唐飛虎，鄭林偉，金 平，蔣國明

(中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司，上海 201908)

1 工程概況

南寧東盟塔位于南寧市五象新區(qū)，由75層地上地標塔樓及3層地下室組成，塔樓冠頂高度為346 m，為一類公共建筑。建成后將成為集辦公、酒店、購物、餐飲、金融功能于一體，進行全方位服務(wù)的高檔CBD區(qū)域，是具有城市標識性的超高層建筑(見圖1)[1]。

東盟塔結(jié)構(gòu)形式采用復(fù)合外圍框架(鋼管混凝土+鋼梁)+帶狀桁架+核心筒雙重結(jié)構(gòu)體系，塔樓的外框鋼結(jié)構(gòu)平面上呈三角形布置，并向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)以小角度傾斜。地上部分塔樓每個角布置2根四邊形鋼管混凝土巨柱(共計6根)[2]，三角形外框每邊設(shè)置4根圓管柱(桁架層以上每邊為5根)，核心筒剪力墻內(nèi)部設(shè)置有H型鋼骨柱，加強層內(nèi)部設(shè)置有鋼板墻、鋼腳筒，外框鋼結(jié)構(gòu)共設(shè)置了3道帶狀桁架加強層，分別位于F29層～F31層、F51層～F52M層、F73層～F75層(見圖2)。

塔樓加強帶狀桁架層由上弦桿、下弦桿、腹桿、桁架節(jié)點、桁架巨柱節(jié)點組成，其中桁架節(jié)點與桁架巨柱節(jié)點采用異形箱形節(jié)點，其他桿件為焊接H型構(gòu)件，桁架材質(zhì)等級為Q420GJC，桁架最大板厚為100 mm。由于篇幅有限，本文主要介紹F29層～F31層桁架巨柱節(jié)點的加工制作技術(shù)(見圖3～圖5)。

2 桁架節(jié)點深化設(shè)計

桁架節(jié)點深化設(shè)計流程：根據(jù)結(jié)構(gòu)圖建立BIM模型→深化構(gòu)造設(shè)計→設(shè)計洽商→設(shè)計確認。

2.1 總體優(yōu)化原則

在不改變原設(shè)計結(jié)構(gòu)的傳力路徑及節(jié)點受力的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，通過優(yōu)化降低節(jié)點構(gòu)件的加工、焊接、安裝難度。

2.2 桁架巨柱節(jié)點優(yōu)化

桁架巨柱節(jié)點是桁架與巨柱的傳力紐帶，也是整個結(jié)構(gòu)中最核心的受力部件。桁架巨柱節(jié)點由2塊100 mm厚縱向折彎板將巨柱貫穿，并在巨柱內(nèi)部對應(yīng)桁架弦桿上下翼緣位置設(shè)置2塊100 mm厚的橫向隔板，桁架巨柱主材由4塊60 mm厚鋼板組成。

2.2.1 桁架巨柱節(jié)點分段位置優(yōu)化

原設(shè)計桁架巨柱節(jié)點與腹桿對接位置，桁架巨柱節(jié)點牛腿翼緣板外伸尺寸較長(如圖6所示)，不利于現(xiàn)場安裝，且會增加材料損耗。經(jīng)與設(shè)計溝通將節(jié)點位置翼緣板減短，與其對接的腹桿加長(如圖7所示)。此節(jié)點優(yōu)化遵循《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》翼緣板拼接縫和腹板拼接縫錯開的間距不小于200 mm原則。

2.2.2 防止焊縫撕裂的節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化

原設(shè)計桁架巨柱節(jié)點主材板與縱向折彎板齊平(如圖8所示)，為了保證節(jié)點焊接質(zhì)量，降低巨柱節(jié)點因焊接產(chǎn)生層狀撕裂的風(fēng)險。經(jīng)與設(shè)計溝通，將貫穿巨柱的縱向折彎板及與其連接的橫向加勁板均加長100 mm(如圖9所示)。

3 桁架巨柱節(jié)點特點分析

桁架巨柱節(jié)點結(jié)構(gòu)形式如圖10所示。

根據(jù)桁架巨柱節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式對其特點進行詳細分析，并細化至具體加工工藝。

3.1 焊縫填充量巨大

桁架巨柱節(jié)點厚板用量占比較多，導(dǎo)致焊縫填充量巨大，焊縫質(zhì)量占比高達6.6%，而常規(guī)構(gòu)件焊縫質(zhì)量占比僅約為1.5%。桁架巨柱節(jié)點單件質(zhì)量約為35 t，經(jīng)計算焊縫質(zhì)量約為2.3 t，根據(jù)以往經(jīng)驗每個焊工每天可以焊接約25 kg焊絲，則單個桁架巨柱節(jié)點焊接工序理論需要92個人工。按照一般鋼結(jié)構(gòu)加工廠各工種人員配比根本無法滿足本項目的焊接需求，所以焊接量大是制約加工效率的重要因素。必須分析結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化焊接坡口形式，既有利于保證焊縫質(zhì)量，又可以減少焊縫填充量。

3.2 節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，施焊空間小，隱蔽焊縫多

桁架巨柱節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，很多焊縫施焊空間狹小，寬度僅有400 mm，而深度則有1 200 mm。桁架巨柱節(jié)點為箱形節(jié)點，3個方向均有牛腿，隱蔽焊縫較多。制定裝配工藝時必須考慮隱蔽焊縫施焊問題，盡量為焊接創(chuàng)造有利條件。桁架巨柱節(jié)點加工時需嚴格按照加工工藝步驟實施，實行多次循環(huán)裝焊、退裝退焊等工藝保證桁架巨柱節(jié)點加工質(zhì)量。

3.3 桁架巨柱節(jié)點焊縫探傷合格率的保證

桁架巨柱節(jié)點除了牛腿加勁板外其他焊縫均為全熔透一級焊縫，焊后100%UT探傷檢測。焊縫一旦返修其用時將成倍于正常焊接時間，整個項目進度也會因此受到較大影響。施焊前必須對焊工進行考核，并對典型焊縫節(jié)點做針對性焊接工藝評定，以保證焊縫合格率。

3.4 桁架巨柱節(jié)點外形尺寸保證

桁架巨柱節(jié)點鋼板材質(zhì)為Q420GJC，大部分零件板為厚板，其中100 mm厚零件板占比43%，厚板焊接熱輸入較大，容易產(chǎn)生焊接收縮變形，由于節(jié)點構(gòu)件形狀不規(guī)則，后續(xù)校正難度大，必須對裝配尺寸、裝配順序和焊接順序加以研究，從而保證桁架巨柱節(jié)點構(gòu)件的整體外形尺寸[3]。

4 桁架巨柱節(jié)點加工制作工藝

4.1 下料

原材料進場后需取樣進行復(fù)檢，復(fù)檢合格后方可進行排版下料。由于桁架巨柱節(jié)點鋼材材質(zhì)等級較高，為Q420GJC，為避免材料用錯，必須在每塊零件板上進行材質(zhì)等級標識，做到全過程可追溯。

桁架巨柱節(jié)點厚板零件較多，為保證切割質(zhì)量需選擇合適的切割工藝參數(shù)。經(jīng)試驗，當(dāng)零件板厚為100 mm時，采用5號割嘴，切割速度控制在220 mm/min～280 mm/min，切割氧氣壓力為0.7 MPa～0.8 MPa，乙炔壓力大于0.06 MPa時，零件切割面質(zhì)量較好。

4.2 桁架巨柱節(jié)點拼裝

桁架巨柱節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制定拼裝工藝時必須保證每條焊縫的可焊性[4]。具體拼裝步驟如下：

1)第一步。

先組裝與桁架下弦桿連接的折彎牛腿(見圖11)，牛腿上下翼緣板厚度為100 mm，腹板厚度為50 mm。

2)第二步。

將兩塊縱向折彎板(100 mm)與第一步組裝完成的牛腿連接，并將位于縱向折彎板之間的內(nèi)隔板組裝完成(見圖12，圖13)。

3)第三步。

分別將縱向折彎板兩側(cè)的橫向隔板、縱向隔板與巨柱主板組焊完成，然后將兩個整體組件與貫穿巨柱的縱向折彎板連接(見圖14，圖15)。

4)第四步。

組裝巨柱主板及箱體內(nèi)部剩余零件板(見圖16，圖17)。

5)第五步。

組裝與桁架下弦連接的直牛腿，并將折彎牛腿側(cè)與腹桿連接的牛腿腹板進行組裝(見圖18，圖19)。

6)第六步。

組裝與桁架腹桿連接的牛腿翼板，并組裝折彎牛腿側(cè)橫向、縱向兩塊隔板(見圖20，圖21)。

7)第七步。

組裝與樓面梁、水平支撐連接的牛腿，并組裝與桁架連接的直牛腿側(cè)牛腿腹板(見圖22，圖23)。

8)第八步。

組裝直牛腿側(cè)橫向、縱向兩塊隔板，并組裝兼做吊耳板的定位連接板(見圖24，圖25)。

上述組拼步驟，每個組拼步驟安裝完成后，均需對該步驟焊縫進行焊接并進行UT及外形尺寸檢測，檢測合格后方可進行下一步組拼步驟。

5 桁架巨柱節(jié)點焊接

桁架巨柱節(jié)點焊縫數(shù)量多，焊縫填充量大，隱蔽焊縫數(shù)量多，部分焊縫焊接空間狹小，焊縫質(zhì)量要求高，焊接難度大。桁架節(jié)點整體焊接順序隨組裝順序，單個組裝步驟內(nèi)焊接順序遵循先焊接收縮大的焊縫后焊接收縮小的焊縫，焊縫盡量對稱焊接，焊縫長度較長時需分段焊接，所有厚板焊縫均需多層多道焊接。

5.1 坡口開設(shè)

桁架巨柱節(jié)點涉及3種接頭形式，分別為角接接頭、T形接頭和十字接頭，根據(jù)焊縫所在位置情況選取4種坡口形式，分別為K形坡口[5]、單邊V形坡口、V形坡口和防層狀撕裂坡口。

坡口總體開設(shè)原則：

1)針對十字接頭和T形接頭，當(dāng)板厚t>40 mm時采用K形坡口，板厚t≤40 mm時采用單邊V形坡口。

2)針對角接接頭，當(dāng)板厚t>40 mm采用V形坡口，板厚t≤40 mm時采用單邊V形坡口。

3)橫向隔板與貫穿巨柱的縱向折彎板位置雙側(cè)均有焊縫，極易誘發(fā)層狀撕裂，需開設(shè)防層狀撕裂坡口。

由于桁架巨柱節(jié)點較為復(fù)雜，如完全按照上述原則開設(shè)，則會導(dǎo)致部分焊縫無法焊接，節(jié)點實際主要焊縫所采用焊縫坡口形式如圖26所示。

5.2 焊接工藝

5.2.1 焊接方法

巨柱桁架節(jié)點均采用藥芯焊絲氣體保護焊接，工廠焊縫基本以平焊及橫焊為主，50 mm以上厚板橫焊焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)表

5.2.2 焊前預(yù)熱及層間溫度控制

焊前預(yù)熱可以有效控制焊縫金屬的冷卻速度，降低脆硬組織的脆化，提高鋼材的抗撕裂能力。預(yù)熱區(qū)域為焊道兩側(cè)，測溫位置為距離焊道50 mm位置，具體預(yù)熱溫度如表2所示。

表2 預(yù)熱溫度要求表 ℃

5.2.3 防止層狀撕裂措施

巨柱桁架節(jié)點縱向折彎板兩側(cè)均有100 mm厚的橫向隔板，兩側(cè)焊縫拉應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致中間縱向折彎板厚度方向力學(xué)性能下降出現(xiàn)層狀撕裂。為解決此問題除了采用防層狀撕裂坡口外，還需采用有效的防層狀撕裂焊接方法。首先需采用隔離焊打底技術(shù)，在受拉板厚度方向進行一道打底，利用打底焊縫優(yōu)越的延性，與拉板共同承受厚度方向的拉應(yīng)力，從而提高接頭位置的抗層狀撕裂性能。焊接填充層及蓋面層時采用多層多道錯位焊接方法，此方法可以降低焊接拘束度，使內(nèi)應(yīng)力得到均勻分布。

5.2.4 焊縫檢測

桁架巨柱節(jié)點全熔透焊縫占比極大，受操作空間制約，每個組裝步驟焊縫焊接完成后均需經(jīng)過UT檢測合格后才能進行下一組裝步驟。其中容易產(chǎn)生層狀撕裂位置還需增加MT檢測，為避免出現(xiàn)延遲裂紋，在節(jié)點打砂后涂裝前再進行一次MT檢測。

6 結(jié)語

南寧東盟塔為超高層巨柱結(jié)構(gòu)體系[6]，塔樓共設(shè)有3道環(huán)帶桁架，用于增加結(jié)構(gòu)剛度。巨柱與環(huán)帶桁架連接節(jié)點受力大，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，加工難度極大。通過分析節(jié)點構(gòu)造，在深化階段優(yōu)化節(jié)點的分段位置，坡口的開設(shè)形式及坡口角度，有效保證了焊縫質(zhì)量，降低了焊材使用量，節(jié)約了加工成本。加工前通過 細化組裝工藝及焊接順序，使節(jié)點加工精度和節(jié)點焊接質(zhì)量得到保證。本文的研究對類似復(fù)雜巨柱節(jié)點的加工提供借鑒。