尹 平 龚海涛 王 侯 张 立
(武汉一冶钢结构有限责任公司， 武汉 430400)
摘 要：针对高层钢结构中钢骨柱、钢骨梁的制作难点、特点，制定详细的制作方案，编制科学、合理的焊接工艺，采用Tekla Structures建立整体结构的三维实体模型，通过模型导出构件详图及零件图，利用水准仪、全站仪对节点准确定位，并编制严密的质检程序，为提高高层钢结构中钢柱的制作质量及效率奠定基础。
关键词：钢柱； 高层钢结构； 构造样式多变； 高强螺栓连接
长江传媒大厦其主楼建筑地上47层，地下2层(局部有夹层)，建筑高度205.30 m(室外地面至大屋面)，大屋面以上为建筑装饰钢结构。副楼建筑地上5层，地下2层，建筑高度23.85 m。主楼与副楼之间由地下室连为整体，地上部分设置伸缩缝兼防震缝，缝宽140 mm。
本工程主要钢构件为钢骨柱、钢骨梁及其他辅助结构件，钢柱及钢梁均为高强螺栓连接构件，孔位精度要求比较高、板厚比较厚(25～70 mm)且结构形式多样化，常见为H形、箱形、人字形，复杂为十字形、田字形、六字形，对于焊接要求以及组装精度等要求相对较高，各种构件形式见图1。
钢构件牛腿节点及加劲板材质均选用Q345B,其他主体结构构件均采用Q345GJC，钢构件所选用的钢板厚度为：加劲板及牛腿选用14，25 mm厚钢板；主体(翼缘及腹板)件采用厚18，25 mm钢板。
钢构件材质均选用Q345GJC,钢构件所选用的钢板厚度分为30，40，50，60 mm等几种规格。
2.1 技术难点
1)各种节点数据的深化与坐标的控制，构件的空间定位。
2)高层钢结构项目结构形式多，组装及孔位精度要求高，焊接节点形式、焊接方位比较多，焊后容易产生变形。
3)施工详图设计、工艺方案的论证和制定。
2.2 技术措施
1)采用Tekla Structures软件，依据工程设计图纸建立整个结构的三维实体模型，通过模型导出供车间生产制作的构件详图及零件图，以利于车间更快地组织生产。
2)根据工程的结构特点、焊接节点形式、母材类型进行焊接工艺评定，对焊工考试。采用合理的组装顺序、方位来保证整体的焊接质量和孔位。
a-十字形柱；b-田字形柱；c-六字形柱
图1 构件结构形式
3)建立一套完整的工艺编制书和审核制度，通过严格的质量控制手段来保证组装及焊接质量。
3.1 制作工艺流程
高层钢结构钢柱主要制作工艺流程见图2。
图2 主要制作工艺流程
3.2 下料工序控制要点
本工程中所有的零部件及主件均采用切割机进行下料切割。需对下料尺寸进行自检、互检、专检等相关质量检验程序并记录成册。下料控制尺寸如表1所示。
表1 下料尺寸控制
序 号名 称长度(缩放)/mm宽度/mm备注1翼缘 +3+2下料后2腹板 +3+3下料后3加劲肋+0+0下料后
对零部件及主件切割、检验相关检查线的控制，划线时应在钢板上作出切割检查线，并同时检查钢板对角线是否正确，如图3所示。尺寸控制允许偏差如表2所示。对各种不同板厚对应的坡口依实际情况，根据熔透要求、板厚而定。
图3 零部件检查
表2 零部件下料允许偏差
项 目允许偏差/mm实测偏差/mm平行线距离和分段尺寸±0.50.3对角线差 1.00.5宽度和长度±0.5±0.4孔距±0.5±0.3
3.3 总装工序控制要点
3.3.1 H型钢反变形角度的控制
反变形加工采用2 000 t大型油压机和专用成型压模压制成型，同时根据焊接试验的焊接变形角度制作加工成型检测样板，压制成型时，应注意钢板表面不得有明显的压痕。
3.3.2 组立H型钢截面控制
组立时要求所有全熔透的H型钢截面高度组对过程中一律要求+2 mm，非全熔透的H型钢截面高度组对过程中一律要求±0 mm，允许偏差为+0.5 mm。组立人员需严格控制好其截面尺寸，质检人员需进行实时监控。
3.3.3 端铣(钢柱)控制
需铣端头的多节柱组立时，必须保证一头对齐，先从一端铣起，再铣另一端。梁与斜腹杆要求进行精确组对，端铣要求如表3所示。
表3 端部铣平面的允许偏差
序 号项 目允许偏差/mm实测偏差/mm检验方法1两端铣平时构件长度±0.8±0.5用钢卷尺检查2两端铣平时零件长度±0.5±0.3用钢卷尺检查3铣平面垂直度0.300用直尺或塞尺检查4铣平面的倾斜度(正切值)应不大于1/1500,且不大于0.500.2用直尺或塞尺检查5表面粗糙度0.030.01用样板检查
进入端铣工序的钢柱其弯曲允许偏差如表4所示。
表4 弯曲允许偏差
钢柱截面/mm钢柱总长L/m允许偏差/mm实测偏差/mm检验方法<700>1053钢盘尺、粉线、钢卷尺<1032钢盘尺、粉线、钢卷尺>700>1032钢盘尺、粉线、钢卷尺<>
进入端铣工序的钢柱其扭曲度为h/250(h为柱截面高)，不大于5 mm。
端铣钢柱两端相连接处，其截面高度允许偏差为±1 mm。
端铣时钢柱相关基准线控制：必须用样冲标示出端铣柱中心线，中心线要以腹板截面高度为依据，腹板中心线以截面高度中心为基准进行划线，翼板中心以截面腹板的中心为基准进行划线，并用样冲做出记号，样冲孔径不大于1 mm。使用工器具为划针、样冲、线锤。端铣基准控制如图4所示。
3.3.4 十字柱构件的组装控制
十字柱构件构造见图5。所有H型钢在进入组装工序前均用直角尺或钢尺检查其翼缘与腹板的垂直度，保证误差不大于1.5 mm并记录成册。T形构件均可先制作成H形后再进行剖开。
注：翼缘中心以腹板中心为准。
图4 端铣基准控制
图5 十字柱整体构造
组装时必须在水平胎架上进行，并以各相应的中心线为基准线进行装配，如图6所示。
图6 H形组装基准
十字形端头截面控制，在构件组装完毕、焊接前需对构件的T型钢与H型钢垂直度进行焊前检验，检验合格后方可进行施焊。施焊时为防止焊接收缩变形，需增设部分加筋码板,码板间距为1 500 mm(码板需铣平)，如图7所示。牛腿组装定位线及牛腿间组装如图8所示。各节点牛腿控制措施如图9所示。
图7 十字形组装基准
图8 牛腿组装基准控制
a-翼缘牛腿；b-腹板牛腿
注：专用平台上组合，合格后再进行装配。
图9 牛腿节点组装基准控制
3.3.5 田字柱构件的组装控制
田字柱构件构造见图10。田字柱杆件组装一律在水平胎架上进行，先利用H型钢及T型钢将田字柱组装为王字形后再进行后续装配。组装步骤如图11所示。
图10 田字柱构造示意
a-H型钢组装；b-王字形组装
图11 田字形组装基准
对于田字柱外侧腹板均采取箱形组装形式，内部加劲板采取三面坡口、一面电渣焊，形式如图12所示。截面及对角线差控制如图13所示。
a-内部加劲；b-外侧腹板
图12 田字形组装示意
注：截面允许偏差1.0 mm，对角线偏差2 mm。
图13 田字柱截面及对角线示意
3.3.6 六字柱构件的组装控制
六字柱构件构造如图14所示。六字形杆件的结构形式如图15所示。
图14 六字柱杆件构造示意
图15 六字柱杆件各结构形式分布示意
组装六字柱杆件时，用于定位及控制各结构点的定位线、中心线及基准线，如图16所示。H形及箱形加劲装配步骤如图17所示。
图16 六字柱杆件各结构形式组装定位示意
图17 箱形加劲组装定位示意
3.4 焊接工序要点控制
H形焊缝焊接顺序如图18所示。先将序号1进行焊接，当序号1的焊接深度达到1/3时，再焊接序号2；同样当序号2的焊接深度达到1/3时，翻面进行序号3或序号4的清根处理，清根完成后，将序号3或序号4焊接一半的深度，再翻面进行序号1和序号2的焊接，将序号1和序号2焊接一半的深度，再翻面将序号3和序号4焊满，最后再翻面焊序号1和序号2，如此反复进行。
注：1～4为焊接顺序。
图18 H形焊缝焊接顺序示意
箱形焊缝焊接：主体结构焊缝焊接，大量焊接前需采取首件制原则，第一件构件的焊缝需质检检验合格后方可进行大量焊接。主件焊接过程中需装配起始端引弧板和熄弧端引弧板，引弧板与母材同材质同厚度，引弧板规格为100 mm×150 mm 。埋弧焊前需对焊缝及两侧2倍板厚范围内进行预热，预热温度为100～150 ℃。焊接完成前不得中途停止，必须停止时应采取保温措施进行缓冷，重新施焊前必须再次预热，层间温度控制在120～150 ℃，焊完后需用保温棉进行保温。主焊缝整体焊接道数为22道：打底2道，填充16道，盖面4道。
十字柱焊缝的焊接如图19所示。先将序号1焊接1/4深度后，再进行序号2的反面清根处理，处理完毕后将序号2 焊接1/3深度，如此重复对序号3和序号4进行焊接。当序号4焊接1/3深度后，再翻面对序号1和序号2同时进行焊接，采取4人(单边2人)从中间向两端头同时、同步焊接方法的进行，依此方法待序号1和序号2焊接一半的深度后再进行序号3和序号4 的焊接，如此反复进行焊接。
注：1～4为焊接顺序。
图19 十字柱焊缝焊接顺序示意
六字柱杆件加劲焊接顺序参照田字形焊接顺序进行。
3.5 钻孔要点控制
1)牛腿组对焊接、校正后划线钻孔。
2)不得以板宽中心线来划线，必须以腹板厚度1/2、截高1/2为基准划线，如图20所示。
注：模板应有精确中心线与工件中心线对应固定后再进行钻孔。
图20 模板钻孔定位示意
3)H 型钢柱上翼缘、腹板方向的牛腿钻孔方式，如图21所示。
注：水平组对胎架，x、y面相对水平偏差±1 mm。
图21 翼缘、腹板方向的牛腿钻孔定位示意
4)为保证轴线牛腿夹角误差，各层牛腿需单独制作完(含钻孔、焊接、校正)，牛腿以前端孔至腹板和翼缘相连处绝对尺寸偏差±1 mm，并设置码板固定，克服因焊接导致的收缩量。且每个牛腿应在单独平台上校正合格后再进行钻孔，如图22所示。
图22 牛腿钻孔定位示意
5)高强螺栓及制孔的相关要求如表5所示。
表5 高强螺栓连接构件制孔允许偏差
螺 栓公称直径允许偏差实测偏差螺栓孔公称直径允许偏差实测偏差不圆度允许偏差实测偏差中心线倾斜度16202224+0.43+0.52+0.52+0.52+0.43+0.52+0.52+0.5218222426+0.43+0.52+0.52+0.52+0.40+0.50+0.50+0.501.01.51.51.50.51.01.01.0应不大于板厚的3%,且单层板不得大于1.0mm,多层板叠组合不得大于2.0mm
注：不圆度为最大和最小直径之差。
在制作长江传媒项目过程中，应用此下料方法、组装工艺、焊接顺序、防焊接变形措施、钻孔、孔位控制方法及外观几何尺寸均符合设计要求;经过预拼装处理、质检检验、监理、第三方抽检组装几何尺寸及孔位的控制质量均符合要求，表明所采用的制作技术是适用的。
参考文献：
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MANUFACTURING TECHNIQUES OF STEEL COLUMNS OF HIGH-RISE STEEL STRUCTURE
Yin Ping Gong Haitao Wang Hou Zhang Li
(Wuhan Yiye Steel Structure Co. Ltd， Wuhan 430400， China)
ABSTRACT：According to the characteristics and difficulties of manufacturing techniques of steel reinforced concrete columns and beams of high-rise steel structure, a detailed production plan was proposed and a scientific and reasonable welding procedure was also established.A three-dimensional entity model of overall structure was developed by using Tekla Structures, the detail drawing of components and the parts diagram were derived through using the model, level and total station to position the node accurately, a set of strict quality control program which could improve the production quality and efficiency of high-rise steel structure to lay the solid foundation was presented.
KEY WORDS：steel column; high-rise steel structure; structural style; high strenght bolt connection
第一作者：尹平， 男，1986年出生，助理工程师。
Email：578217119 @qq.com
收稿日期：2014-11-13
DOI：10.13206/j.gjg201503014
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