，加固好后进入槽形焊接环节。

焊接时，要求所有焊工必须持证上岗，对施焊构件焊接工艺熟悉掌握。焊接时严格按照焊接工艺进行施焊。焊接所用焊材经检验合格，符合本工程要求方可进行施工。构件焊接时需在测平的平台或马凳上进行，使用马凳做平台焊接时，马凳必须有3条以上，垫位要求平均，防止焊接后因自重产生变形。焊接顺序要严格按照由中心向两侧施焊，以便于释放焊接应力。