新建雄安站房鋼結(jié)構(gòu)靴梁式十字柱工廠化加工技術(shù)

李天琦

[摘要] 新建雄安高鐵站房項(xiàng)目下部結(jié)構(gòu)采用框架勁性結(jié)構(gòu)體系，勁性結(jié)構(gòu)鋼柱設(shè)計(jì)為十字型截面，柱腳設(shè)計(jì)為靴梁式預(yù)埋柱腳。鋼構(gòu)件為Q345GJC材質(zhì)，加工性能較差，且截面較大，靴梁式柱腳焊縫多、板材空間拼接多，加工難度較大。項(xiàng)目通過采用精細(xì)化的深化設(shè)計(jì)管理和現(xiàn)代化的工廠加工管理，通過準(zhǔn)備、加工的全工序質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量控制。

[關(guān)鍵詞] 鋼結(jié)構(gòu);工廠化加工;深化設(shè)計(jì)

0引言

武漢高鐵站為我國復(fù)雜大跨鋼結(jié)構(gòu)提供了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)隨著各類大跨場站的涌現(xiàn)，施工人員對施工技術(shù)和加工過程中體現(xiàn)出來的諸多技術(shù)問題和質(zhì)量控制問題也越來越重視。鋼結(jié)構(gòu)柱腳上連主體結(jié)構(gòu)，下接下部基礎(chǔ)，是決定承載力的主要部位，使上部結(jié)構(gòu)和下部主體有效的連接起來，他能有效固定上部主體的同時(shí)將柱子下端的軸力、彎矩和剪力傳遞給基礎(chǔ)，柱腳剛度直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)柱腳上部為十字型鋼柱，下部是鋼筋混凝土基礎(chǔ)，兩者結(jié)構(gòu)上存在不連續(xù)性。作為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接和主要受力構(gòu)件，如果柱腳及整根鋼柱處理不當(dāng)、加工質(zhì)量不可靠，將對整體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重不良影響。

鋼結(jié)構(gòu)的加工制造隨著結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的制造工業(yè)機(jī)械化水平也在不斷提高。從設(shè)計(jì)入手，結(jié)合制造工藝，促進(jìn)產(chǎn)品的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，形成加工流水線，促進(jìn)批量化生產(chǎn)，降低造價(jià)。我國鋼結(jié)構(gòu)自19世紀(jì)開始發(fā)展，隨著工廠內(nèi)加工工藝和管理模式的日漸成熟，新型智能化加工設(shè)備的推陳出新，復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加工質(zhì)量也到了進(jìn)一步保障，加工效率大幅提高。

1靴梁式超大十字柱設(shè)計(jì)概況

雄安站房屋總建筑面積47.2萬平方米，站房面積約為13.8萬平米，站臺雨棚投影面積10.97萬平方米，站場總規(guī)模為11臺19線。工程建筑主體共5層，其中地上3層，地下2層，局部設(shè)夾層。雄安站堅(jiān)持建設(shè)綠色、智能、精品客站的目標(biāo)要求，必將成為中國鐵路客站創(chuàng)新發(fā)展的標(biāo)志性工程。

工程承軌層以下設(shè)計(jì)為勁性框架式結(jié)構(gòu)，勁性部分為靴梁式十字鋼柱。十字鋼柱截面尺寸為+2200×1400×45×80mm，材質(zhì)Q345GJC，最大重量約45t。埋入式柱腳長4m，由1個(gè)十字型鋼柱（1*28.1t）和4個(gè)靴梁（4×3.88t）組成，每個(gè)靴梁上有6根2.3m長地腳錨栓和基礎(chǔ)混凝土連接，十字型鋼柱由2塊腹板和4塊翼緣板組成，腹板長2200mm，厚度為45mm，翼緣板長1400mm，厚度為80mm。

2工廠化加工管理

2.1工藝流程綜述

施工準(zhǔn)備階段進(jìn)行原材料的采購，進(jìn)廠后進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后再進(jìn)行預(yù)處理，審閱施工圖后完成工藝準(zhǔn)備、焊接工藝評定、制作工藝流程。材料進(jìn)場后按照圖紙尺寸要求進(jìn)行放樣，檢查套料的尺寸精度后再進(jìn)行下料，切割、鉆孔、鋼材冷熱加工成形后再進(jìn)行尺寸檢查，完成焊接、矯正后合攏組裝，再進(jìn)行焊接、矯正，經(jīng)過初裝、中裝并逐級檢查矯正后，進(jìn)行大合攏總拼裝。在車間完成構(gòu)建的預(yù)拼裝，全部檢查合格后，對構(gòu)建進(jìn)行涂裝編號，最終驗(yàn)收，合格后出廠。

靴梁式十字柱結(jié)構(gòu)由1段十字型鋼柱及4個(gè)靴梁組成，十字型鋼柱加工步驟為：先加工出一個(gè)H型鋼柱，再將兩個(gè)T型鋼柱組裝在H型鋼柱上，再對端部銑平，驗(yàn)收后分段完成十字柱加工;現(xiàn)場施工靴梁式十字柱節(jié)點(diǎn)分五次進(jìn)行加工，即十字型鋼柱和4個(gè)靴梁分次加工，在現(xiàn)場進(jìn)行靴梁和十字柱的焊接，完成靴梁式十字柱結(jié)構(gòu)的制作。

2.2深化設(shè)計(jì)管理

基于BIM技術(shù)，應(yīng)用Tekla軟件，通過對鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙節(jié)點(diǎn)的（建?！治觥纸狻摻?鋼構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化→焊縫深化→形成三維深化設(shè)計(jì)成果→導(dǎo)出深化設(shè)計(jì)圖紙→深化設(shè)計(jì)圖紙確認(rèn)→出加工圖→加工）等管理流程，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)，使圖紙信息由設(shè)計(jì)信息完成向加工、安裝信息的轉(zhuǎn)化。

工程靴梁式十字柱結(jié)構(gòu)，其靴梁柱腳是深化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過對節(jié)點(diǎn)的三維模型搭建，優(yōu)化鋼構(gòu)-鋼筋穿插，確定連接板、預(yù)埋螺栓、鉚釘?shù)燃?xì)部構(gòu)件定位，并輸出可用于指導(dǎo)工廠化加工的鋼結(jié)構(gòu)加工圖。

2.3工廠內(nèi)工藝管理

（1）下料

鋼柱主體按無余量加工形式下料，減少二次切割;構(gòu)件長4.1m，考慮上端端銑3～4mm以及整體焊接收縮量，翼板下料長度為4105mm，允許偏差±1mm;全熔透區(qū)域腹板下料寬度加設(shè)2mm焊接收縮余量。

45mm腹板在下料后應(yīng)先完成制孔，再進(jìn)行坡口開設(shè);注意坡口正、反向的區(qū)別，嚴(yán)格按照工藝文件要求控制坡口角度及鈍邊尺寸，坡口角度偏差0～﹢5°，鈍邊尺寸偏差0～-2mm，并處理好半熔透和全熔透焊接坡口的過渡。

（2）制孔

45mm厚腹板Φ22穿筋孔采用高速龍門鉆、三維鉆（寬≤1220mm）制孔，80mm厚靴梁翼板Φ22穿筋孔亦可采用平面鉆制孔。

（3）組立

腹板與翼板焊接連接區(qū)域應(yīng)將鐵銹、污垢等清除干凈。十字柱中H型及雙T型（將兩T型腹板位置點(diǎn)焊組成H型）宜采用人工臥式組立，在平整胎架上進(jìn)行，保證截面尺寸。

引熄弧板材質(zhì)、厚度、坡口尺寸選用與腹板相同的，保證焊縫端部質(zhì)量。為減少構(gòu)件翻身及焊接變形，組立時(shí)腹板焊接坡口深坡口應(yīng)同側(cè)，同時(shí)進(jìn)行深坡口側(cè)的打底焊、填充焊等，翻身后完成淺坡口側(cè)的清根、打底焊、填充焊等。4.1m長首節(jié)柱H型重約10t，單個(gè)T型重約5t，組立時(shí)應(yīng)加設(shè)安全支撐板防傾斜，并對構(gòu)件噸位及件號進(jìn)行標(biāo)識。

（4）焊接

十字柱焊接前預(yù)熱至80℃;焊接時(shí)應(yīng)注意翻身，減少焊接變形。H型及雙T型焊縫應(yīng)采用埋弧焊蓋面，十字焊縫位置空間尺寸約為1m*1m，可采用小車埋弧焊。45mm厚腹板與翼板焊接后，焊縫焊腳高度10mm，允許偏差0～+2mm，不允許加大焊腳高度。

（5）端銑及栓釘焊

采用大型端銑機(jī)（4.5米*6米）進(jìn)行十字柱頂部端銑。

（6）翻身倒運(yùn)

在翼板對應(yīng)位置加設(shè)翻身吊耳，在翼板外側(cè)加設(shè)弧形卡板工裝。使用50t桁車主鉤、副鉤完成構(gòu)件翻身。

（7）涂裝運(yùn)輸

表面處理：

承軌層以下構(gòu)件均為勁性構(gòu)件，無需拋丸除銹，但應(yīng)去除飛濺、油污等雜質(zhì)，保證構(gòu)件外觀質(zhì)量。

構(gòu)件標(biāo)識：

1）按《工廠構(gòu)件標(biāo)識-通用工藝》執(zhí)行，并貼二維碼掃描圖片（即BIM條碼）。

2）總裝車間應(yīng)在鋼柱柱頂往下500mm位置的圖紙▲側(cè)，打“△”型的樣沖眼標(biāo)識。油漆車間用白色油漆明顯。

2.4廠內(nèi)加工要求

工廠內(nèi)加工的基本要求如下：

（1）焊縫要求

1）焊縫要求參照焊縫通圖。

2）柱的翼緣板拼接縫和腹板拼接縫的間距不應(yīng)小于200mm，拼接長度不小于600mm;所有拼接縫都必須避開節(jié)點(diǎn)區(qū)域、加勁板200mm以上。

3）對接焊縫質(zhì)量等級均為一級。

（2）材料要求

1）焊材，焊劑在使用前應(yīng)在350℃烘焙2h。

2）栓釘，受潮的栓釘瓷環(huán)使用前應(yīng)在120℃～150℃范圍內(nèi)烘焙1h～2h。栓釘選用ML15型。

（3）預(yù)熱要求

板厚≥40mm時(shí)，焊縫坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)，焊前應(yīng)預(yù)熱到80℃;層間溫度控制在80～250℃;焊后用保溫棉覆蓋緩冷至常溫。為避免延遲裂紋產(chǎn)生，構(gòu)件發(fā)貨前應(yīng)再次檢查構(gòu)件焊縫。

（4）其他要求

1）采用火焰校正構(gòu)件變形，加熱校正一般溫度為700～800℃，不得超過900℃。

2）過焊孔按照圖紙及《天津廠過焊孔-通用工藝》執(zhí)行;定位焊按照廠通用工藝執(zhí)行。

3工廠加工質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 原材料質(zhì)量管理

1）物資主管部門在進(jìn)行工程所需的各種材料的采購前，應(yīng)審查生產(chǎn)廠家是否滿足業(yè)主及工程所需材料要求，并要求提供相關(guān)證明。必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行材料產(chǎn)地或生產(chǎn)廠家的質(zhì)量調(diào)查，確保工程材料的質(zhì)量保證。

2）材料進(jìn)場后，質(zhì)量主管部門與物資主管部門負(fù)責(zé)按照材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀質(zhì)量和幾何尺寸的檢驗(yàn)，并做好相關(guān)記錄。

3）質(zhì)量主管部門在外觀質(zhì)量檢查合格的原材料、半成品中按照業(yè)主、監(jiān)理及國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行取樣，抽取的樣品由質(zhì)量主管部門材料檢驗(yàn)員負(fù)責(zé)送檢，檢測單位應(yīng)具有規(guī)定的資質(zhì)并在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)行政主管部門備案認(rèn)可。

4）只有經(jīng)過驗(yàn)收、檢驗(yàn)被確認(rèn)為合格的原材料、半成品、零部件才能被允許使用。

5）經(jīng)檢驗(yàn)不合格的材料應(yīng)進(jìn)行明顯的標(biāo)識，并及時(shí)與供應(yīng)商聯(lián)系按照合同協(xié)商解決。嚴(yán)禁在工程上使用不合格材料。

6）材料進(jìn)場驗(yàn)收后，均應(yīng)做好標(biāo)識，并按要求進(jìn)行保管。

3.2 制作過程的質(zhì)量控制

1）工程質(zhì)量檢驗(yàn)工作必須嚴(yán)格按照國家和地方政府的法律、法規(guī)、規(guī)范及規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2）工程開工前，相關(guān)部門應(yīng)對車間及作業(yè)班組進(jìn)行技術(shù)、制作工藝和檢驗(yàn)計(jì)劃交底。

3）作業(yè)班組應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)交底、制作工藝以及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的要求進(jìn)行，專職質(zhì)量檢驗(yàn)員應(yīng)按照檢驗(yàn)批的劃分隨時(shí)檢查制作質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)有不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的及時(shí)進(jìn)行整改。

4）作業(yè)班組在工程生產(chǎn)過程中嚴(yán)格進(jìn)行“三檢制”。上道工序經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)入下道工序的生產(chǎn)。

5）專職質(zhì)量檢驗(yàn)員及車間應(yīng)認(rèn)真做好生產(chǎn)記錄，以保持加工質(zhì)量的可追溯性。

3.3 成品保護(hù)管理

1）質(zhì)量主管部門負(fù)責(zé)監(jiān)督、檢查車間對構(gòu)件、物資的標(biāo)識和可追溯性的管理工作。

2）物資主管部門以及車間負(fù)責(zé)對原、輔材料及生產(chǎn)過程中所有零部件、構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)識，并有可追溯性。

3）庫內(nèi)存放物資，物資主管部門宜采用懸掛卡片的方法標(biāo)識名稱、規(guī)格、材質(zhì)、數(shù)量、產(chǎn)地等。

4）下料班組在零部件下料完成后，進(jìn)入下道工序前用油漆標(biāo)明零件號、材質(zhì)等信息。

5）每道焊接作業(yè)完成后，焊接班組應(yīng)在焊縫附近標(biāo)記焊工鋼印號。

6）總裝班組應(yīng)在構(gòu)件組裝完成后，用鋼印標(biāo)記出構(gòu)件編號。

7）成品堆場構(gòu)件的堆放、發(fā)運(yùn)的質(zhì)量管理。

8）鋼構(gòu)件制作完畢后應(yīng)加以臨時(shí)圍護(hù)隔離，防止踏踩。

9）構(gòu)件需要運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)注意防止磕碰，防止在地面拖拉。

4結(jié)語

1）通過對大型靴梁式十字柱的工廠化加工管理，包括深化設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化、加工工藝控制、數(shù)控加工設(shè)備、質(zhì)量控制等分項(xiàng)管理手段，成功保證了雄安新建高鐵站房大型勁性鋼結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量。

2）Tekla三維建模及深化在鋼結(jié)構(gòu)工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用成熟度較高，相對于傳統(tǒng)的二維翻圖，三維深化的精度更高、深化更為全面、錯(cuò)誤率更低、操作也更為便捷高效。成熟的BIM技術(shù)應(yīng)用也具有深化成本低、返工率低、材料浪費(fèi)較少、適用性和可推廣性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3）雄安站房大型鋼構(gòu)件的工廠化加工精細(xì)管理和質(zhì)量控制，保證了鋼構(gòu)件的質(zhì)量和加工效率，進(jìn)而促進(jìn)了現(xiàn)場履約，提升了企業(yè)的社會(huì)信譽(yù)度，具有良好的社會(huì)效益。同時(shí)工廠化加工采用流水化生產(chǎn)線，既優(yōu)化配料，又減少人工成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。工廠化加工的優(yōu)化配料和采用高精度數(shù)控加工設(shè)備，大大減少了廢料產(chǎn)生，環(huán)境效益同樣明顯。

4）綜上所述，靴梁式十字柱工廠化加工技術(shù)，在解決現(xiàn)場實(shí)際問題，滿足施工質(zhì)量精度和供貨效率需求的同時(shí)，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，具有廣泛的推廣性，為同類大型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的加工提供了很好的可鑒經(jīng)驗(yàn)。

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