大型复杂箱体钢结构制作工艺分析

□文/董 岩

1 工程概况

天津茱莉亚学院项目地下共2层、地上最高6层，总建筑面积44 965 m2，设有4个文体馆及2个房中房，分别为音乐厅、演奏厅、黑盒剧场、排演厅、音乐厅房中房和演奏厅房中房。文体馆由穿过大厅斜对角的五条连廊相互连接，融为一体，连廊中设有音乐学院的教学工作室、练习室和教室。四个单体均为不规则多边形悬挑结构，其中音乐厅西南角为双向悬挑，最大悬挑达30.05 m，悬挑高度达5.9 m。五条连廊均为大跨度结构，其中连廊A跨度最大，达73 m。主体结构71%采用Q420GJC钢材，其中60～100 mm厚钢材占35%。主体结构由47根箱型钢柱支撑，其中最大箱型钢柱截面为口1 500 mm×800 mm×100 mm×100 mm；音乐厅独立房主房结构箱型柱最大截面为□1 800 mm×800 mm×60 mm×60 mm。

2 工程重难点

2.1 复杂箱体构件和钢柱复杂节点的加工制作

1）钢柱结构板厚均较大，大部分板厚60～100 mm，最大板厚达100 mm。钢柱、钢牛腿焊接坡口均为全熔透焊缝，节点数量多，杆件角度变化大，组装精度要求高，大量的构件需要采用端部铣平、精密制孔，工厂组装焊接后的构件内应力大。

2）钢柱与桁架、钢梁连接处，由于结构体系以及节点构造要求，节点受力较大且构造非常复杂，钢柱与上述部位连接的节点不管是外形尺寸、节点重量、还是复杂程度均是本工程最难处理的地方。钢柱与矩形连接节点处构造难处理且厚板焊接工作量极大，焊接变形难以控制；另外钢柱与上述部位的连接节点大部分属三超构件，加工制作还要考虑到节点的运输外形尺寸满足要求。

2.2 厚钢板的焊接质量

钢材材质为Q345、Q420 等，板厚最厚达100 mm，存在焊接性较差、层状撕裂倾向严重、焊接残余应力大、焊接变形对精度的影响等不利因素，严重影响焊接质量。厚板的焊接质量对本工程有直接影响，焊接过程中易产生严重的角变形、扭曲变形、局部或整体变形，若焊接变形得不到有效控制，将会直接导致构件的外形尺寸精度严重超差，构件精度根达不到设计、规范要求，特别是会给安装带来施工难度；因此防止层状撕裂，保证接头质量和接头的延性、韧性，减小焊接变形及残余应力，确保高强钢厚板焊接质量是本工程的重点。

2.3 焊接残余应力的消减

由于厚板焊接多为封闭的箱形结构，焊接填充量大、应力相当集中；但高层建筑结构构件从制作到安装一般周期仅为15 d左右，使得构件内大量的焊接残余应力无处释放。若构件的大量残余应力得不到释放，将会对构件的承载能力、抗疲劳强度产生极大的影响，易造成结构脆性断裂。所以，如何采取经济合理的工艺措施，来消除(降低)构件内的残余应力是本工程加工制作的一大难点。

3 解决措施

3.1 复杂节点制作

3.1.1 超厚钢板矫平

1）厚度＜80 mm 的钢板，采用专用的七辊矫平机对下料后的零件进行矫平，确保每个零件平整度达＜1 mm/m2的要求。

2）厚度＞80 mm 钢板，采用大吨位的液压压力机对下料后的零件进行矫平，钢材矫平方法：在凸起处施加压力并用厚度相同的垫铁（圆钢或扁钢）在凹面两侧支撑工件，使工件在强力作用下发生塑性变形，以达到矫正的目的。

3.1.2 重型组装平台

为保证组装精度，特别是组装间隙的控制，必须采用专用组装胎架进行组装。根据构件、节点的外形特点、制作工艺要求，在重型平台上制作重型整体组装胎架。组装胎架上口水平度必须保证≯0.5 mm，超差必须进行修正。

3.1.3 优化组装方法和焊接工艺

合理选择焊接坡口形式、制定焊接反变形措施、优化组装方法和焊接工艺等一系列工艺措施控制钢柱的组装精度及焊接整体变形。

对超厚板的焊接尽量采用窄间隙小坡口焊接工艺，节点牛腿尽量采用双数焊工对称焊接控制焊接变形；焊后采用振动消应力工艺消减节点焊接应力。

3.1.4 构件端口整体端铣加工

对验收合格的构件转移至端面机加工平台，在平台上定好中心线和水平度，进行上下端面的端铣加工，端铣加工过程中应注意以洋冲印作为基准，端铣后应留半只洋冲印，通过端铣机加工控制端口尺寸精度。

3.2 应力消减

3.2.1 设计阶段

1）复杂的节点能最大限度的解体成施工部件。

2）各施工部件能最大限度的利用机械化设备进行组装。

3）各施工部件在焊接时能最大限度的减少焊接拘束度。

4）部件组装时各部件结合面尽可能为一个平面内，焊接时不存在二个方向且相互影响的焊接收缩变形。

5）组成各部件的若因钢板厚度不同而需拼装时，其拼接缝必须贯穿钢板整个宽度方向，不可形成凹槽形的拼接缝。

3.2.2 加工制作阶段

1)提高零件切割精度。

2)钢板切割后进行整平处理，及时消除热切割应力。

3）提高部件组装精度，减小焊缝间缝偏差。

4）部件组装焊接完成后及时消除焊接变形和焊接应力。

3.2.3 焊接阶段

1）扩大构件在焊接过程中自动焊和CO2气体保护焊的使用范围。

2）根据本项目焊接工艺评定试验所确定的焊接工艺参数编制科学合理的焊接工艺文件，含施工顺序、每条焊缝的焊层与焊道的划分及每条焊道的焊接方向。

3）箱型构件厚板焊接采用小角度坡口，以减少焊接热输入量及减小焊接残余应力。

3.3 典型构件节点形式焊缝要求

1）牛腿节点位置焊缝要求见图1。

图1 牛腿节点位置焊缝

2）本体纵肋、内隔板焊缝要求见图2和图3。

图2 本体纵肋焊缝

图3 内隔板焊缝

3.4 反变形

1）H 形钢牛腿面板按中心3 mm 高度压制反变形。面板厚度≥2 倍腹板厚度形式的H 形钢牛腿面板取消反变形压制。见图4。

图4 H形钢反变形

2）典型结构一箱型牛腿下面板伸出位置压制179°反变形。见图5。

图5 典型结构一反变形

3）典型结构二箱型牛腿对应H 形钢上面板伸出位置压制178.5°反变形。见图6。

图6 典型结构二反变形

4）典型形式三箱型柱内部通长纵肋与钢柱壁板预先制作H 形钢形式，对应钢柱壁板压制179°反变形。壁板厚度≥2 倍纵肋厚度形式的取消壁板反变形压制。见图7。

图7 典型结构三反变形

4 结语

本文对复杂箱型构件、钢柱复杂节点的加工制作、厚钢板的焊接质量、焊接残余应力的消减的解决措施进行了论述分析，总的原则是优化组装方法和焊接工艺，控制组装精度及焊接整体变形。