中交汇通横琴广场圆管柱加工制造关键技术

万瑞，杨凯凯

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

中交汇通横琴广场工程3号塔楼为钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒+伸臂桁架的结构体系，塔楼结构高度为299.4 m，建筑高度为309.4 m，标准层层高4.5 m，避难层层高7.5 m，标准层建筑面积约为1 900 m2，总建筑面积约12.5万m2。建筑层数62层，外框为钢框架形式。外框由12根外框柱组成，外框柱最大截面准2 800伊70 mm，伸臂桁架部分外框柱传力板最大板厚100 mm，构件材质主要为Q345B、Q345GJB、Q390B，其中构件板厚40 mm臆t约60 mm时，厚度方向应具有Z15的性能要求，板厚t逸60 mm时，厚度方向应具有Z25的性能要求。

外框柱按高度方向截面分布情况如表1所示，标准节大直径圆管柱如图1所示，圆管柱大拘束度厚板节点如图2所示。

表1 各标高外框柱截面材质表Table 1 Material tables for sections of external frame columnswith elevations

图1 大直径圆管柱内部透视示意图Fig.1 Diagram of internal perspective of large diameter cylinder

2 超厚大直径圆管柱加工工艺

2.1 超厚大直径厚壁钢管柱的制作要点及流程

1）大直径厚壁钢管采取卷板机卷圆加工方法，卷圆前，钢板两端采用油压机预弯[1]；

2）调整钢板的加工母线与卷板机辊轴轴线平行，防止卷圆后端部产生错边；

3）钢板多次来回卷圆成形，卷圆过程中严防钢板在辊轴间出现打滑；

4）钢管成形后，纵缝焊接采用CO2气体保护和埋弧焊组合的焊接方法，内、外纵缝交替焊接，直至内、外纵缝焊满[1]；

5）钢管纵缝焊接后，打磨焊缝至与钢管外表面基本平齐；钢管在卷板机上进行圆度矫正。

2.2 厚板切割下料工艺及质量保证措施

本工程钢板厚度较大，伸臂桁架最厚达100 mm，材质最高级别为Q420GJC，厚板切割的精度、切割后尺寸和UT检验是保证构件质量的重要措施之一。

厚板切割下料主要工艺要点：

1）保证向气割区供给足够的氧气，所需切割氧流量Q可按下式估算；Q=0.09耀0.14 t（t为板厚）。

2）切割氧压力要调节适当，保证能及时把氧化铁吹排出去。压力宜高不宜过低，否则后拖量较大，出现割不透的现象。

3）切割速度为在0~40 s区间内缓慢增速至220 mm/s。

2.3 坡口加工

坡口开设按设计图纸要求，坡口采用半自动火焰切割机切割，不可采用手工切割，焊缝坡口角度的允许偏差应控制在依5毅左右，割纹深度不应大于0.2 mm。机械加工坡口不应有台阶。

打磨周边坡口面至光洁如图3所示。

图3 厚板双V形坡口开设示意图Fig.3 Schematic diagram of double V grooves for thick plates

2.4 预弯压头

采用数控卷板机压头。调整钢板位置，使平行于钢板短边的圆管柱加工与辊轴处于平行位置后进行压制。压头时用样板进行检测，用专用模具压制直边端的预弯段，其弯曲半径要小于实际弯曲半径，并用不小于500 mm的样板检查。卷管压头如图4所示。

图4 超厚大直径圆管柱压头示意图Fig.4 Schematic diagram of cylindrical indenter with super-thick and large diameter

2.5 圆管卷制加工

采用WS150伊3200三辊卷板机制作

1）清除钢板表面的氧化皮、附着的颗粒物等杂质。

3）钢板在卷板机上卷制，从一端卷向另一端，然后回卷，卷制过程中应防止钢板在辊轴之间打滑，如图5所示。

图5 圆管卷制加工示意图Fig.5 Piperolling processing diagram

4）圆管卷制成型，纵缝合缝质量检验合格后，采用CO2气保焊进行定位焊接，定位焊缝长度不应小于40 mm，厚度不宜超过设计焊缝厚度的 2/3，其间距宜为 300耀600 mm[2]。

2.6 圆管纵缝焊接

1）焊前准备

钢管柱的材质主要为Q345B、Q345GJB，主要采用实心CO2气保焊+埋弧自动焊组合焊接法。

2）预热温度

钢管柱接头最厚部件的板厚为70 mm，所以焊接接头最低预热温度应该控制在80益以上。

轨道基础控制网与线路控制网点和地下平面起算点联测时，轨道基础控制网平面测量每隔300 m左右联测一个既有的高等级线路控制网点。外业测量网型和起算点联测示意图，如图4。

3）焊接工艺参数

CO2气保焊采用焊丝直径准1.2 mm，焊接电流220耀280 A，焊接电压28耀34 V，焊接速度为25耀40 cm/min，气体流量控制在 15~25 L/min[2]。在圆管纵缝两端安装焊接所需的引弧板、引出板，气体保护电弧焊焊缝引出长度宜大于25 mm，埋弧焊缝的引出长度宜大于80 mm[2]。

4）纵缝焊接

纵缝焊接的具体顺序为：在采用CO2气保焊进行打底和填充焊接时，先进行内坡口侧的打底、填充焊缝的焊接，打底、填充至坡口深度的1/2~2/3后，对外坡口侧进行清根打磨，而后在外坡口侧打底、填充至坡口深度的1/2~2/3，再交替进行内、外坡口内填充焊缝的焊接，焊接接近板面3~5 mm[3]。焊道布置示意如图6所示。

图6 圆管纵缝焊道布置示意图Fig.6 Schematic diagram of longitudinal weld bead arrangement of circular pipe

当焊后需对焊缝进行消氢处理时。消氢后热温度应为 250耀350 益[4]。

焊接完成并完全冷却后，采用火焰切割方法除去引弧板和引出板，并修磨焊缝端部平整。严禁用锤击落引弧板和引出板[5]。

2.7 卷管对接接长

1）每段钢管对接前端部必须进行矫正，保证圆度符合对接要求。

2）相邻管节拼装组装时，纵缝应相互错开300 mm以上。

3）拼接后在所有卷管上弹出0毅、90毅、180毅、270毅母线，以及与上节钢柱的对合标记线，并用洋冲标记。

4）钢管对接时单节钢管间的直缝错位应大于板厚的5倍，且不小于300 mm[6]。卷管对接接长如图7所示。

图7 卷管对接接长示意图Fig.7 Pipe butt length diagram

2.8 环焊缝焊接

采取悬臂埋弧自动焊，环缝焊接顺序：先焊筒体内侧焊缝，外侧清根后再焊筒体外侧焊缝。先用CO2气保焊内侧打底，接着埋弧自动填充至焊缝的2/3。后外侧清根；并打底焊后换埋弧自动焊填充至焊缝的2/3后。再反至内侧盖面；最后是外侧盖面焊。

2.9 钢管端面铣削

端面机加工的目的为控制节点的组装精度以及保证节点现场安装的精度，如图8所示，将构件的制作误差控制在最小范围内。

对圆管端面铣削加工，平面度要求：0.3 mm，垂直度要求：d/500 mm，且不大于3.0 mm。

图8 钢管端面铣削示意图Fig.8 Schematic diagram of end face milling of steel pipe

2.1 0 钢管检测

1）直管圆度检查用外卡尺分段检查，每隔1 m段测量4个方向直径值。记录1-1忆、2-2忆、3-3忆、4-4忆的测量值，并测算平均值，椭圆度偏差值，如图9示意。

2）管端面的平面度和垂直度检测：将钢管中心线水平置放，在两端面以铅锤吊线检查平面度，将铅锤线与端面一点重合，旋转钢管检查测量每次锤线与另一点的距离，测的最大值即为管端面不平度，如图10示意。

图9 圆管柱椭圆度偏差检测示意图Fig.9 Detection of ellipticity deviation of cylinder

图10 圆管柱端面平整度检测示意图Fig.10 Flatness testing of cylindrical end surface

3）钢管直线度测量：在钢管表面拉4条钢丝线，在管端两头各用等高垫铁垫起，方向取0毅、90毅、135毅、225毅，以钢板尺沿钢丝线测量高度的变化值确认直线度。

2.1 1 隔板和T形加劲肋组装

先复核钢管的编号、尺寸偏差相关信息，再根据设计图纸尺寸，在钢管内、外表面画出铣削线，预留钢管柱下端坡口加工余量和零部件组装焊接收缩余量，然后以铣削线为基准画出隔板和T形加劲肋的定位线；从钢管的一端向另一端（或从中间向两端）对齐定位线，依次组装T形加劲肋和隔板，控制隔板与钢管轴线的垂直度[4]，如图11所示。

图11 隔板和T形加劲肋组装示意图Fig.11 Assembliesof partitions and T-shaped stiffeners

2.12 圆管柱二次组装

组装前质量检查：复核钢管柱和待组装零部件的编号，确认局部修补和变形均已修正完毕；零部件坡口尺寸符合设计图纸要求，椭圆度符合要求；坡口面及钢管柱待焊接区的外表面呈现金属光泽，外框柱表面无水分、油污相关影响焊接质量的杂质。

复测钢管柱长度，按照设计图纸柱底坡口形式，在滚轮胎架上采取气割切割加工柱底坡口；对齐组装定位线，依次组装连接牛腿和连接板，如图12所示。

图12 圆管柱二次组装示意图Fig.12 Secondary assembly of cylinders

2.13 栓钉、吊耳板组装及外形尺寸验收

复核钢管柱尺寸偏差，对于局部超差部位应先矫正合格。

根据设计图纸位置尺寸，在钢管柱外表面画出栓钉和耳板的组装定位线，然后对齐定位线组装，并按图13所示进行外形尺寸验收。

图13 圆管柱涂装前外形尺寸验收Fig.13 Inspection and acceptance of shape and dimension of cylinder before painting

2.14 圆管柱除锈防腐施工

工厂除锈需要条件：

1）喷砂除锈Sa2.5级，手工打磨ST3级；

2）表面粗糙度Rz40耀70滋m；

3）施工的环境：温度10~30益，相对湿度30%~80%；

工厂防腐涂装要求如表2所示。

表2 外框柱防腐涂装要求Table2 Requirementsfor anti-corrosion coating of outer frame columns

3 圆管柱大拘束度厚板节点加工工艺

圆管柱大拘束度厚板节点示意图见图14。从图14可以看出，拘束度最大的部位是2块对接伸臂桁架斜腹杆与下弦杆的内环加强板，及圆管柱筒壁交接位置，均为100 mm厚板连接。此部位残余应力最大，翼板层状撕裂倾向严重，对节点的刚度、稳定性以及结构疲劳强度影响极大。所以防止厚板的层状撕裂，消减焊接残余应力，是大拘束度厚钢板节点制作的重要控制项目[6]。尤其是在伸臂桁架下弦的工字形受拉节点，更是重中之重。制作时在原材料质量、装配工艺、焊接工艺及虚拟逆向成模等技术上进行了严格的控制，确保了大拘束度厚钢板节点的质量。

图14 圆管柱大拘束度厚板节点透视示意图

Fig.14 Perspective view of thick plate jointswith large

restraint of cylinder

3.1 装配工艺控制

钢结构焊接特别要注意厚板焊接产生的约束应力。采用合理的装配顺序、减少拘束度、降低构件残余应力、防止厚板层状撕裂；同时做到减少焊接变形，确保外框柱的椭圆度[4]。

据此，节点制作装配顺序以分部拼焊，先主后次的原则进行装配；与焊接顺序结合，在确保节点焊接可达性和尺寸精度的同时，减少厚板焊接时的拘束度，释放焊接残余应力。以伸臂桁架下弦外框柱节点为例，圆管柱壁厚70 mm，横向加强内隔板最厚100 mm；外伸牛腿连接伸臂桁架斜腹杆2块插板为100 mm厚板；装配顺序如图15所示。

通过先外插工字钢牛腿后内插圆筒，圆管柱内横向环板从里往外对称退焊进行组件。一来控制圆管柱的椭圆度，二来减少工字钢环板对100 mm伸臂桁架内插板与柱筒体处焊缝的拘束，达到减少残余应力，防止层状撕裂的目的。

3.2 焊接工艺

在远红外电加热技术预热、后热及层间温度控制等方面做了技术攻关，并进行了相关的焊接工艺评定，降低了焊接残余应力峰值，防止厚板层状撕裂的产生[6]。

1）坡口形式

图15 圆管柱大拘束度厚板节点装配顺序Fig.15 Assembly sequence of thick plate joints with large restraint of cylinder

根据本工程伸臂桁架外框柱节点焊接接头形式、拘束度情况及节点受力特点，制定适用于本工程厚板节点焊接接头的坡口形式如图16所示。

图16 焊接接头的坡口形式Fig.16 Grooveform of welded joints

2）焊接方法的选用

节点焊接时采用多层、多道的焊接方法，如图17所示。多层焊时，后层对前层有消氢和改善热影响区组织的作用；前层焊道的余热又相当于对后层焊道进行了预热，可防止冷裂纹的产生，防止冷裂纹诱发的层状撕裂[7]。

3）焊接顺序

图17 多层多道焊Fig.17 Multilayer multi-pass welding

遵循从中间向两边、由内部向外部，先施焊受拉部位，再施焊受压部位，先施焊拘束度大的焊缝，再施焊拘束度小的焊缝的顺序进行施焊，多人对称焊接。

4)预热、层间温度的控制

预热、后热及层间温度的控制（见表3）能防止由冷裂纹诱发的层状撕裂，钢厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生，准确的预热、层间温度、后热温度是防止裂纹产生的关键。

表3 预热、层间温度的控制及焊后保温控制要求Table 3 Preheating,interlayer temperature control and post-weld insulation control requirements

3.3 虚拟逆向成模技术

利用激光扫描逆向成模技术，当多束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。将激光束按照某种轨迹进行扫描，边扫描边成模，由于扫描极为精细，从而获取目标线、面、体、空间等三维数据，建立高精度的三维网格数字模型。

其核心理念是对单个构件的高精度的三维网格数字模型进行空间测试后与原计算机模型进行对比，通过后续的配套软件的开发与研究，将三维网格数字模型与建筑信息化模型相结合[8]。给出单个构件的各个点位的加工偏差报告，指导构件的矫正和返修。

4 结语

通过对中交汇通横琴广场超厚大直径圆管柱加工工艺及圆管柱大拘束度厚板节点加工工艺的分析研究，对圆管柱的整个工艺流程进行深度剖析，对于大直径圆管柱以及厚板复杂节点的加工重难点有了深刻的体会和技术总结，着重分析了层状撕裂产生的主要因素，为避免层状撕裂，通过不断的探索和摸索，以及对于类似工程的借鉴学习，制定了一整套预防层状撕裂的措施，积累了厚板焊接技术，虚拟逆向成模技术，以及为防止氢裂焊前预热、全程温控、焊后保温缓冷技术等一系列钢结构加工制作经验。在不断的摸索和改进中保质保量完成塔楼钢结构所有生产任务，并总结出一整套钢结构的加工关键技术，为后续超厚板复杂节点的加工制作提供技术参数及加工经验。