巨型箱体复杂节点钢构件制作技术探讨

刘兴 杨柯

1.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司 广东 深圳 518045；2.中建二局阳光智造有限公司 广东 河源 517000

1 工程概况

1.1 建筑概况

广州商业中心项目位于广州市海珠区琶洲西区（A）区，北侧为双塔路，东侧为海滨路，南侧为琵洲南大街，由一栋高层办公塔楼（61层，地面高度至主屋面为338.65m，至冠顶高度为375.5m）及五层地下室组成。

1.2 结构概况

该工程地上结构为巨型框架（钢管砼柱）-钢支撑+偏心支撑结构体系。结构较为复杂且用钢量大，总用钢量约为4.6万吨。工程最高材质为Q460GJD，主要用于环带桁架位置，使用钢板最厚100mm。其中文章主要介绍的巨型箱体复杂节点的钢材材质为Q390GJC，使用板厚最高达70mm。主要分布在B1层[1]。

2 带巨型倾斜牛腿箱体的结构特点

2.1 结构形式

此巨型箱体复杂节点构件通长为8m，仅箱体截面长宽尺寸即为2800×2000，板厚最高为70mm，此节点由箱型柱本体、多隔板箱型牛腿、T型牛腿及H型牛腿组成。结构模型示意图见下图1，其中多隔板箱型牛腿的上、下腹板分别插入箱型巨柱本体的翼、腹板内。

图1 巨型箱体模型图

2.2 重难点分析

2.2.1 较厚板材易发生层状撕裂。随着母材厚度的增加，板材层状撕裂的问题将愈加突出，即使能判断结构中有层状撕裂，也很难修复。层状撕裂是焊接时在焊接构件中沿钢板轧层形成的显阶梯状的一种裂纹，该裂纹常出现在T形接头和十字接头中。

2.2.2 构件组装焊接顺序的确定。构件焊接工作量大，其内部加劲板设置较多，巨型倾斜牛腿插入箱体内部装焊顺序复杂，制造难度较大。因此采用何种加工方案以及装焊顺序能够最大化的减小焊接变形等问题将是制作此构件的关键所在。

2.2.3 焊接质量的控制。构件由箱体本体及巨型牛腿分别组装焊接完成后再进行整体组装焊接，每个部件重量大且焊缝较长，而且构件牛腿隔板等部位焊接空间不足，一般认为焊接空间小于600×600mm即是焊接空间不足，焊工难以正常施焊。另外由于母材较厚，所以容易导致焊接过程中焊接变形大，如何保证各部件的焊接质量以及如何控制箱体焊接变形是另一大难点[2]。

3 巨型箱体复杂节点的制作及保证措施

3.1 钢板矫平、零件放样、切割下料

钢板进厂后需对钢板进行矫平，采用机械矫正并辅以火焰矫正，确保钢板平直度小于等于1.5mm/m2。因构件结构复杂，在巨柱箱体本体制作时分为六个部件分别进行加工，通过保证每一部件的加工精度进而保证箱体组立的后的精度，对此，各零件的下料精度就显得十分之必要，按照工艺文件的要求加设切割余量，进行排版后，规则零件可采用数控直条切割机进行矩形下料，对于不规则的零件板可采用半自动火焰切割机或等离子切割机（厚度16mm以下钢材宜使用等离子切割机进行切割）进行切割，切割完成后，使用半自动火焰切割机开设坡口。下料切割时要注意：切割熔渣较多容易导致切口处堵塞。另外零件板坡口开设要特别注意坡口正、反向的问题，以防组装时坡口朝向错误导致焊工施焊空间不足。各零件切割好后用手持打磨机对零件坡口进行打磨处理，确保零件坡口无毛刺，防止零件组装焊接时焊工需二次打磨焊道毛刺，影响效率。

3.2 钢板除锈及预涂装

由于构件整体尺寸达4500×3500mm且整体重量达86吨，而打砂机尺寸有限，待箱体组立完成后再除锈处理则不能通过打砂机，而且厂内打砂机辊道难以承载箱体重量，因此需对构件外表面及牛腿外表面提前除锈，除锈处理后4小时内应对构件外表面及牛腿表面进行表面预涂装，预涂装油漆体系按照钢结构设计总说明进行涂装。

3.3 构件的组装焊接

3.3.1 各部件单独焊接时，根据装配基准线装配筋板，划线前应清除筋板与底板T接处30～50mm范围内的毛刺等，将筋板用工艺临时支撑板将其固定之后再进行焊接，同时为防止各部件产生较大焊接变形，应检查零件余量是否加设，防止焊接热量导致产生焊接收缩。安排多名焊工采用同时同向的焊接方式焊接筋板，焊后进行部件矫正。另外，为了减少母材的层状夹杂物或球状夹杂物，在钢材采购时就采购高建钢；并且对复杂或拘束度大的焊接节点进行合理优化，并设计出合理的坡口形式，坡口开设时合理开设是构件加工时防止母材层状撕裂的措施之一。

3.3.2 在进行箱体内隔板组焊时应注意施焊空间是否能够容纳焊工正常施焊等问题，箱体组立焊缝进行焊接时，采用CO2气体保护焊进行打底，埋弧焊填充、盖面的焊接方法。焊接尽可能采用小直径、小电流及多层多道焊接工艺，打底层焊缝的焊接工艺参数要相对稍微大一些，保证焊缝根部的熔合效果，并且还要注意认真观察熔池变化，要特别注意电弧在焊道两侧的停留时间，尽可能降低层间未熔合缺陷；其次要注意保证预热温度，预热温度应符合下表1要求。

表1 最低预热温度要求表

严格控制层间温度（最低层间温度不应低于预热温度，焊 接过程中的最大层间温度不宜超过250℃）。

3.3.3 箱体本体组焊完毕后，需进行铣端，因箱体重量超过铣端机的承载能力，需将千斤顶置于地面顶住箱体底面配合铣端机进行铣端，千斤顶与端铣机胎架随时调整高度确保箱体端面垂直，箱体端面端铣垂直度检测可用水平仪进行检测。

3.3.4 在牛腿与柱身组焊的过程中，组装与焊接处在交替进行的状态中，组装与焊接的质量控制尤为重要，为此在安装倾斜牛腿前需在牛腿待插入口焊接固定插入角度的临时用工艺板，同时操作桁车与手拉葫芦配合吊运牛腿零件板，确保倾斜牛腿插入角度不变，保证安装精确定位。另外要注意，腹、翼板上的牛腿插入口在切割制孔时要比图纸尺寸扩大10～15mm，方便倾斜牛腿安装顺利。

图2 构件制作工厂实景图

3.3.5 箱体与牛腿组焊完毕后，需将构件上表面进行涂装处理，需将焊接飞溅等清理干净后按照钢结构设计说明要求的油漆体系进行喷涂，之后将构件再次翻身焊接反面，在构件翻身时将构件置于专用地胎上后采用翻身胎架配合手拉葫芦与桁车进行构件翻身。

3.3.6 构件翻身完毕后进行牛腿与箱体反面焊缝焊接，焊接完毕后进行去除焊接飞溅等杂质，之后再次进行油漆喷涂，喷涂时亦应注意对柱顶现场坡口区域进行保护以免影响现场巨柱对接[3]。

4 质量检验、构件验收

巨柱构件焊缝形式绝大多数为一级全熔透，其中一级焊缝探伤比例100%，二级焊缝探伤比例20%；一级、二级焊缝不允许存在如表面气孔，夹渣，弧坑裂纹，电弧擦伤等缺陷，一级焊缝还不应有咬边，未焊满和根部收缩等缺陷。构件检测数据要进行归档整理。

5 结束语

针对广州商业中心巨型箱体复杂节点的独有特点，制订细致的加工方案，并配合针对构件特点的装焊工艺卡，对构件的加工一再细分，使构件加工更加精细。特别是构件质量大，焊接精度要求高，厚板多，倾斜牛腿与箱体本体的成功组合焊接等可以为后续类似构件的加工提供一定经验。