海上中心大厦钢巨柱制作工艺及质量控制正文-学位论文.doc

王 旭 上海中心大厦钢巨柱制作工艺及质量控制1 绪 论1.1 工程背景 上海中心大厦，位于浦东的陆家嘴功能区，占地3万多平方米，所处地块东至东泰路，南依银城南路，北靠花园石桥路，西临银城中路。 其建筑设计方案由美国Gensler建筑设计事务所完成，主体建筑结构高度为580米，总高度632米，是目前中国国内规划中的第二高楼。 “上海中心”总投入将达148亿元，预计2014年竣工交付使用。 工程简况 表1-1项目内 容工程名称上海中心大厦地理位置浦东陆家嘴功能区建筑层数地下5层、地上124层建筑高度632米工程用钢量约100万吨建筑面积5.7万平方米结构形式钢筋混凝土核心筒外框架结构1.2 生产条件简介 宝钢钢构有限公司（原上海宝钢钢构钢结构有限公司）的前身上海冶金金属结构厂建于1979年，从1984年开始涉足建筑钢结构行业，是中国最早的专业化钢结构生产企业，经过几十年的钢结构加工经验积累和众多工程构件加工的磨练，先后通过了ISO、IAS、AISC、CSA等认证。公司具有中国国家建设部颁发的钢结构甲级工程设计证书。公司拥有一级注册结构设计师3名，高级工程师5名，工程硕士研究生2名，工程师4名。拥有PKPM、3D3S、MTS、PIL2000、ANSYS、STAADPRO等国内外设计软件。 宝钢钢构（江苏）有限公司坐落于海门宝钢海宝金属工业园濒江核心领域，南靠长江深水岸线，西临新江海河港池，宝钢钢构（江苏）有限公司斥资7.2亿元投建，总占地面积近500亩。宝钢钢构（江苏）有限公司借助临江码头岸线资源优势以及便捷的水路运输渠道，为将来具备向客户提供超大、超重、超厚产品的设计、生产加工、运输以及安装一揽子解决方案创造了优越条件。除常规构件、大型管状结构外，宝钢钢构（江苏）有限公司将以跨江跨海桥梁等大箱体结构、海洋工程和超大型模块钢结构为核心产品。1.3 钢结构特点与应用前景钢结构具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，与传统结构相比，钢结构具有“高、大、轻”优势，在建筑工程领域得到广泛应用，是可持续材料，具有良好的应用前景。钢结构在我国火车站、剧院、机场、高架桥、地铁、轻轨、铁路桥梁、城市基础设施及大跨度、多高层住宅等建设中的运用进一步扩大。北京、浙江、上海和山东等城市已经在大力推广钢结构住宅示范工程，这标志着钢结构正逐步成为我国现代化住宅建筑发展的趋势。 2 巨柱制作质量要求2.1 放样（1）放样和车间施工用的钢卷尺必须经公司计量部门与本工程用的标准尺进行校核，并标贴修正值后才能使用，标准尺测定拉力为L30m时5kg以确保放样、制作和现场安装用尺的一致性。（2）放样作业按认可的施工图进行，绘制加工草图时必须认真核对图纸上的尺寸，并应根据需要加放焊接收缩和铣削加工余量。（3）常规零件加工余量预放a.箱形柱翼腹板长度方向加放30mm加工余量。b.箱形柱腹板纵缝每一条焊透焊缝加2mm的焊接收缩余量。2.2 号料和划线（1）号料前，确认材质和熟悉工艺要求，根据排版图、下料加工单和零件草图进行号料。（2） 号料时，使构件受力方向与钢板轧制方向一致。（3）划线作记号时不得使用凿子一类的工具，少量的样冲标记其深度应不大于0.5mm，钢板上不应留下任何永久性的划线痕迹。（4）划线精度 表2-1项目允许偏差基准线，孔距位置0.5mm零件外形尺寸1.0mm（5）划线号料后应按本公司质保手册的规定做好材质标记的移植工作。2.3 切割和（刨）铣削加工（1）切割工具选用a.条形钢板：可采用NC多头火焰切割机或半自动火焰切割机。b.一般零件板：可采用NC多头火焰切割机或半自动火焰切割机。c.厚度小于9mm的钢板：可采用剪板机剪切。d.H型钢：可采用圆盘锯，冷锯或带锯。e. BH钢：可采用自动火焰锁口机。（2）切割前应清除母材表面的油污、铁锈和潮气；切割后应去除熔渣，对于组装后无法精整的表面，如弧形缺口内表面，应组装前进行处理。（3）厚板切割前的预热和切割后的表面检查是保证焊接质量、构件质量的重要措施。厚板切割前根据规范要求进行预热，气割后进行切割断面的MT和VT检查，特厚钢板焊接应去除表面硬化层，避免切割面由于淬硬而产生微裂纹。特厚板焊接，应去除表面硬化层，防止层状撕裂起源于板端表面的硬化组织。 图2-1 特厚板焊接示意图（4）气割的允许偏差 表2-2项目允许偏差零件的宽度和长度1.0mm切割面不垂直度0.05t且2.0mm割纹深度0.2mm局部缺口深度1.0mm（5）火焰切割后产生的变形（如旁弯等），应矫正合格后才能流入下一道工序。（6）（刨）铣削加工的允许偏差 表2-3项目允许偏差零件宽度和长度1.0mm加工边直线度L/3000且2.0mm相邻两边不垂直度1.0mm加工面不垂直度0.025t且0.5mm加工面粗糙度Ra50um（7）筋板锁口处理筋板板厚t19mm时，R=20mm；筋板板厚t19mm时，R=35mm。2.4 制孔（1）高强螺栓孔、一般螺栓孔和地脚螺栓孔的钻孔优先采用数控钻床，也可采用划线钻孔的方法，采用划线钻孔时，孔中心和周边应打出五梅花冲印，以利钻孔和检验。 钻孔精度 表2-4项目允许偏差直径0+1.0mm圆度2.0mm垂直度0.03t且2.0mm（2）箱形柱内隔仓板上的灌浆孔允许由NC切割机切割而成；楼层梁上的方形或圆形设备孔由全自动火焰锁口机切割而成。精度要求参照气割精度要求。（3）孔位的允许偏差 表2-5名称示意图允许偏差（mm）1孔中心偏移L-1L+1 L L同组孔间距偏移P1-1P1+12两组孔间距偏移P2 P1+P1 -2P2+2 P2+P23孔的错位ee1 e-34孔边缘距 L+ L应不小于1.7d L+ d或满足设计要求2.5 组装（1）组装前，熟悉图纸，仔细核对零件的几何尺寸和各零件之间的连接尺寸；熟悉相应的制造工艺和焊接工艺，明确各构件的加工精度和焊接要求。（2）装配用的工具（卷尺，角尺等）必须检验合格，样板和样条在使用前也应仔细核对，组装用的平台和胎架应符合构件装配的精度要求（胎具的水平度应在1.0之间）并具有足够的强度和刚度，使用前应经技术质量部认可合格。（3）构件组装要按照工艺流程进行，零件连接处的焊缝两侧各50mm范围以内的铁锈、油污等应清理干净。（4）BH钢的翼板和腹板下料后应在BH拼装机上进行拼装，或在拼装胎架上进行拼装，拼装后按工艺进行焊接和矫正，在翼腹板上标出中心线的位置作为构件组装时的基准。（5）柱接头承压面应进行铣削加工，以保证接触面区域大于柱截面的75%，柱的铣削加工面垂直于柱轴心线。（6）厚板构件组装时，根据板厚的实际尺寸，调整装配位置尺寸。（7）构件组装完毕后应进行自检和互检，准确无误后再提交专检人员验收，若在检验中发现问题，应及时进行修理和矫正。（8）构件组装的精度 表2-6项次项 目简 图允许偏差（mm） 1T形接头的间隙e T16 e2.0 eT16 e1.02搭接接头的间隙e L+L ee1.0 长度LL：5.0 eT16 e1.53对接接头的错位e16T30 eT/10（T为较薄板厚） eT30 e3.04对接接头的间隙e手工焊 0e4.0（无衬垫板时） 埋弧焊 0e1.0 e气保焊 0e1.0手工焊 0e3.0埋弧焊 同上 e 气保焊 同上对接接头的间隙a埋弧焊，手工焊、5（带衬垫板时）气保焊 a+a -2.0a2.0 a+a6坡口角度aa=2.5 a=2.5气保焊、手工焊7 a+a 有衬垫-2a1坡口钝边a无衬垫-2a2埋弧焊-2a1t1t2时： 隔板 柱 t1e2t1/15，且e38接头错位e e 翼 缘 梁翼缘t1 t2时： t2et1/6，且e5.09水平隔板电渣焊-2.0a2.0间隙偏差a a+a高度h h2000，-1h2.010h2000， b e -2h3.0翼板垂直度b/100且3.0腹板中心偏移ee2.0箱形柱截面高度h L1 -1h2.0宽度b -1b2.011垂直度 L2 300， 2.0 14牛腿与柱连接L300，11.0 平面倾斜1 L 1 L300， 12.0 L1+L1 L2+L2 L3+L3柱长度LL10m， L2.015L10m，L3.0柱牛腿间距Ln-2.0Ln+2.0焊接组装件端部-3.0a+3.0偏差a16 a a 17加劲板或隔板倾-2.0a+2.0斜偏差a a a 19连接板、加劲板-2.0a+2.0间距或位置偏差a a20箱体旁弯e eeL/1500，且5.0箱体扭曲kk6H/1000, 且5.0 2.6 构件标记（1）构件编号的一般要求a.钢印深小于0.5mm，单字体10mm高，8 mm宽。在油漆后用漏字板及醒目油漆标记构件表面。标高标记b.每根立柱上必须标出柱子的中心线（4面）和1米标高线。另外还需把柱子轴心线引到柱底板的四个侧面，以便安装定位。同时必须作好方向标记，见图2-2。柱中心线图号构件号 图2-2 柱标记图c.如图2-3所示，梁的构件编号的朝向为两个箭头指向能够看得到的腹板面及上翼面，位置位于距左端1.0米处。 图2-3 梁标记图d.钢印的内容为：图号 + 构件号，敲钢印时应认清方向。（2）构件编号的方法a.如图2-4所示，柱子构件编号的朝向为两个箭头指向能够看得到的两个面，位置位于距柱子下端1米处。b.如图2-5所示，支撑（水平支撑）构件编号的朝向为箭头指向能够看得到的腹板面，位置位于距左端1米处。c.如图2-5所示，支撑（垂直支撑后拖上或下二字，位置位于距左端1米处。撑）构件编号的朝向为箭头指向能够看得到的腹板面。 图2-4 柱正面标记位置图 图2-5 垂直支撑图（3）标记的颜色应醒目区别基色a.主标记（图号、构件号）：见标记图。其中钢印位置为：柱为两侧面方向标记处；梁、桁架为左侧腹板及上表面。b.安装标记：柱的安装中心线（两侧）、1米标高位置线、底板中心线（四侧）。3 巨柱制作工艺方案3.1 巨柱简介地下层巨柱全长25.3米，由标高-25.4米（B5层）至标高+0.0（Z1-01层向上1.0米），标准截面为4.1米宽2.6米高。全柱的净重约240吨。柱本体的基本板厚为55mm，底板厚160mm，如图3-1。 图3-1 巨柱截面图3.2 构件分段和加工的总体思路（1）按工地起重能力要求，将巨柱分为两段制作，地下一节柱13.1米长、净重约130吨，地下二节柱12.3米长、净重约110吨。 图3-2 地下一节柱图 图3-3 地下二节柱图（2）以现场提供的实际锚栓位置尺寸，在底板上钻孔钻，组装底板时，消除现场锚栓位置误差，使巨柱安装一步到位。 3.3 巨柱制作流程（流程中的 * 号为检验停止点）原材料进厂主料复试*检验，矫正*表面除锈处理柱底板柱本体牛腿下料、切割下料、切割下料、切割 组合BH按现场实际锚栓位置钻孔组合BH焊接、矫正、栓钉焊接，UT检验*钻孔、检验*检验*设置胎架 第一箱组合，打底焊 第二箱组合，打底焊半自动焊接、翻身焊接、矫正，UT检验*标记中心位置、铣本体上、下端口安装牛腿、焊接、UT检验*安装柱底板、焊接、UT检验*包装、发运*标记构件、安装符号，参与预装3.4 巨柱制作难点和解决方法（1）巨柱制作难点巨柱扭曲控制；巨柱截面尺寸控制；巨柱安装位置控制；厚板焊接变形。（2）解决方法 扭曲是大型箱体制作的首要难点。巨柱箱体板虽较厚，但箱体的尺寸较大，使板的宽厚比大，从而使箱体的抗扭能力较差，而厚板焊接更增加变形量。为防止出现较大扭曲有必要采取以下措施：a.部件首先要合格，制作板制BH型钢，矫正BH型钢的旁弯在L/1500,且小于3mm。组合巨柱时要确认3根BH型钢的旁弯在同向。b.制作胎架要测平，部件放置后要调平。c.组合巨柱本体时，要设置工艺隔板。d.将合格范围内构件扭曲消化在底板安装上。巨柱在下料时考虑焊缝收缩量。上、下节柱的端口处设置工艺隔板来控制端口的尺寸。尺寸检验在每步制作过程中进行。构件的长度放余量，本体焊接完成后铣削端口来定长。在焊接工艺上优化焊接顺序，多次构件翻身，焊接过程中及时采用反变形措施，避免大坡口焊缝一次完成。3.5 巨柱制作工序（1）部件准备牛腿准备：下料考虑长度、焊接收缩余量。组合焊接完成后矫正、探伤。以牛腿上翼板为基准划线、钻孔。切割坡口，坡口位置向上。 图3-4 牛腿加工流程图隔板和工艺隔板的准备：下料后的隔板四边铣削，检验对角线尺寸之差3mm 。图3-5 牛腿加工流程图本体BH柱的制作：巨柱由3根大型板制BH型钢组合而成，因此首先要保证板制BH型钢的制作质量。a.翼板下料后矫正旁弯3mm ,并观察、调正、翻身使旁弯处于同向。b.在胎架上组合板制BH型钢。控制BH型钢扭曲3mm。c.焊接组合板制BH型钢要垫实各支撑点，多次翻身焊接，矫正变形。图3-6 本体BH柱加工流程图（2）巨柱组装a.组装胎架经测量后调平，安放BH型钢部件。BH型钢上划腹板、隔板安装位置线。先安装隔板，后安装巨柱腹板（腹板内侧已焊接栓钉）。控制端口尺寸及端口对角线误差。BH型钢与腹板间部分打底焊接。焊接隔板、工艺隔板与腹板的焊缝。图3-7 巨柱组装图一b.安装第二根板制BH型钢，第二根板制BH型钢的旁弯方向同第一根。检测端口平齐、间距和对角线尺寸。BH型钢与腹板间部分打底焊接。图3-8 巨柱组装图二c.对组件进行稳定加固，按画线位置安装隔板和巨柱腹板。主要控制端口尺寸 及端口对角线误差。焊接隔板与工艺隔板的焊缝。图3-9 巨柱组装图三d.安装第三根板制BH型钢，旁弯方向同第一根。检测端口平齐、间距和对角线尺寸。打底焊接。加固本体，用翻身架吊离胎架，翻身准备半自动焊接箱体纵缝。图3-9 巨柱组装图四e.垫平组合构件，在构件的翼板间加支撑。按焊接工艺进行焊接，预热后，正面纵缝完成1/3焊高后，翻身焊接另一面纵缝。当另一面纵缝焊接完成1/3焊高后，矫正BH型钢腹板的焊接变形，使其反变形约2度，即720mm高的腹板向外偏25mm 左右。完成焊缝焊接。矫正腹板。再翻身构件，同样处理反变形，完成焊接工作,矫正构件。图3-10 构件焊接图图3-11 构件变形控制图f.构件上端口腹板开锁口，焊接现场柱对接的衬垫。按巨柱翼板上中心线定铣端口截面线，用对角线法验证截面线与本体垂直，以牛腿隔板为基准铣削上端口。以上端口为基准定下端口位置，下端口开坡口。焊接箱体外部栓钉、检验。g.巨柱的中心面调水平，将柱微量扭曲消化在柱底。以上端口为基准在巨柱腹板上画出牛腿、墙板位置线。图3-12 牛腿墙板尺寸定位图h.安装牛腿、墙板连接板。焊接牛腿及墙板连接板，矫正。焊接过程中、制作完成后的构件在墙板位置均设墙板距离、变形控制件。图3-13 墙板安装图i.复核柱底板孔位，安装柱底板。以吊线方法确定底板四周的轴线位置，钢印标记。柱底板的安装工作一般是在牛腿安装前进行,视现场地脚螺栓尺寸提供时间而定。图3-14 柱底板安装图j.补全构件外部栓钉，清理构件表面，按主视图位置确定构件安装位置，钢印标记构件号、标高位置线、轴线（双向），将轴线位置引至底板厚度向。按规范要求构件检验。准备预装。4 巨柱的开洞与处理在制作图上已标明的孔洞，下料时按图纸开洞。如需在工地开孔的按现场图纸在工地现场开孔。开孔后的补强方案如下：孔边距梁段距大于梁高的钢板可利用火焰切割机，型钢上可利用自动爬行切割机。方孔的四角应钻孔以防切割时伤及母材，厚板切割需预热。构件开孔的一般的补强方式为：（1）用环形加劲肋板补强；（2）用套管补强；（3）用加劲肋补强。 图4-1 构件开洞补强图开孔及补强时应考虑下列因素：（1）不应在隅撑范围内设孔。（2）当圆孔直径小于或等于 hb/3时，孔边可不补强。当圆孔直径大于hb/3时，可视具体情况选用上述b.款13中任何一种补强方法均可。（3）补强板件应采用与母材强度等级相同的钢材。 5 结语按照上述工艺制作的巨形钢柱，在制作完成后经检查，均符合设计及质量验收规范的要求，经在现场安装后，厂房各部位连接良好，进一步证明了制作工艺的可行性，为以后制作此类钢柱积累了宝贵经验。钢结构制作质量决定着钢结构能否达到设计要求的使用功能， 钢结构制作涉及多学科、多专业，控制要点多，隐蔽工程多，制作技术复杂，质量控制难度大，在钢结构制作过程中，只有对影响质量的因素进行全过程、全方位控制，才能达到满意的效果，才能确保工程质量。 参考文献【1】钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)【2】钢结构制作工艺规程（DBJ08-16-95）【3】建筑钢结构焊接规程（JGJ81-2002）【4】高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）【5】杨国正.钢结构制作过程质量控制要点.施工技术，2011-06【6】尹卫泽等.深圳北站钢结构构件制作及安装技术，2010-08【7】宝钢钢构.上海中心大厦设计图纸及设计说明文件致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个高职学生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的宝钢钢构同事及师傅的支持，想要完成这个设计是难以想象的。自2011年12月，我在宝钢钢构（江苏）有限公司进行实习工，恰逢公司中标上海中心大厦项目，参与该工程地下层钢巨柱的制作流程过程，亲自体验了钢结构的制作与生产过程，也是本论文的选题之所在。论文的完成首先要感谢我的导师谢云飞老师。谢老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到制作工艺的确定和修改，中期检查，后期完善，工艺指导书规范等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的工艺指导书较为复杂繁琐，其中图形较多，但是谢老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩谢老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢装配作业区的领导和同事对我无私的帮助，特别是在工作流程制作方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我还要感谢我的母校南通航院，是母校给我们提供了优良的学习环境。另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！ - 23 - -