索塔钢结构制作工艺

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  摘要:新建中的南宁大桥位于南宁市美丽青秀山脚下,主结构为单跨箱形钢梁,大桥设计雄伟新颖,宛如一道彩虹横跨邕江两岸。“组合式索塔钢结构”作为该桥梁施工的主要吊装工具,共设两座,分别安装于青山岸和蟠龙新城侧。我单位负责本索塔肢腿(即管结构)部份的制作。索塔钢结构件之间现场全部采取螺栓连接,对制作精度控制严格,为此专门制定本制作工艺,以确保索塔钢结构制造质量,满足现场安装和安全使用要求。
  关键词:索塔钢结构;加工靠模;组装平台;活动胎具;预组装
  中图分类号:TU96+2文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
  
  1.概況
  1.1结构特点
  1.1.1本索塔为门型钢结构,其中肢腿部份为梯形体管结构,每岸各两肢;各肢由9个自然段组成,最大段长为12 m,总高度为106m;每肢由六根主管和垂直支撑件、水平支撑件通过螺栓连接而形成,断面最大尺寸为19824.2mm×15780mm,最小尺寸为6058.6mm×15780mm。
  1.1.2主管材料为Q235A螺旋焊管,规格为¢813×14(16),支撑件为槽钢[16a、[20a,连接板为10mm~24mm厚的钢板,总用钢量1300t。
  2.制作工艺流程
  本索塔钢结构制作主要工序下料、钻孔加工、组装和焊接,各零件、部件、构件及预组装工艺过程如下:
  2.1钢管准备
  管材矫正→放样下料、编号→坡口加工→抛丸除锈→涂底漆→待组装。
  2.2节点板加工
  放样→制作样板→号料编号、下料→钻孔加工→抛丸除锈→涂底漆→待组装。
  2.3型钢加工
  型材矫正→组对接长→坡口加工→焊接→下料、编号→钻孔加工→抛丸除锈→涂底漆→待组装。
  2.4主管组装
  主管就位→节点板、加强筋与主管装配→焊接→构件矫正→检验。
  2.5预组装
  分段分面预组装→检验→油漆涂装→最终检验→标识编号→待运。
  3.制作工艺措施
  本工程主要工艺措施,包括制备节点板螺栓孔加工靠模、主管组装平台、节点板组装活动胎具、分面预组装平台,具体要求如下:
  3.1螺栓孔加工措施
  本工程需钻孔加工件共2.5万件,螺栓孔数量达22.7万个,为确保加工精度和相同件的互换性。节点板、杆件、法兰盘、底座板等螺栓孔的加工采用靠模工艺进行。
  3.1.1制备钻模数量:节点板、连接板、法兰盘等共62套,水平杆件20套,斜杆件16套;每个模具确定一面为定位基准,并设置限位板。
  3.1.2钻模基本要求
  1)每种钻孔工件各制备一件标准模块(板、条),其中杆件的模块设计应轻便、支撑牢固、尺寸稳定;模块划线后必须通过施工员、质检员复检,确认无误后方能进入加工。
  2)模块制孔精度要求:节点板螺栓孔径允许偏差(0~+0.1㎜),法兰盘螺栓孔径允许偏差(0~+0.5㎜);同组孔中心距允许偏差0.3㎜。
  3.2主管组装工艺平台
  3.2.1本工程主管共216件,根据其上空间节点多、布置有规律和安装形位尺寸要求精确等特点,主管组装过程选择在专用平台上进行,即两端法兰、中部节点板、加强板等与主管的组装在平台上结合使用活动胎具一次完成(除个别加强板因空间限制需下模后方能组装外)。
  3.2.2主管组装平台共制作两套,其中一套用于有垂直法兰管段(中部2~3层)的组装;一套用于有斜法兰管段(1层和9层)的组装(后期改为垂直法兰管段组装)。
  3.2.3平台制作技术要求
  1)平台由底板、横梁、法兰固定模板、活动胎具平台、限位装置、调整垫块等组成;为了主管进模出模方便,平台一端预留30 mm的组装间隙;平台上按组装工艺要求划出纵、横向和垂直方向的基准线。
  2)主管组装以管的理论轴线为基准(由两端侧面限位板和底部垫板限制),如主管材料实际轴线与理论轴线不一致,通过节点板调整(加长或缩短)以保证设计装配尺寸。
  3) 法兰固定模与法兰盘采用相同模具钻孔;固定模安装须与平台轴线(主管理论轴线投影)垂直,纵、横向垂直度允差小于等于0.5mm/m;两固定模板之间距离允差1mm;对角线允差1.5mm。
  4)平台要求有足够的强度和刚度,焊接牢固可靠,确保主管组装过程不发生移动和变形。
  3.3节点板组装活动胎具
  3.3.1活动胎具是专门用来装配主管上的节点板的;本工程需要制作四套。
  3.3.2活动胎具制作技术要求
  1)活动胎具由基本框架、活动模板、定位销等组成,要求既可整体移动也可单独更换活动模板;活动模板的种类与节点板相同,制作数量根据施工进度要求确定。
  2)活动模板上的定位孔与节点板采用相同的钻模加工,其孔径和位置精度高于对应的节点板,即孔径为螺栓公称直径,允差(+0.2~+0.3㎜),任意两孔之间距离允差0.5㎜。
  3)定位销要求机加工,直径允差(0~+0.2㎜)。
  4)活动胎具上的水平托块要求与底面平齐,平行度不得大于0.5㎜,竖向托块要求与底面垂直,垂直度不得大于0.5㎜。
  4.主要工序工艺要求
  4.1号料、切割
   放样、号料测量用的钢卷尺、钢直尺、角尺、角度量规等测量工具必须校验合格或用标准母尺检定合格方能使用。各种材料或零部件下料方法和要求规定如下:
  4.1.1钢管
  1)说明:本工程提供的主管(螺旋焊管)材料为定尺、且管两端坡口已加工好,除底段和顶段需要切割斜口外,其余主管经核验合格后直接使用。
  2)切割:底段和顶段切割斜口或其它个别主管需要切割修整时必须开样板、划线、打样冲,手工切割时留线,再打磨平线,保证结合面平齐。
  4.1.2法兰:主管连接的圆法兰、底板,考虑平整度要求较高和保障工期需要,采取整体下料,半自动气割;个别需要拼板的必须开坡口、全熔透焊,焊后磨平焊缝、调平。
  4.1.3节点板
  1)放样:各种节点板、加强板下料前,要求在钢平台上按1∶1比例画出节点的大样,并依照制出号料样板,用样板尺(标准尺)划线,打样冲和标识;下料后需要进行二次加工的,制样板时须留出加工余量(3~5mm);
  2)切割方法:带有曲面的节点板、加强板采用数控或仿形气割;其它直边的连接板采用半自动气割,板厚度不超过12mm的可采用剪床下料。
  4.1.4型钢
  型钢(槽钢、角钢):采用角规划线,手工气割。需要拼焊接长的须开坡口全熔透焊,拼接度不小于500mm,且应避开节点位置。
  4.1.5工件切割后应清渣、去毛刺,表面平整,偏差和缺陷控制在允许范围内;如出现超差应予矫正或修补。
  4.2螺栓孔加工
  4.2.1工件钻孔精度要求:螺栓孔径允许偏差(0~+0.3㎜),法兰盘、底座板孔位加工精度为(0~+0.5㎜),同组眼孔中心间距允许偏差0.5㎜。
  4.2.2首(件)批加工完成后须经施工员、质检员复检,确认合格方能批量加工;板件应引出中心线或基准线,以便组装。
  4.2.3板件搭钻厚度应不超过80mm,以保证明钻孔精度。并且在钻孔时要经常换模,以防旧模由于使用频率过高后引起孔径偏差.
  4.2.4所有工件钻完孔后,必须清除毛边,检验合格后才能进行下一道工序。
  4.3主管组装工艺
  4.3.1组装时,两端法兰先各通过四个对称定位销定位,再均布八个螺栓与模板固定;平台上完成主管法兰、全部节点板和部分加强板的组装。
  4.3.2将经过验收合格的钢管吊到平台上,其中有一端靠在法兰模具上,调好焊接间隙(2~3㎜),另一端则用制作好等厚度嵌块进行定位;随后按主管的坐标轴位置进行编号。
  值得注意的是,为了保证管件的设计长度,如果发现少量钢管长度尺寸偏短而又无法更换时,应作好记录并通过加钢法兰垫方法来解决。
  4.3.3对好中心轴线和定位标记,并复核尺寸;然后把活动胎具吊至指定位置,装上模板对好位置,并用销钉把下节点板和模板固定在一起,随后复核尺寸,确认无误后点焊节点板,采用相同方法并增加定距套管装配上节点板。节点板组装过程可能会出现下面情况:
  1)由于主管材料可能存在允许的弯曲度(0.1%)或椭圆,如出现这样情况时,节点板尺寸须作相应调整,即如遇到凸面的管体,则通过裁短节点板解决;如遇到凹面的管体,节点板不够长,为确保空间装配尺寸不变,此时节点必须更换。
  2)为防止节点板组装点焊和后续焊接产生变形,要求节点板之间用加强筋临时点焊固定。
  4.3.4每根主管组装完成后,复核各个尺寸,核对编号并在法兰底面和管壁上做好标记,然后吊离组装平台转入焊接工序。
  4.3.5管件制作质量要求和允差范围。
  5.焊接要求
  5.1本工程所有的焊缝都要求连续焊,焊缝质量必须满足《钢结构工程施工及验收规范》的规定,其中法兰盘与管间的环焊缝要求全熔透双面焊,并进行100%的超声波探伤,焊缝质量等级为二级;所有节点板和加强筋采取双面角焊,焊脚尺寸正偏差≤2.0㎜。
  5.2从事本索塔钢结构焊接的焊工必须持证上岗,并进行技术交底和针对性的操作培训。施焊过程严格按“焊接工艺”(另制定)要求进行。
  5.3焊接采用焊条电弧焊,所使用的焊必须有合格证、材质证明书,并在有效期内。
  5.4焊接前应做好如下工作准备。
  5.4.1检查所有的点焊,发现有点焊崩裂的、掉焊的、焊点太小的,都必须重新加固,特别是间隙过大的焊缝,由于焊接时极易产生变形,所以要特别注意点焊的要求,如采取增加焊点,加大熔深度以及增加焊点长度等方法。
  5.4.2做好预防变形措施
  节点板:焊前两节点板之间临时点焊支撑件固定。
  底板、法兰:焊接前装上防变形板,并上满、拧紧全部螺栓;防变形板用30㎜厚以上的钢板做成;焊后如出现变形时应予校正;法兰加强板在主焊缝检验合格后组装、焊接,并二次检查、校正平面度。
  5.4.3底板、法兰施焊时按先焊管内后焊管外顺序进行。
  5.4.4当焊完环焊缝后,不应马上拆掉防变形板,要等到冷却到常温后(一般4个小时)才能把压板卸掉,以减少焊件的残余变形。
  5.4.4焊缝外观质量要求和允差。
  6.预 拼 装
  6.1预组装目的
  构件的预拼装是检验构件制作质量和保证现场安装顺利实施的重要环节;通过预组装检验构件制作完成后的外观尺寸、加工精度、各杆件与节点板的连接配合等,并发现构件制作中存在的各种问题,并加以改进,促进构件制作工艺的完善;因此,构件的预拼装工作显得尤为重要。
  6.2预组装要求
  6.2.1首批主管完成节点板的焊接、校正后,分段分面进行预组装,要求各连接杆件能自由装配;如发现问题,及时分析原因做出整改;之后随机抽样进行二至三段预组装。
  6.2.2由于塔体截面尺寸大,工厂内无法整体或分段进行立体预拼装;经与设计单位、甲方、监理代表论证,确定采用分段分面的预拼装方法,即每分成七个面。
  6.3预拼装方法
  在预拼装过程中,连接系杆如何与主管配合连接、索塔结构中面与面之间的连接,是工序的难点,必须采取针对性的措施,才能做好预拼装工作。具体要求如下:
  6.3.1用工字钢制作一个预拼装平台,平台离地面高度与能自由转动管件为准,而宽度应与主管的长度相适应。
  6.3.2由于蟠龙和青山侧的第一、第二段主管构件制作尺寸不一样,所以这些段要求全部进行多面预拼装;根据前期预拼装效果和制作过程质量稳定情况,第三段至第九段采取随机抽查。
  6.3.3预拼装时,把管构件吊到平台上放好后,调准好方向,使它们对准原先画定的中心位置,用垫块塞稳,防止管体随意滚动。
  6.3.4把拼好的连接杆件吊到主管间的节点板连接位置,然后用冲钉定好螺孔位置,从一侧开始逐个把螺栓都穿入螺孔中,套上螺帽,但先不要拧紧。
  6.3.5仔细检查螺栓孔位置的偏差,通过微调,使所有的螺栓都自如穿入孔内,并达到最佳状态。
  6.3.6如发现有个别的节点板与连接杆的螺栓孔尺寸偏差较大时,不能随意用气割来扩孔,应通过填焊把节点板(或连接杆)上的螺栓孔填满,然后打磨,并确定探伤检测合格后,重新定位开孔。
  6.3.7拼裝完一面,经检查合格后,再按顺序拼装另一面。
  6.3.8因本钢结构制作主要以模具为主,因此,技术人员、检验员须及时对第一段各面的预拼装结果综合分析,如发现尺寸超差或其他质量问题等须及时找出原因并实施改进,避免问题带入批量生产。
  附:后记
  从制作过程的各项检验数据、预拼装效果和现场实际安装反馈的信息来看,采取此工艺进行索塔钢结构加工制作完全达到设计要求,质量稳定、易控制、工效高。适应多层、空间结构复杂钢结构工程选用或参考。
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