超重格構(gòu)式鋼柱制作工藝技術(shù)研發(fā)

王亮 靳毅 潘卓 朱美寧 馮爾云

摘要：超重格構(gòu)式鋼柱產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于大型體育館、展覽館、重型工業(yè)廠房等大跨度結(jié)構(gòu)。超重格構(gòu)式鋼柱產(chǎn)品，受力及制作工藝復(fù)雜，要求高。借助國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)分析軟件及虛擬制造安裝軟件，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究及虛擬安裝研究，能夠有效得進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新制作工藝及施工方案的改進(jìn)，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；格構(gòu)式鋼柱；制作工藝；

1 前言

未來(lái)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念、新產(chǎn)品開發(fā)、鋼材品種質(zhì)量、制作安裝設(shè)備及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、科學(xué)管理等方面。面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的全球鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)，國(guó)外的一些鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)在采用先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)制作工藝技術(shù)的同時(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)用材上加大研發(fā)力度，不斷開發(fā)新型材料及其應(yīng)用技術(shù)，而格構(gòu)式的制作技術(shù)就是其中之一。

格構(gòu)柱，即由型鋼拼制而成的桁架柱，由2根以上的主枝拼裝而成.主枝與主枝之間由型鋼或型材連接的結(jié)構(gòu)；超重格構(gòu)柱，則是構(gòu)件平均重量大于300kg/m的格構(gòu)柱，在達(dá)到相同承載力的情況下，格構(gòu)式鋼柱相比于其他形式的鋼柱，更節(jié)約鋼材，所以廣泛用于高承載力、大跨度的重鋼結(jié)構(gòu)廠房中。

2 工程概況

我公司借鑒以前格構(gòu)式鋼柱的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)寶鋼廣東湛江鋼鐵基地項(xiàng)目2250mm熱軋主體工程鋼結(jié)構(gòu)工程的格構(gòu)柱進(jìn)行開發(fā)，有助于我公司對(duì)格構(gòu)式鋼柱的高效制作積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，進(jìn)而提升在海南省鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于擴(kuò)寬市場(chǎng)有著重要的的意義。

本工程的鋼柱均為雙肢格構(gòu)式與實(shí)腹式結(jié)合的形式（如圖1所示）。上柱為焊接H型實(shí)腹式，下柱為雙肢格構(gòu)式鋼管混凝土柱，柱腳采用分離式柱腳，肩梁采用單腹壁肩梁。鋼柱有以下特點(diǎn)：

1.重量大：平均重量達(dá)7.4噸，最重的達(dá)8.4噸；

2.體積大：拼裝好后，柱子最高達(dá)23.5m，雙肢柱中心距達(dá)2.5m；

3.肩梁處工藝裝配比較復(fù)雜：很多零件穿插拼接后才施焊；

4.熔透焊縫多：肩梁處、柱頂鋼梁連接板處所有接料焊縫均屬一級(jí)焊縫要求，采用100%UT檢查；

5.工期緊：整個(gè)項(xiàng)目2600t，計(jì)劃45天完成全部發(fā)運(yùn)，加工鋼柱的時(shí)間配額短。

圖1 格構(gòu)柱三維圖

3 研制過(guò)程

本項(xiàng)目以顧客的要求和產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)為研究設(shè)計(jì)依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容有：重型格構(gòu)柱制作工藝設(shè)計(jì)，廠內(nèi)加工難點(diǎn)優(yōu)化，焊接變形控制技術(shù)等。

根據(jù)加工廠設(shè)備、場(chǎng)地等情況，決定將鋼柱分兩段制作，而加工工藝也有所改動(dòng)（如圖3所示）。由技術(shù)骨干人員負(fù)責(zé)相應(yīng)工序的工藝方案制定和生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)服務(wù)，通過(guò)控制過(guò)程質(zhì)量來(lái)保障產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1工藝設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)格構(gòu)式鋼柱結(jié)構(gòu)，提出了兩個(gè)方案：方案一采用常規(guī)的“切料——焊接——矯正——噴漆”工序，優(yōu)點(diǎn)是符合工廠設(shè)備的流水線設(shè)計(jì)，制作會(huì)比較流暢，但由于除銹機(jī)器允許構(gòu)件高度不大于2m，需要對(duì)機(jī)器改裝調(diào)試，成本偏大；方案二即為上面提出的工藝流程，先將零件除銹、噴底、中漆后，再返回正常工序。雖然零件多一次周轉(zhuǎn)，但是省去了改裝設(shè)備的開銷，可行性更強(qiáng)，最終定位最優(yōu)方案。

3.2施工方案確定

肩梁與下肢柱在專用拼裝胎上整體拼裝焊接成柱頭小組成，雙肢之間的斜腹桿采用相貫線切割機(jī)下料確精度。因構(gòu)件過(guò)高翻轉(zhuǎn)困難，在確保焊接變形可控情況下，盡可能減少翻轉(zhuǎn)次數(shù)，并實(shí)現(xiàn)各條熔透焊縫的平位清根焊接，減小焊接作業(yè)難度保證焊縫質(zhì)量。

上肢柱為常規(guī)工型，可在工型拼裝胎上拼裝，在埋弧自動(dòng)焊船形位置焊接4條主角焊縫以保證焊縫成型和質(zhì)量。

3.3焊接工藝

定位焊焊縫所采用的焊接材料及焊接工藝要求與正式焊縫的要求相同；定位焊焊縫的焊接避免在焊縫的起始、結(jié)束和拐角處施焊，弧坑填滿，嚴(yán)禁在焊區(qū)以外的母材上引弧和熄弧。定位焊的焊角尺寸不大于焊縫設(shè)計(jì)尺寸的2/3，且不得小于4mm；定位焊清除熔渣，檢查定位焊焊縫有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷時(shí)，必須清除后重新焊接。

多層和多道焊時(shí)，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格清除焊道或焊層間的焊渣、夾渣、氧化物等，可采用砂輪、鑿子及鋼絲刷等工具進(jìn)行清理；從接頭的兩側(cè)進(jìn)行焊接完全焊透的對(duì)接焊縫時(shí)，在反面開始焊接之前，采用適當(dāng)?shù)姆椒?（如碳刨等）清理根部至正面完整焊縫金屬為止，清理部分的深度不得大于該部分的寬度；每一焊道熔敷金屬的深度或熔敷的最大寬度不超過(guò)焊道表面的寬度；同一焊縫連續(xù)施焊，一次完成；不能一次完成的焊縫注意焊后的緩冷和重新焊接前的預(yù)熱。

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

經(jīng)過(guò)共享鋼構(gòu)質(zhì)檢部和顧客的聯(lián)合檢驗(yàn)和評(píng)定，通過(guò)本項(xiàng)目研發(fā)而制作的產(chǎn)品符合顧客技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，主要技術(shù)指標(biāo)尺寸、焊腳高度、焊縫質(zhì)量、探傷合格率等均以達(dá)到客戶的要求，得到客戶的充分認(rèn)可，到目前已按照約定的工期全部發(fā)貨。

本項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新性與先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

4.1技術(shù)方面

掌握了超重雙肢格構(gòu)柱的制作方法。超重雙肢格構(gòu)柱是我司投產(chǎn)以來(lái)第一次接觸此類產(chǎn)品。從詳圖深化、工人識(shí)圖、技術(shù)難點(diǎn)上積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)；

4.2工藝路線方面

制定了符合我公司的超大體積構(gòu)件的工藝制作路線；合理對(duì)超大構(gòu)件進(jìn)行分段，節(jié)約了機(jī)器的改造成本；保證了加工進(jìn)度；

4.3焊接方面

施焊時(shí)合理的安排焊接順序，根據(jù)可以減少焊接變形，使施工難度大的多條熔透焊縫實(shí)現(xiàn)平位焊接，保證工程質(zhì)量；該項(xiàng)目所有主材拼接焊縫的外觀檢查和無(wú)損檢驗(yàn)要求符合一級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為今后類似的施工達(dá)到探傷標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)應(yīng)用Tekla Structures、PIPE2002、CAD軟件對(duì)超重格構(gòu)式鋼柱制作產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬制造安裝的研究分析，總結(jié)出一套復(fù)雜異型空間管桁架設(shè)計(jì)、制作及安裝工藝技術(shù)，此工藝操作簡(jiǎn)便，構(gòu)件曲面成型效果好，制作整體尺寸精度高，焊接質(zhì)量好，實(shí)施性強(qiáng)，使工程能夠順利完成安裝，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

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