廣州新電視塔厚壁錐形鋼管柱、節(jié)點(diǎn)加工技術(shù)及卷制管的應(yīng)力特點(diǎn)分析與質(zhì)量控制

作者：王曉波等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文介紹了廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)工程，建筑造型復(fù)雜，主要構(gòu)件加工制作難度非常大，通過對高強(qiáng)度厚板錐形鋼管柱的加工工藝的不斷改進(jìn)，提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，本文對厚板錐形鋼管柱的加工、制作全過程進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：電視塔 厚壁錐形鋼管柱 加工 應(yīng)力分析
    關(guān)鍵詞：廣州新電視塔 厚壁錐形鋼管柱 節(jié)點(diǎn)加工技術(shù)
    廣州市新電視塔高610米，由一座高達(dá)454米的主塔體和一個(gè)高156米的天線桅桿構(gòu)成，建成后，在我國乃至世界上都屬于最高的鋼結(jié)構(gòu)之一，具有廣泛的實(shí)用性和觀賞性，，也是當(dāng)前世界經(jīng)典建筑中最具有時(shí)代性的標(biāo)志性建筑，不僅為廣州市增加了一道亮麗的風(fēng)景線，同時(shí)也是我國在國際地位與實(shí)力的顯示。如下圖示：

    鋼結(jié)構(gòu)外筒是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系，主要由鋼管構(gòu)件組成，包括鋼管混凝土立柱、鋼管環(huán)梁和鋼管斜撐，鋼管混凝土立柱共24根，由地下二層柱定位點(diǎn)起呈傾斜狀沿直線至塔頂（+454.0m）相應(yīng)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2000mm，壁厚50mm縮至頂部外徑1200mm，壁厚30mm，，鋼材材質(zhì)采用Q390JGC和Q345GJC，管內(nèi)充填C60高強(qiáng)混凝土。因建筑外觀造型的要求，立柱鋼管是帶錐度的錐形管。
    一.錐形鋼管成形工藝方案的確定
    分析本工程所用的各種規(guī)格鋼管，立柱φ2000×50～φ1200×30，其徑厚比為38，符合此規(guī)范采用冷卷工藝的要求，鋼板經(jīng)壓制或卷制后，其力學(xué)性能又要發(fā)生變化，壓制、卷制的過程，實(shí)際就是在外力作用下，使鋼板的外層纖維伸長，內(nèi)層纖維縮短而產(chǎn)生塑性彎曲變形。冷彎時(shí)變形越大，材料的冷加工硬化也越嚴(yán)重，在鋼板內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大，甚至?xí)l(fā)生表面裂紋。壓制或（卷制）后鋼管的表面硬度、冷硬化層深度將隨壓制（卷制）壓力和次數(shù)的增加而加大。
    根據(jù)本工程設(shè)計(jì)要求的鋼管柱規(guī)格（主要是徑厚比）、材質(zhì)、受力狀態(tài)和構(gòu)件類別，考慮到卷制和壓制制管工藝上各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，以及工廠的實(shí)際加工設(shè)備，制作質(zhì)量比較，經(jīng)過綜合比較分析后，確定錐形鋼管柱采用卷制成型的工藝。
    二.錐管卷制成型的關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)
    1.放樣
    采用計(jì)算機(jī)三維放樣技術(shù)，對鋼柱筒體零件進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，繪制零件詳圖，作為繪制下料圖及數(shù)控編程的依據(jù)。本工程鋼柱由于其本體為錐型，其零件下料前需進(jìn)行展開放樣。
    2.筒體卷制加工余量加放
    1）.鋼管壓制直徑精度的控制
    由于鋼管柱鋼板較厚，在壓制過程中鋼板的延伸率發(fā)生變化，會直接導(dǎo)致加工后筒體的直徑偏大，所以加工前必須采取措施進(jìn)行預(yù)防，根據(jù)本公司以前曾加工過的類似工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，φ1200×60-80mm鋼管壓制后，其圓周長將會增加約10-15mm，所以加工前應(yīng)將鋼管直徑縮小3-5mm展開進(jìn)行展開下料。
    2）.鋼管軋制壓頭余量的加放
    為保證每一管節(jié)位于縱縫區(qū)域曲線光順，必須在縱縫兩側(cè)各加放一定的加工壓頭余量，見下圖所示。

    3）.鋼管縱縫對接收縮余量的加放
    對接焊縫處需加放2mm焊接收縮余量。
    3. 壓頭
    根據(jù)錐管的曲面線形制作壓模并安裝，采用800噸油壓機(jī)進(jìn)行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數(shù)至少壓三次，先在鋼板端部150mm范圍內(nèi)壓一次，然后在300mm范圍內(nèi)重壓二次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗(yàn)，切割兩端余量后并開坡口。
    壓頭時(shí)注意壓頭質(zhì)量，鋼板制作，且圓弧處采用銑床進(jìn)行機(jī)加工，從而保證加壓頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到錐體的成型質(zhì)量，所以為保證加工質(zhì)量，尤其是錐度要求，壓頭檢驗(yàn)用樣板必須使用專用樣板，樣板要求用3mm不銹鋼加工制作。

    4.卷制
    關(guān)鍵加工設(shè)備：
    筒體卷制采用EZW11100*3200數(shù)控卷板機(jī)及800噸油壓機(jī)加工成型。卷板機(jī)設(shè)備最大加工能力可達(dá)t=100mm；L=3200mm；D內(nèi)≥850mm，見下圖所示。

    加工方法：
    對于筒節(jié)內(nèi)徑大于φ1200mm的筒體采用卷板機(jī)一次加工成型，加工后只拼接一條對接縫。
    為了保證筒體的外形尺寸精度，筒體軋制時(shí)根據(jù)其錐度要求在零件上劃出加工母線（見下圖所示），軋制過程中通過加工母線位置進(jìn)行調(diào)節(jié)鋼板進(jìn)料方向及速度，從而達(dá)到加工成型的要求。

    5.鋼管的縱縫和環(huán)縫焊接
    1）. 鋼管縱縫和環(huán)縫焊接方法:筒體焊接采用在筒體自動焊接中心或在專用自動焊接胎架上進(jìn)行，筒體內(nèi)外側(cè)均采用自動埋弧焊進(jìn)行焊接，如下圖所示。

    2）. 焊接順序：先焊內(nèi)側(cè)，后焊外側(cè)面。內(nèi)側(cè)焊滿2/3坡口深度后進(jìn)行外側(cè)碳弧氣刨清根，并焊滿外側(cè)坡口，再焊滿內(nèi)側(cè)大坡口，使焊縫成型。
    3）. 焊前裝好引熄弧板，并調(diào)整焊機(jī)機(jī)頭，準(zhǔn)備焊接。
    4）. 焊前預(yù)熱：焊接前必須對焊縫兩側(cè)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用陶瓷電加熱板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度100~150℃，加熱時(shí)需隨時(shí)用測溫儀和溫控儀測量控制加熱溫度，不得太高
    6.鋼柱端面機(jī)加工方法
    鋼柱端面機(jī)加工采用機(jī)械動力裝置進(jìn)行端面銑加工，通過對鋼柱的端面機(jī)加工，使鋼柱兩端面保證平行且與鋼柱軸心線相互垂直，端面加工如下圖所示。

    三.錐形厚板鋼管制造后的應(yīng)力特點(diǎn)分析及質(zhì)量控制
    1.折彎成型對母材區(qū)應(yīng)力的影響

    2.鋼管消應(yīng)力工藝方案
    鋼管消應(yīng)力方法經(jīng)過從可操作性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性等方法的比較，鋼管消應(yīng)力采用振動時(shí)效工藝方案，經(jīng)過實(shí)際使用證明此方法是最適合的。
    振動時(shí)效工藝系統(tǒng)布置
    1）.按下圖放置各振動工藝裝備與輔件。鋼管放在托架上，應(yīng)保證4個(gè)橡膠墊壓縮均勻。鋼管固定端口平面距支架厚板平面約10～20mm，
    2）.激振器用C型夾固定在鋼管振動端的上方，激振器大端面與鋼管端面齊平。偏心矩設(shè)定為32％（可以按實(shí)際效果在25～40％范圍調(diào)節(jié)）；
    3）.加速度傳感器放在激振器下方的鋼管內(nèi)；



    2）.在最低共振峰f1的亞共率范圍內(nèi)進(jìn)行工藝振動，連續(xù)振動18分鐘；手動條件下可以每3分鐘調(diào)節(jié)一次轉(zhuǎn)速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進(jìn)行。記錄每次調(diào)節(jié)后的振幅與頻率；
    3）.再在次低共振峰f2的亞共振范圍內(nèi)進(jìn)行第二次工藝振動，連續(xù)振動12分鐘；手動條件下可以每3分鐘調(diào)節(jié)一次轉(zhuǎn)速 ,以保證工藝在最大振幅狀況下進(jìn)行。記錄每次調(diào)節(jié)后的振幅與頻率；
    4）.再次掃頻，獲工藝后的振動幅值－電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線（a-n曲線）。轉(zhuǎn)速變化范圍應(yīng)保證與第一次掃頻相同；
    5）.打印自動評定結(jié)果、2次掃頻（a-n）曲線和工藝(a-t)曲線。手動控制時(shí)應(yīng)把記錄數(shù)據(jù)填入工藝執(zhí)行報(bào)告的相應(yīng)欄目內(nèi)。
    4.鋼管振動時(shí)效前后的應(yīng)力分析


    鋼管端部振動時(shí)效后母材殘余應(yīng)力分析
    導(dǎo)致直縫彎管端部母材殘余應(yīng)力在振動時(shí)效后上升的原因可能是因?yàn)檎駝訒r(shí)效過程中，由于振動這一外來機(jī)械能量的導(dǎo)入，使得原來存儲在管中的內(nèi)能重新分布，在整體均化彎管的殘余應(yīng)力的同時(shí)，不排除有一部分內(nèi)應(yīng)力在這一外來能量的作用下釋放出來。而且由于母材受到熱加工和機(jī)械加工（即焊接和折彎）的影響遠(yuǎn)小于焊縫、HAZ和折彎部位，且在端部的母材要較中部的母材具有較小的約束和較大的自由度，因此端部的母材便成為有利的應(yīng)力釋放口，導(dǎo)致的結(jié)果就是在振動時(shí)效后其它測量部位的殘余應(yīng)力下降的同時(shí)，端部母材的殘余應(yīng)力有上升的趨勢。
    鋼管中部振動時(shí)效后母材殘余應(yīng)力分析










    四.外框筒鋼管柱節(jié)點(diǎn)的加工工藝
    1.結(jié)構(gòu)說明
    本工程外框筒部分構(gòu)件主要由立柱節(jié)點(diǎn)、環(huán)梁和斜撐三部分組成，構(gòu)件形狀和節(jié)點(diǎn)類型如下圖所示：


    2.外框筒節(jié)點(diǎn)組裝工藝
    本工程共有節(jié)點(diǎn)1104個(gè)，由于該節(jié)點(diǎn)起著連接上下立柱、斜撐、左右連接圓環(huán)彎管的特殊作用，且由于設(shè)計(jì)對安裝精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前塔桅結(jié)構(gòu)的安裝要求，所以要滿足達(dá)到高精度的安裝要求，對于外框筒節(jié)點(diǎn)的加工制作精度控制非常重要。
    1）.相貫線坡口的設(shè)計(jì)
    相貫口的切割方案最重要的一點(diǎn)是如何確定相貫坡口的角度，即如何實(shí)現(xiàn)相貫焊縫的最佳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊縫等強(qiáng)。對于本工程而言，由于采用的是φ800、φ1000、φ850等規(guī)格均是大直徑，甚至是厚壁管，同時(shí)在細(xì)腰部斜撐與立柱的夾角非常小 ，相貫口的徑向長度甚至達(dá)到2.3m左右，因此如何實(shí)現(xiàn)在相貫口A、B、C、D區(qū)的等強(qiáng)焊接是關(guān)鍵的考慮因素。經(jīng)過反復(fù)的討論和論證我們采取以下的方案，在符合JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，選用AWS D1.1：2004美國焊接學(xué)會《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的“對厚截面或有疲勞要求時(shí)改善的下凹形剖面形狀的免評定的管材T、Y和K形完全熔透（CJP）節(jié)點(diǎn)接頭”，相貫焊縫的分區(qū)示意和在不同區(qū)剖面坡口要求如下：

    2）.環(huán)梁的彎管工藝與質(zhì)量控制
    本工程的環(huán)梁由于建筑設(shè)計(jì)的需要，環(huán)梁均采用弧形鋼管與鋼柱連接起來，由于環(huán)梁為大口徑鋼管且壁厚較厚、彎曲半徑較小，環(huán)梁的彎曲難度較大，所以對于環(huán)梁的彎曲加工是本工程的一個(gè)加工制作的難點(diǎn)，我們根據(jù)多年積累的施工經(jīng)驗(yàn)，以控制成本為出發(fā)點(diǎn)，在保證加工質(zhì)量的前提下，采用了冷彎成型工藝，如下圖所示，彎管前先按鋼管的截面尺寸制作上下專用壓模，壓模采用厚板制作，然后與2000噸油壓機(jī)用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，下模開檔尺寸根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。通過實(shí)際檢驗(yàn)測量，彎管精度和質(zhì)量完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，很好地控制了加工成本。

    3）.節(jié)點(diǎn)組裝定位控制
    對于單個(gè)節(jié)點(diǎn)工廠制作而言，在深化時(shí)應(yīng)給出具體的工廠可操作的定位模式或數(shù)據(jù)。同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)系管狀結(jié)構(gòu)，圖紙不能給出的是管中心的空間“虛擬中心點(diǎn)”坐標(biāo)，否則在制作時(shí)無法實(shí)施，在本工程中我們采用了“三維坐標(biāo)定位法”和放地線法聯(lián)合作業(yè)定位的思路進(jìn)行拼裝定位，同時(shí)配合高精度的全站儀進(jìn)行檢測，從而較好地控制了節(jié)點(diǎn)的組裝精度，如下圖示。

    五. 外框筒節(jié)點(diǎn)工廠預(yù)拼裝工藝
    1.外框筒構(gòu)件預(yù)拼裝目的
    工廠預(yù)拼裝目的在于檢驗(yàn)構(gòu)件工廠加工能否保證現(xiàn)場拼裝、安裝的質(zhì)量要求，確保下道工序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安裝質(zhì)量達(dá)到規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，能否滿足現(xiàn)場一次拼裝和吊裝成功率，減少現(xiàn)場拼裝和安裝誤差，特別是由于本工程外筒所有構(gòu)件都呈空間三維傾斜，又附帶各種節(jié)點(diǎn)分段，本工程鋼立柱的安裝精度為1/2000，且不大于5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般超高層建筑和塔桅的安裝精度要求；為控制外筒構(gòu)件由于工廠制作誤差、工藝檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等誤碼差，保證構(gòu)件的安裝空間絕對位置，減小現(xiàn)場安裝產(chǎn)生的積累誤差，故進(jìn)行外筒構(gòu)件的預(yù)拼裝。
    2.外筒構(gòu)件預(yù)拼裝方法
    本工程外筒由于在水平和垂直方向的外形尺寸都比較大，所以，如何采用合理的預(yù)拼裝方法來同時(shí)確保構(gòu)兩個(gè)方向的預(yù)拼裝精度，將至關(guān)重要，根據(jù)工廠的預(yù)拼裝場地面積及構(gòu)件本身的特點(diǎn)，預(yù)拼裝主要方法如下：
    1). 在外筒周長方向(水平方向)的預(yù)拼裝方法
    由于外框筒水平投影尺寸較大，在底部時(shí)達(dá)到80×60m,頂部達(dá)到54×40.5m，對于工廠預(yù)拼裝來說，若要進(jìn)行整體分段預(yù)拼，工廠一般沒有如此大的車間場地平臺；為此，外筒構(gòu)件在橢圓方向上的預(yù)拼裝擬采用分區(qū)連續(xù)匹配預(yù)拼的方法進(jìn)行，將整個(gè)外筒橢圓沿周長方向劃分為12個(gè)分區(qū)，按順時(shí)針或逆時(shí)針方向進(jìn)行“2+1”連續(xù)匹配預(yù)拼，即第一分區(qū)預(yù)拼后，將與第二分區(qū)相鄰的節(jié)點(diǎn)和立柱留下，并以留下的節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行第二分區(qū)的預(yù)拼，依此類推，完成整個(gè)外筒的預(yù)拼裝。分區(qū)及預(yù)拼流程如下圖示：

    2). 外筒構(gòu)件在高程方向上的預(yù)拼裝方法
    如前所述，則在外筒高程方向上將存在與相鄰階段之間的交接界面接口不能進(jìn)行整體預(yù)拼；為此，在高程方向上采用與橢圓方向預(yù)拼裝相同的方法，以“2+1”連續(xù)匹配的方法進(jìn)行預(yù)拼裝，即第一階段構(gòu)件預(yù)拼裝后，將其頂部最上面的節(jié)點(diǎn)留下，并以此節(jié)點(diǎn)為基淮定位節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行第二階段的預(yù)拼裝，在高程方向上保證構(gòu)件經(jīng)過預(yù)拼裝，從而保證預(yù)拼裝立體拼裝要求。如下圖示意：


    六. 結(jié)束語
    江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司是一個(gè)具有20多年鋼結(jié)構(gòu)制作歷史和比較成熟的加工技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)制作企業(yè)，在廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)的加工制作過程中，將先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)運(yùn)用到放樣、下料等生產(chǎn)過程和管理過程之中，并結(jié)合20多年積累下的豐富經(jīng)驗(yàn)以及傳統(tǒng)的加工制作工藝，并取得了豐碩的成果。已加工制作好的近2萬噸鋼構(gòu)件均達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的要求、廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范以及國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，為廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)工程的順利完成創(chuàng)造了優(yōu)良的條件，也為企業(yè)贏得了榮譽(yù)，同時(shí)也使我們對鋼結(jié)構(gòu)的加工工藝又有了更深的理解與質(zhì)的提高。
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