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广州新电视塔厚壁锥形钢管柱、节点加工技术及卷制管的应力特点分析与质量控制

作者：王晓波等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文介绍了广州新电视塔钢结构工程，建筑造型复杂，主要构件加工制作难度非常大，通过对高强度厚板锥形钢管柱的加工工艺的不断改进，提高了生产效率和加工质量，本文对厚板锥形钢管柱的加工、制作全过程进行了总结。 关键词：电视塔 厚壁锥形钢管柱 加工 应力分析
    关键词：广州新电视塔 厚壁锥形钢管柱 节点加工技术
    广州市新电视塔高610米，由一座高达454米的主塔体和一个高156米的天线桅杆构成，建成后，在我国乃至世界上都属于最高的钢结构之一，具有广泛的实用性和观赏性，，也是当前世界经典建筑中最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：

    钢结构外筒是结构的主要抗侧力体系，主要由钢管构件组成，包括钢管混凝土立柱、钢管环梁和钢管斜撑，钢管混凝土立柱共24根，由地下二层柱定位点起呈倾斜状沿直线至塔顶（+454.0m）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2000mm，壁厚50mm缩至顶部外径1200mm，壁厚30mm，，钢材材质采用Q390JGC和Q345GJC，管内充填C60高强混凝土。因建筑外观造型的要求，立柱钢管是带锥度的锥形管。
    一.锥形钢管成形工艺方案的确定
    分析本工程所用的各种规格钢管，立柱φ2000×50～φ1200×30，其径厚比为38，符合此规范采用冷卷工艺的要求，钢板经压制或卷制后，其力学性能又要发生变化，压制、卷制的过程，实际就是在外力作用下，使钢板的外层纤维伸长，内层纤维缩短而产生塑性弯曲变形。冷弯时变形越大，材料的冷加工硬化也越严重，在钢板内产生的残余应力也越大，甚至会发生表面裂纹。压制或（卷制）后钢管的表面硬度、冷硬化层深度将随压制（卷制）压力和次数的增加而加大。
    根据本工程设计要求的钢管柱规格（主要是径厚比）、材质、受力状态和构件类别，考虑到卷制和压制制管工艺上各自的特点和应用范围，以及工厂的实际加工设备，制作质量比较，经过综合比较分析后，确定锥形钢管柱采用卷制成型的工艺。
    二.锥管卷制成型的关键设备和关键技术
    1.放样
    采用计算机三维放样技术，对钢柱筒体零件进行准确放样，绘制零件详图，作为绘制下料图及数控编程的依据。本工程钢柱由于其本体为锥型，其零件下料前需进行展开放样。
    2.筒体卷制加工余量加放
    1）.钢管压制直径精度的控制
    由于钢管柱钢板较厚，在压制过程中钢板的延伸率发生变化，会直接导致加工后筒体的直径偏大，所以加工前必须采取措施进行预防，根据本公司以前曾加工过的类似工程的实际经验，φ1200×60-80mm钢管压制后，其圆周长将会增加约10-15mm，所以加工前应将钢管直径缩小3-5mm展开进行展开下料。
    2）.钢管轧制压头余量的加放
    为保证每一管节位于纵缝区域曲线光顺，必须在纵缝两侧各加放一定的加工压头余量，见下图所示。

    3）.钢管纵缝对接收缩余量的加放
    对接焊缝处需加放2mm焊接收缩余量。
    3. 压头
    根据锥管的曲面线形制作压模并安装，采用800吨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，先在钢板端部150mm范围内压一次，然后在300mm范围内重压二次，以减小钢板的弹性，防止头部失圆，压制后用样板检验，切割两端余量后并开坡口。
    压头时注意压头质量，钢板制作，且圆弧处采用铣床进行机加工，从而保证加压头质量的好坏直接关系到锥体的成型质量，所以为保证加工质量，尤其是锥度要求，压头检验用样板必须使用专用样板，样板要求用3mm不锈钢加工制作。

    4.卷制
    关键加工设备：
    筒体卷制采用EZW11100*3200数控卷板机及800吨油压机加工成型。卷板机设备最大加工能力可达t=100mm；L=3200mm；D内≥850mm，见下图所示。

    加工方法：
    对于筒节内径大于φ1200mm的筒体采用卷板机一次加工成型，加工后只拼接一条对接缝。
    为了保证筒体的外形尺寸精度，筒体轧制时根据其锥度要求在零件上划出加工母线（见下图所示），轧制过程中通过加工母线位置进行调节钢板进料方向及速度，从而达到加工成型的要求。

    5.钢管的纵缝和环缝焊接
    1）. 钢管纵缝和环缝焊接方法: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）. 焊接顺序：先焊内侧，后焊外侧面。内侧焊满2/3坡口深度后进行外侧碳弧气刨清根，并焊满外侧坡口，再焊满内侧大坡口，使焊缝成型。
    3）. 焊前装好引熄弧板，并调整焊机机头，准备焊接。
    4）. 焊前预热：焊接前必须对焊缝两侧100mm范围内进行预热，预热采用陶瓷电加热板进行预热，预热温度100~150℃，加热时需随时用测温仪和温控仪测量控制加热温度，不得太高
    6.钢柱端面机加工方法
    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，端面加工如下图所示。

    三.锥形厚板钢管制造后的应力特点分析及质量控制
    1.折弯成型对母材区应力的影响

    2.钢管消应力工艺方案
    钢管消应力方法经过从可操作性、经济性、工艺性等方法的比较，钢管消应力采用振动时效工艺方案，经过实际使用证明此方法是最适合的。
    振动时效工艺系统布置
    1）.按下图放置各振动工艺装备与辅件。钢管放在托架上，应保证4个橡胶垫压缩均匀。钢管固定端口平面距支架厚板平面约10～20mm，
    2）.激振器用C型夹固定在钢管振动端的上方，激振器大端面与钢管端面齐平。偏心矩设定为32％（可以按实际效果在25～40％范围调节）；
    3）.加速度传感器放在激振器下方的钢管内；



    2）.在最低共振峰f1的亚共率范围内进行工艺振动，连续振动18分钟；手动条件下可以每3分钟调节一次转速 ,以保证工艺在最大振幅状况下进行。记录每次调节后的振幅与频率；
    3）.再在次低共振峰f2的亚共振范围内进行第二次工艺振动，连续振动12分钟；手动条件下可以每3分钟调节一次转速 ,以保证工艺在最大振幅状况下进行。记录每次调节后的振幅与频率；
    4）.再次扫频，获工艺后的振动幅值－电机转速曲线（a-n曲线）。转速变化范围应保证与第一次扫频相同；
    5）.打印自动评定结果、2次扫频（a-n）曲线和工艺(a-t)曲线。手动控制时应把记录数据填入工艺执行报告的相应栏目内。
    4.钢管振动时效前后的应力分析


    钢管端部振动时效后母材残余应力分析
    导致直缝弯管端部母材残余应力在振动时效后上升的原因可能是因为振动时效过程中，由于振动这一外来机械能量的导入，使得原来存储在管中的内能重新分布，在整体均化弯管的残余应力的同时，不排除有一部分内应力在这一外来能量的作用下释放出来。而且由于母材受到热加工和机械加工（即焊接和折弯）的影响远小于焊缝、HAZ和折弯部位，且在端部的母材要较中部的母材具有较小的约束和较大的自由度，因此端部的母材便成为有利的应力释放口，导致的结果就是在振动时效后其它测量部位的残余应力下降的同时，端部母材的残余应力有上升的趋势。
    钢管中部振动时效后母材残余应力分析










    四.外框筒钢管柱节点的加工工艺
    1.结构说明
    本工程外框筒部分构件主要由立柱节点、环梁和斜撑三部分组成，构件形状和节点类型如下图所示：


    2.外框筒节点组装工艺
    本工程共有节点1104个，由于该节点起着连接上下立柱、斜撑、左右连接圆环弯管的特殊作用，且由于设计对安装精度要求远远大于目前塔桅结构的安装要求，所以要满足达到高精度的安装要求，对于外框筒节点的加工制作精度控制非常重要。
    1）.相贯线坡口的设计
    相贯口的切割方案最重要的一点是如何确定相贯坡口的角度，即如何实现相贯焊缝的最佳参数，实现焊缝等强。对于本工程而言，由于采用的是φ800、φ1000、φ850等规格均是大直径，甚至是厚壁管，同时在细腰部斜撑与立柱的夹角非常小 ，相贯口的径向长度甚至达到2.3m左右，因此如何实现在相贯口A、B、C、D区的等强焊接是关键的考虑因素。经过反复的讨论和论证我们采取以下的方案，在符合JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的基础上，选用AWS D1.1：2004美国焊接学会《钢结构焊接规范》的“对厚截面或有疲劳要求时改善的下凹形剖面形状的免评定的管材T、Y和K形完全熔透（CJP）节点接头”，相贯焊缝的分区示意和在不同区剖面坡口要求如下：

    2）.环梁的弯管工艺与质量控制
    本工程的环梁由于建筑设计的需要，环梁均采用弧形钢管与钢柱连接起来，由于环梁为大口径钢管且壁厚较厚、弯曲半径较小，环梁的弯曲难度较大，所以对于环梁的弯曲加工是本工程的一个加工制作的难点，我们根据多年积累的施工经验，以控制成本为出发点，在保证加工质量的前提下，采用了冷弯成型工艺，如下图所示，弯管前先按钢管的截面尺寸制作上下专用压模，压模采用厚板制作，然后与2000吨油压机用高强螺栓进行连接，下模开档尺寸根据试验数据确定。通过实际检验测量，弯管精度和质量完全达到设计要求，很好地控制了加工成本。

    3）.节点组装定位控制
    对于单个节点工厂制作而言，在深化时应给出具体的工厂可操作的定位模式或数据。同时由于节点系管状结构，图纸不能给出的是管中心的空间“虚拟中心点”坐标，否则在制作时无法实施，在本工程中我们采用了“三维坐标定位法”和放地线法联合作业定位的思路进行拼装定位，同时配合高精度的全站仪进行检测，从而较好地控制了节点的组装精度，如下图示。

    五. 外框筒节点工厂预拼装工艺
    1.外框筒构件预拼装目的
    工厂预拼装目的在于检验构件工厂加工能否保证现场拼装、安装的质量要求，确保下道工序的正常运转和安装质量达到规范、设计要求，能否满足现场一次拼装和吊装成功率，减少现场拼装和安装误差，特别是由于本工程外筒所有构件都呈空间三维倾斜，又附带各种节点分段，本工程钢立柱的安装精度为1/2000，且不大于5mm，远远高于一般超高层建筑和塔桅的安装精度要求；为控制外筒构件由于工厂制作误差、工艺检验数据等误码差，保证构件的安装空间绝对位置，减小现场安装产生的积累误差，故进行外筒构件的预拼装。
    2.外筒构件预拼装方法
    本工程外筒由于在水平和垂直方向的外形尺寸都比较大，所以，如何采用合理的预拼装方法来同时确保构两个方向的预拼装精度，将至关重要，根据工厂的预拼装场地面积及构件本身的特点，预拼装主要方法如下：
    1). 在外筒周长方向(水平方向)的预拼装方法
    由于外框筒水平投影尺寸较大，在底部时达到80×60m,顶部达到54×40.5m，对于工厂预拼装来说，若要进行整体分段预拼，工厂一般没有如此大的车间场地平台；为此，外筒构件在椭圆方向上的预拼装拟采用分区连续匹配预拼的方法进行，将整个外筒椭圆沿周长方向划分为12个分区，按顺时针或逆时针方向进行“2+1”连续匹配预拼，即第一分区预拼后，将与第二分区相邻的节点和立柱留下，并以留下的节点为基准，进行第二分区的预拼，依此类推，完成整个外筒的预拼装。分区及预拼流程如下图示：

    2). 外筒构件在高程方向上的预拼装方法
    如前所述，则在外筒高程方向上将存在与相邻阶段之间的交接界面接口不能进行整体预拼；为此，在高程方向上采用与椭圆方向预拼装相同的方法，以“2+1”连续匹配的方法进行预拼装，即第一阶段构件预拼装后，将其顶部最上面的节点留下，并以此节点为基淮定位节点，进行第二阶段的预拼装，在高程方向上保证构件经过预拼装，从而保证预拼装立体拼装要求。如下图示意：


    六. 结束语
    江苏沪宁钢机股份有限公司是一个具有20多年钢结构制作历史和比较成熟的加工技术的钢结构制作企业，在广州新电视塔钢结构的加工制作过程中，将先进的现代技术运用到放样、下料等生产过程和管理过程之中，并结合20多年积累下的丰富经验以及传统的加工制作工艺，并取得了丰硕的成果。已加工制作好的近2万吨钢构件均达到设计图纸的要求、广州新电视塔钢结构质量验收规范以及国家有关标准、规范，为广州新电视塔钢结构工程的顺利完成创造了优良的条件，也为企业赢得了荣誉，同时也使我们对钢结构的加工工艺又有了更深的理解与质的提高。
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