十字柱及匚形柱制作变形控制

田雨华方晓明周琪赵荣

（中国十五冶金建设有限公司金属结构厂，湖北黄石４３５００４）

摘要：以赞比亚谦比希粗铜冶炼厂熔炼厂房——艾萨炉及贫化电炉主厂房、转炉主厂房钢结构制作为例，针对十

字柱及亡形柱的制作过程中出现的易变形情况，进行分析研究，对其制作工艺、焊接方法、校正方式等方面进行摸

索和探讨，总结出制作此类结构的制作工艺、焊接变形控制等成功经验。

关键词：十字柱；［形柱Ｉ制作工艺，反变形控制

ＴＨＥＤＥＦＯＲＭＡＴＩｏＮＣＯＮＴＲｏＬＤＵＲＩＮＧＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮｏＦ

ＣＲｏＳＳＡＮＤＲＥＣＥＰＴＡＣＬＥＣｏＬＵＭＮＳ

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（ＭｅｔａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＰｌａｎｔ，ＣｈｉｎａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．Ｌ＊ｄ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ４３５００４，Ｃｈｉｎａ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＴａｋｉｎｇａｂｌｉｓｔｅｒｃｏｐｐｅｒｓｍｅｌｔｅｒｉｎＺａｍｂｉａｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ。Ｉｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇ

ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｓｓａｎｄｒｅｃｅｐｔａｃｌｅｃｏｌｕｍｎｓｆｏｒｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｓｈｏｐｓｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，Ｉｓａｆｕｒｎａｃｅｓａｎｄｄｅｐｌｅｔｅｄ

ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｕｒｎａｃｅｓ，Ｉｔｗａｓａｌｓｏｅｘｐｌｏｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｗａｙｓｏｆｔｈｅ

ｃｏｌｕｍｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙｉｔｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｉｎｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗｅｌｄｉｎｇ

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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｃｒｏｓｓ—ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎ；ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅｓｈａｐｅｃｏｌｕｍｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｅｖｅｒｓｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｌ工程概况

赞比亚谦比希粗铜冶炼厂主厂房钢结构及非标设备制作项目，由中国恩菲工程公司设计。其中熔炼主厂房有大量十字钢柱和［形钢柱，其结构特殊，整体刚性大，对几何尺寸要求严格。如产生变形校正起来极其困难，因此，在制作过程中控制变形的产生最为关键。

ＧＢ５０２０５－－２００１（（钢结构工程施工质量验收规范》规定［１］：十字柱与亡形柱制作允许偏差，柱身板垂直度不应大于５，０ｍｍ，截面连接处对角线偏差为３．０ｍｍ，柱身弯曲矢高不大于１２ｍｍ，柱身扭曲不应大于８Ｔｒｉｍ。根据设计说明，柱上下翼缘板，腹板的拼接焊缝，采用坡口全熔透焊。焊缝等级为二级；上、下翼缘板与腹板的Ｔ形焊缝，腹板先开坡口，预留间隙，按熔透等强工艺施焊，焊缝等级为二级。

由于是第一次制作这两种类型的钢柱，尚无成熟经验，经过摸索，最终总结出合理的制作变形控制工艺。

２十字形和亡形钢柱的结构

赞比亚谦比希粗铜冶炼厂主厂房有十字柱２６根，亡形柱４３根，材质为Ｑ２３５一Ｂ。十字柱规格有双Ｈ１０００×６００×２２×３６，共８件；双Ｈ１０００×６００Ｘ２２×３０，共１件；双Ｈ８００Ｘ４００×２０Ｘ３０，共９件；双Ｈ６００×４００Ｘ２０×３０，共８件；长度在８５６０～１７６４５ＩＴｌｍ之间，如图１所示。４３根［形柱规格均为Ｃ６００×４００×３０Ｘ３０，长度为１７６４５ｍｍ，如图２所示。

十字柱的构成可分为主、副两部分（以下所述十字柱均以双Ｈ１０００×６００×２２×３６为例），由１根主焊接Ｈ型钢Ｈ１０００×６００×２２×３６和２根副焊接Ｔ形钢Ｔ４８９×６００Ｘ２２Ｘ３６组成。亡形柱由２片３０ｍｒｎ×４００ｍｍ的钢板和１片３０ｍｍＸ５４０ｍｍ的钢板组成。．

图１十字柱结｝每泰意

第一作者：田雨华，男，１９６６年３月出生，高级工程师。

Ｅｍａｉｌ：３９ｓｊｊ＠１６３．Ｃ０１

收稿日期：２００９—０５—２６

ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１０（Ｉ），Ｖ０１．２５．Ｎｏ．１２９４９加工制作

注：［６００Ｘ４００Ｘ３０Ｘ３０。

图２亡形柱结构示意

３十字柱和［形柱的制作工艺流程工艺流程图见图３和图４。

图３十字柱工艺流程示意

４制作工艺

４．１下料时进行变形预控

４．１．１十字柱下料

１）十字柱由１根Ｈ１０００Ｘ６００Ｘ２２×３６和２根Ｔ４８９×６００×２２×３６焊接组成。考虑到Ｔ形钢焊接后翼缘板和腹板垂直度出现偏差时很难校正，故将２根Ｔ形钢先做成ｌ根Ｈ型钢，焊接校正后再剖成２根Ｔ形钢。

２）预留焊接收缩量［２］。十字柱下料时腹板开

图４亡形柱工艺流程示意

双边坡口，宽度方向留４ｍｍ收缩余量，长度方向留３０～５０ｍｍ切割余量。即主部分Ｈ１０００×６００×２２×３６腹板下料尺寸为２２ｍｍ×９３２ｒａｍ；副部分因要剖成２根Ｔ形钢，要加切割量；故Ｈ９７８×６００Ｘ２２×３６腹板下料尺寸为２２ｍｉｌｌ×９１２ｍｍ。腹板坡口形式见图５。

图５下料腹板坡口形式示意

４．１。２亡形柱下料

１）［形柱由３片钢板组成，即６００ｍｍ×４００ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍ，如果下料时直接下成３片钢板焊接，则变形量较大。为控制变形，下料时，将２根［形柱下成ｌ根箱形柱，焊完后再从中间剖开。

２）预留焊接收缩量。［形柱下料时腹板开双边坡口，腹板下料尺寸为３０ｍｍ×５４６ｍｍ，翼板下料尺寸为３０ｍｍ×８０３ｍｍ。

４．１．３下料工艺要求

１）下料前对钢材进行几何尺寸、表面质量等方面的检查。钢材端边或断口处不得有分层、夹渣等缺陷。钢材表面损伤、锈蚀，经打磨修整后，其厚度

５０钢结构２０１０年第１期第２５卷总第１２９期

田雨华，等：十字往及亡形柱制作变形控稍

削减量不应大于该钢材厚度负偏差值的１／２。

２）由于钢板规格的，排版应考虑对钢柱的翼板和腹板进行拼接。柱翼板和腹板只允许长度方向拼接［２］，拼接长度不小于１０００ｔｒｉｍ；翼板拼接和腹板拼接缝与内部加劲板的角焊缝间距应大于２００ｍｍ。板料对接对，坡口为Ｘ形坡日，在焊缝两头各加一块引弧板，焊后气割去除，并将焊道边缘修磨平整。对接处焊后要求探伤，焊接接口处一般会出现局部不平度，合格后要对接口处进行词平，采用火焰加热焊道，加热温度不超过９００℃，待板料自然冷却即可。

３）所有翼板均在多头直条切割机上进行下料，板料的原边均不保留，以保证板料两侧受热均匀，不产生侧弯。腹板则用半自动切割机下料，切割完后直接打坡口。板料下完待完全冷却后方能移动。下好的板料堆放要垫平，码放层数不应多于５层。４．２组立、焊接、矫正

组立前对所有板料进行检查，总长度侧弯小于等于２ｍｍ，宽度误差±１－５ｍｍ。对所有影响板料组立的缺陷，如毛刺、铁锈、污垢等等清除干净。对板料进行平整处理，以保证组立精度。

４．２．１十字柱组立、焊接、矫正

１）组立两根Ｈ型钢。

ａ．Ｈ型钢的组立。先按翼板宽度找出板料中心线，再按此中心线返出腹板边缘线，按此线进行组立。组立完成后，在Ｈ型钢内加临时固定板，以控制腹板和翼板的相对位置及垂直度，并起到一定的防变形作用。

ｂ．在Ｈ型钢组立线上组立完成后，用Ｃ０。气保焊进行打底，两边同时进行；然后在Ｈ型钢悬臂式焊机上进行埋弧自动焊接，用碳弧刨清根，焊接顺序如图６所示，柱两头要加引弧板。

ａｂ

ａ—ｃｏ±打底：ｂ．焊接冁序

注；ｌ一４为焊接先后顺序。

图６Ｈ型钢焊接顺序示意

焊接顺序：先用Ｃ０：气保焊对图６中位置第１、第３处同时打底，翻边再对位置第２、第４边同时打底；再焊接第ｌ、第２位置处第１道焊缝，然后在第３、第４焊缝处先清根，再焊１道；最后返回第１处焊缝盖面，按第２、第３、第４顺序盖面。

ｃ．按上述顺序焊接完成后，Ｈ９７８×６００ｘ２２ｘ３６的Ｈ型钢要剖开。切割时，在中间和两端各预留５０ｍｍ不割断，待部件冷却后再切割，在剖开的同时对剖开边开双边坡口。

ｄ．Ｈ型钢焊接完毕后，采用翼缘矫正机对Ｈ型钢进行矫正及翼缘矫平，保证翼缘和腹板的垂直度。对于扭曲变形，则采用火焰加热和机械加压同时进行矫正；火焰矫正时，其温度不得超过６５０℃。

２）组立十字柱。

ａ．工艺隔板制作。在十字柱组装前，要先制作好工艺隔板，以方便十字柱的装配和定位。工艺隔板与构件的接触面要求打坡口，边与边之间必须成９０。直角，以保证十字柱截面的垂直度。

ｂ．检查装配用的Ｈ型钢和Ｔ形钢是否矫正合格，其外形尺寸是否达到要求。经检查合格，并将焊接区域内的所有铁锈、氧化皮、飞溅、毛边等杂物清除干净后，方可开始组装十字柱。

ｃ．将Ｈ型钢放在装配平台上，把工艺隔板装配到相应位置，将Ｔ形钢放到Ｈ型钢上，利用工艺隔板进行初步定位。

ｄ．利用直角尺和卷尺检查十字柱端面的对角线尺寸和垂直度以及端面的平整度。对不满足要求的进行调直。

ｅ．经检查合格后，点焊固定。焊接前尽量将十字柱底面垫平，从中间向两边双面对称同时施焊，以避免因焊接造成弯曲或扭曲变形。焊接顺序如图７所示。

０７＼

Ｌ一Ｌ２一

’０

厂４

１＇

×一．。／

工艺隔板

注ｔ１～４为焊接先后顺序。

图７十字柱焊接顺序示意

焊接顺序：第１、第２道焊缝同时用ＣＯ。气保焊打底；第３、第４处焊缝均加衬板，再将十字柱翻边；对第３、第４道焊缝打底，焊前要打掉衬板。然后焊第１、第２道焊缝，再翻边，焊第３、第４道焊缝。

ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１０（１），Ｖ０１．２５，Ｎｏ．１２９５１施工技术

３）十字柱矫正。

ａ．焊接完成后。检查十字柱是否产生变形，如发生变形，则用火焰矫正。扭曲变形矫正时，一端固定，另一端采用千斤顶进行矫正，如图８所示。

图８十罕柱矫正不意

ｂ．矫正完成后，对十字柱的上端进行切割，以控制柱身长度。

４．２．２［形柱组立、焊接、矫正

１）［形柱的组立和焊接。先将两根［形柱组立成箱形柱，焊完外边４条主焊缝后，将其剖成２根［形柱。

ａ．箱形柱组立。先将一块底板放在平地上，再将两块腹板吊至底板处点焊，在内侧加衬板固定，然后再点焊盖板；组立时要不断用角尺调平四块钢板。

ｂ．检查箱形柱。点焊完成后，检查箱形柱外形尺寸和对角线尺寸，保证箱形柱的垂直度。检查合格后，开始焊接。焊接顺序如图９所示。

注：１～４为焊接先后顺序

图９箱形柱焊接顺序示意

焊接顺序：用ＣＯ。气体保护焊将第１、第２处焊缝打底后，焊第１遍；然后将箱形柱翻边，对第３、第４焊缝打底，再焊１遍；焊完后沿８００ｍｍ方向将箱型柱剖开。

Ｃ．焊完４条焊缝后，检查和校正箱形柱尺寸，如有柱身扭曲变形，利用机械加压法校正。

ｄ．校正完后的箱形柱剖开时，在两个底面的中间和两端各预留５０ｍｍ不割断，待部件冷却后用半自动切割机进行切割。剖开后的［形柱打掉内部衬板，对内部和外部４条缝进行焊接，焊接顺序如图１０所示。

注：１～４为焊接先后顺序

图ｌｏ［形柱焊接顺序示意

焊接顺序：先将第１、第２处焊缝用碳弧刨进行清根，然后用Ｃ０：气保焊打底，再用埋弧自动焊焊１遍，再对第３、第４处焊缝盖面，最后返回第１、第２焊缝处盖面。

２）［形柱的矫正。亡形柱焊接完毕后，柱身一般会有扭曲或变形，所以均需进行火焰矫正和机械矫正。矫正时，用千斤顶将柱子上、下两块翼板顶住，再用火焰加热根部，加热温度不超过６５０℃，加热后，让其自然冷却，如图１１所示。

图１１亡形柱矫正示意

４．３焊接变形控制要求［２］

１）采用船位焊。以较好地保证焊缝熔深、焊脚尺寸及外观质量。

２）双层焊道同时焊接以减少变形。

３）焊接时不用任何卡具，让工件始终处于自由状态。

４）Ｈ型钢焊接时，中途不得停焊，以免受热不均，产生较大的热应力发生变形。

５）焊缝焊完后，要等工件彻底冷却后方可吊运，避免产生变形。

６）每一焊道焊接完成后及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质量的缺陷时，清除后方可再焊。

７）在连续施焊过程中应控制焊接区母材温度，使层间温度的上：下限符合工艺文件要求。

（下转第３０页）

５２钢结构２０１０年第１期第２５卷总第１２９期工程设计

方向锚筋最大拉力为：Ｆ。嘶，＝鸩ｚ妇。／∑ｚ；；计算后锚筋最大拉力Ｆ。，：等：丝＋罢盈一ｉＮ＝

∑ｙ；∑ｚ；“

１８８ｋＮ（锚筋计算见表２、表３）。锚筋最大抗力参考ＧＢ５００１０—２００２第１０．９条，不考虑锚筋抗剪：０．８ａｂ．厂４。≥Ｆ～（Ｎ）。

注：括号内为对应锚筋强度．Ｎｊ＝Ｍｘｙ』／∑辨。

』＿１

考虑易于施工锚筋的规格不宜太多的原则，锚筋选用同种规格选配７２韭３２的三级钢筋。

３一些思考

１）外露式柱脚因其刚性难以保证，在结构设计中多用于铰接节点，不宜用作刚接柱脚，尤其是在罕遇地震作用下的刚接性能还有待于验证。所以从结构安全的角度讲，最好采用埋入式柱脚。．

２）由于柱脚刚度不宜保证，若在计算中视为刚接柱脚时，应充分考虑框架柱反弯点下移引起的柱顶弯矩的增大。由于柱脚的不完全刚接，使底层柱的底端有一定的转角，使得底层柱的反弯点下移，相当于弯矩释放，这些变化均应引起重视。在设计实践中底层柱反弯点下移多少不大好把握，常采取一些措施尽量增大柱脚刚度，如在柱脚加焊贴板；底层柱底截面考虑地震作用组合的弯矩值乘以增大系数，对于角柱还应在前面放大的基础上再行调整弯矩、剪力设计值（ＪＧＪ９９—９８《高层建筑混凝土结构技术规程》第６．２．２，６．２．４条）；柱底板锚筋计算时，不考虑钢筋的列和行数的影响，不考虑钢筋受压的有利影响，同时将柱的轴向力折减５０％等。有些工程师在计算Ｆ一时考虑在罕遇地震作用下锚筋有被拔出的可能，而提出了更为苛刻的折减（Ｆ一＝—毕＋—单一０．５丛），其结果提高了锚筋０．５＞：ｖ；０．５＞：ｚ；

筹。篇

的数量，却给施工带来极大的不便。

参考文献

［１］ＧＢ５００１０－－２００２混凝土结构设计规范［ｓ］．

［ｚ］ＪＧＪ９９—９８高层建筑混凝土结构技术规程Ｉｓ］．

［３］李星荣．铜结构连接节点设计手册［Ｍ］．２版．北京；中国建筑工业出版社，２００５．

［４］汪一骏，沈祖炎．钢结构设计手册［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出版社，２００４．

３０钢结构２０１０年第ｌ期第２５卷总第１２９期