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广州珠江新城西塔X型节点制作技术的创新??外框筒X型节点的加工制作工艺技术说明

作者：顾晓付等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文介绍了广州珠江新城西塔中国建筑金属结构信息网工程的关键技术施工难点。着 重介绍了外框筒X型节点的加工制作工艺技术及其要点和难点攻关。
    一.工程概况及特点
    1.工程概况
    广州珠江新城西塔高432米，建成后，西塔将矗立在城市的中轴线上，其所在的广场距珠江最近的距离只有200多米，在我国乃至世界上都属于较高的建筑中国建筑金属结构信息网之一，该结构设计新颖，造型优美、线条流畅、结构独特，具有广泛的实用性和观赏性，她的建成，不仅成为广州市的城市标致性建筑，也是当前世界经典建筑中具有时代性的标志性建筑，不仅为广州市增加了一道亮丽的风景线，同时也是我国在国际地位与实力的显示。如下图示：

    1）.塔体中国建筑金属结构信息网概况
    (1).结构概况
    珠江新城西塔中国建筑金属结构信息网外筒是一个不规则网筒结构，其横截面沿整个建筑高度是连续变化的。主塔楼地面以上103层，高432米，其中1-3层为大厅，4-67层为办公室，67层以上是高级酒店及客房，最高处设有直升机平台。在办公楼层，采用钢管混凝土斜交网格柱外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒结构体系；上升至酒店层时，混凝土内筒不再向上延伸，由钢柱锚入核心筒墙内，形成中国建筑金属结构信息网内框架加斜撑核心，结构体系为斜交网格柱外筒+内框架加斜撑体系。
    中国建筑金属结构信息网外筒是结构的主要抗侧力体系，钢管混凝土立柱共30根，由地下四层柱定位点起呈倾斜状沿直线至塔顶（+432.0m）相应的柱定位点，各柱的倾角不相同，柱钢管截面的直径与壁厚均沿高度变化，由底部外径1800mm，壁厚50mm缩至顶部外径700mm，壁厚20mm，钢材材质为Q345GJC、Q345B，管内充填高强混凝土。
    2）.结构特点
    (1).珠江新城西塔中国建筑金属结构信息网工程由外框筒、核心筒及外框筒与核心筒之间各楼层平台梁组合而成。
    (2).塔体外框筒由30根锥形立柱斜交组合而成，是一个不规则网筒管状塔形中国建筑金属结构信息网，高度方向每隔27米在立柱与立柱相交处形成“X”形状的外筒节点，由于节点受力复杂、且构造不易处理，故对外筒节点的制作精度要求十分高。
    (3).由于本结构体系十分庞大，高达432m，受力十分复杂，所选用钢材要求高，对外筒结构节点处材料均要求为Q345GJ，且要满足Z25要求。
    2.中国建筑金属结构信息网加工制作的施工技术要点和难点分析
    1）.大直径钢管立柱的制作
    本工程30根钢管立柱系由小段节钢管装焊而成，重量占整个工程重量的比例较大，加工难度大，精度高，且工作量十分巨大，这是本工程的首要难点。
    2）.节点制作
    本工程共有X节点255个，由于该节点起着连接上下立柱和楼层梁的特殊作用，且节点外形呈“X”形，外形尺寸大、节点重量大、最大板厚达到100mm，构造复杂。因此节点制作将是本工程的一大重点。本文主要介绍X节点的加工制作与预拼装过程及其技术难点的攻关。
    3）.预拼装
    通过对构件进行预拼装，除了对构件的制作质量进行检测与确认外，在拼装过程中还可对构件的制作偏差进行调整与融合，因此构件工厂预拼装是保证现场安装顺利进行、保证本工程整体工期计划的重要措施。
    但构件预拼装工作量大，构件定位难且精度高，特别是占用场地面积巨大，且周期长。因此构件预拼装的方法，拼装基面的选取，胎架的设计与制作，测量方案的设计等均是本工程的施工难点。
    4）.焊接
    本工程外筒结构焊缝均为X形节点相贯部位的相贯线焊缝，由于相贯线焊缝的坡口是沿其周长在变化的，因此该焊缝的坡口设计、相贯线切割、施焊工艺均是本工程的难点。由于钢材选用较厚，节点处最大达100mm，且焊接要求高，在焊接过程中易产生裂纹、层状撕裂等对焊接不利的因素，因此钢材的焊接准备工作十分复杂，综上所述，焊接亦是本工程的难点。
    5）.残余应力的消除
    钢管在卷制或压制过程中，一定会产生相当的残余应力，这些应力是否消除，如何处理，加之构件尺寸均很大，对残余应力的消除方案的选定均增加了很大难度，因此残余应力的消除是本工程制作过程中又一个难点。
    二.外框筒X形节点的加工制作
    1.X形节点的三维模型
    X形节点主要由外筒立柱、椭圆形拉接板、加劲环、加劲板以及楼层梁牛腿等组成，构件形状和节点类型如下图所示：

    2.X形节点的制作方案
    1）.方案
    预先进行各零部件的加工制作，合格后在总装胎架上进行整体组装，以保证单个X节点的制作精度要求满足预拼装及设计的要求。
    2）.X形节点立柱钢管与椭圆形拉板相贯处坡口的加工要求
    （1）.立柱钢管与椭圆形拉板相贯处坡口
    由于钢管相贯部分较长，卷制时有些仅为弧形，为了保证卷制加工的质量，与拉接板连接处的坡口应在卷制加工后再进行开设；环缝坡口应在加工前进行开设。
    （2）.钢管与椭圆形拉接板间的角接焊缝坡口形式
    钢管与拉接板连接为一螺旋型的渐变相贯线角接焊缝，其坡口开设分为两部分，即以连接处自然角度为45度界限，界限点向中部开设为双面坡口；界限点向端部开设为单面坡口，坡口置于内侧。
    另外，由于端部钢管板厚与拉接板间的角度较小，在9～16度之间，为了保证此处的焊缝质量，需在100mm拉接板的端部开设坡口，其范围约400mm弧长左右，坡口约25～30进行开设，坡口形式如下图所示:

    3）.立柱钢管的压圆加工技术要点
    （1）.压头
    ①根据立柱圆管的直径制作压模并安装，采用油压机进行钢板两端部压头，钢板端部的压制次数至少压三次，以减小钢板的弹性，防止头部失圆，压制后用样板检验，如下图所示：

    ②在压好头后，切去两端纵缝处的余量，并开好坡口。
    （2）.轧圆
    将压好头的钢板吊入三辊轧车后，必须用靠模式拉线进行调整，以保证钢板端部与轧辊成一直线，防止卷管后产生错边，然后按要求徐徐轧制，直至卷制结束，轧圆允许偏差如下：


    4）.立柱钢管纵缝、环缝的焊接及其矫正和检验
    （1）.立柱钢管纵缝焊接
    ①纵缝焊接
    筒体焊接采用在筒体自动焊接中心或在专用自动焊接胎架上进行，筒体内外侧均采用自动埋弧焊进行焊接，如下图所示。

    ②矫正
    矫正采用卷板机和火焰加热法进行。如误差出现偏大时，采用卷板机用滚压法进行矫正，如下图所示：

    如误差较小时，采用局部火焰加热法进行局部矫正。
    （2）.在胎架上定位、接长
    胎架经验收合格后即可进行立柱的拼接，接管前每节小段节必须进行校正，特别是椭圆度必须校正好。拼接时先将下口弧形板进行定位，定位时将其中心线对齐地面定位中心线，同时将其端口对齐地面位置线，如有误差需进行修整，必须保证两端口的椭圆度、垂直度以及直线度要求，符合要求后与胎架进行点焊牢固。如下图所示：

    ②.然后进行第二小段的定位，定位时与前相同，但必须注意与第一段间的接口以及焊缝间隙，以利后道工序的操作。
    ③.最后进行顶部段节的定位，方法与前相同，拼接后在所有筒体上弹出0°、90°、180°、270°母线，以及与上节钢柱的对合标记线，并用洋冲标记。如下图所示：

    3）.环缝的焊接
    （1）.为了采用筒体环缝的自动焊，在焊前需加工一块与非全圆弧形筒体切口相吻合的弧形板，如下图所示：

    （2）.将弧形板与筒体进行拼接，如下图所示：

    （3）.合格后将拼接好的筒体吊入滚轮焊接胎架上用埋弧焊进行环缝的焊接，焊接要求同纵缝要求，环缝焊接如下图所示：


    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。
    环缝焊接前同样采用陶瓷电加热板进行焊前预热。
    （4）.焊后校正，冷却后探伤，探伤合格后重新吊上拼装胎架进行立柱端口余量的划线，送端铣机加工平台进行端部的铣平，以保证节点的现场安装精度。
    4）.立柱端面的加工
    （1）.为控制节点的组装精度以及保证节点现场安装的精度，特别是钢柱分段间的对接焊缝的间隙要求,钢柱上、下端面必须进行端面机加工，将构件的制作误差控制在最小范围内，保证整个结构的安装精度及现场中国建筑金属结构信息网的安装进度。
    （2）.钢柱端面机加工采用机械动力装置进行端面铣加工，通过对钢柱的端面机加工，使钢柱两端面保证平行且与钢柱轴心线相互垂直，如下图所示：

    三.外框筒X型节点制作及工程技术难点攻关
    1.组装基准面的选择和组装胎架的设置
    （1).组装基准面的选择:
    节点整体组装以椭圆拉板和楼层牛腿垂直于地面为基准进行卧造。
    （2）.整体组装胎架设置的要求
    节点组装胎架根据上述基准进行设置，先在平台上划出椭圆拉板和各楼层梁的定位十字中心线，然后按节点的投影位置依次划出钢管立柱和加劲板（楼层）的投影中心线，端面企口线、胎架模板位置线等，划线后进行自检，然后提交专职检查员进行验收，合格后方可进行组装胎架模板的设置，地面划线后如下图所示：

    （3）.组装胎架的设置：
    胎架模板采用数控切割，以保证组装精度，然后严格按平台上的模板设置位置线进行胎架模板的搭设，胎架模板上口标高必须保证不大于0.5mm，超差必须修正，另外，由于节点重量较大，胎架模板必须保证有足够的刚度和强度，胎架设置后必须验收合格方可使用，胎架设置如下图所示：

    2.各部件的组装
    1）.椭圆拉板的组装定位
    胎架经验收合格后首先进行椭圆拉板的定位，椭圆拉板有折角时，应先采用油压机进行折角，定位时将其中心线及边企口线对齐地面定位中心线及企口线，同时保证与地面的垂直度，定位正确后与胎架进行点焊牢固，也可在一侧适当加设支撑进行加强，如下图所示：

    2）.钢管立柱的定位组装
    （1）.将已加工合格并画好组装定位中心线喝耳板十字中心线的钢管立柱吊上胎架进行定位，定位必须定对平台上立柱中心线和端面企口线以及立柱二端中心标高，同时注意与椭圆拉板间的焊缝间隙及坡口大小，如有误差在立柱上进行修正，保证其开口尺寸和坡口间隙，如下图所示：

    （2）.第一根立柱定位后，采用相同的方法将同一侧的另外一根立柱进行组装定位，与已定位的立柱进行对接，修正接口处的对接偏差，进行定位焊。
    （3）.采用同样的方法，组装定位另一侧钢管立柱，进行定位焊，检查合格后，即进行焊接。

    （4）.先进行立柱间的对接焊接，为了减小整体焊接变形，焊接采用CO2气保护焊，焊前先进行预热，焊接时先焊内侧，外侧清根后再焊；然后进行立柱与椭圆拉板间的相贯焊接，焊前同样应先进行预热，焊接采用双数焊工进行对称焊接，先焊内侧，后清根出白进行外侧焊接，正面焊接后，将节点翻身，采用同样方法进行另一侧的焊接，焊后进行探伤检查。


    3）.各加强环的定位组装
    各加强环定位时，将其板边线对齐地面定位基准线，同时注意与地面的垂直度，加强环应采用分块散装，以利装配，装焊后如下图所示：

    4）.各加劲板的定位、组装
    各加劲板按图纸尺寸进行定位，安装，但必须注意其装焊顺序，40mm的垫板应后装，待加加劲板与筒体焊接合格后方可进行装焊，然后再进行16mm的封板的装焊，如下图所示：

    5）.楼层牛腿的组装、定位
    加劲板安装后，即可进行定位组装楼层牛腿，楼层牛腿先进行组装焊接并制孔，再与节点进行定位组装，牛腿组装时定对地面基准线，同时注意其端口对齐地面上的定位线，另外为保证牛腿的定位精度，再采用全站仪进行配合定位组装，组装后如下图所示：

    6）.整体焊接
    安装完毕后进行自检互检，然后提交专职质检员进行验收，合格后即可进行整体焊接，焊接时采用对称焊，密切注意焊接变形。

    7）.耳板的组装、焊接
    整体焊接后将节点重新吊上整体组装胎架进行定位，然后进行端部耳板的装焊，定位时圆周方向分别对齐安装位置线，长度方向定对企口线即可，经验收合格后即可进行焊接，焊后如下图所示：

    3.完整性验收
    （1）.焊后在整体组装胎架上进行测量，各车间先进自检、互检，符合要求后提交专职质检员及驻厂监理进行验收，验收时采用地样法及全站仪同时进行，以确保节点的质量。
    （2）.以图中P3点为坐标原点，其整体验收时各控制点坐标值轴测图如下图所示：

    （3）.根据地面划出的线型或是坐标值中的X、Y、Z值可以控制部件在其各自方向的定位。由于只控制了端口的两点，不是控制其整个面的尺寸，其根部会有所偏移，因此还需提供各筒体及牛腿端部上、下口在地面上的投影偏差值（下图括号中的数值），将其投影偏差值结合起来就控制了其整个端面的尺寸，从而保证各牛腿及筒体的精确定位，线型及坐标值如下图所示：

    三.结束语
    由于广州珠江新城西塔外框筒中国建筑金属结构信息网体系庞大，其中共有X型节点255个，外形尺寸大节点重量大，最大板厚达100mm厚，结构极为复杂。
    我公司生产技术人员在提高单件精度，确保整体精度的前提下“化整为零，精益求精”。先将每个X形节点分解为数段立柱筒体和一块中间椭圆拉板，以加强环等小零件，然后对每个零部件各自下料、加工制作、拼装、焊前验收、焊接、焊后矫正验收。最后在精确制作的胎架上进行X节点的预拼装，严格控制每一道工序，高起点、高标准满足每一项精度要求。有了这样的精湛的工艺和严谨的工作态度，必定铸造明日广州西塔的辉煌。完美无缺的产品质量，才会有诚实卓越的企业信誉。
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