高层钢结构巨型柱的加工技术

在中国城市经济发展的推动下，各大城市正在建设更多的高层建筑，这些建筑基本都选择了钢结构体系，高层建筑结构，一般采用框架-核心筒-伸臂桁架结构体系，其中框架一般由巨型柱和环带桁架组成，部分项目设置有巨型支撑。

上海中欣大厦(图1)采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系，在8个机电层区布置6道两层高的外伸臂桁架和8道箱形空间环形桁架，由箱形空间环形桁架和巨型柱形成外围巨型框架。巨型柱、角柱间的环带桁架是一整体结构，径向桁架、楼面梁上的受力传递其上，再由其传递至巨型柱。

深圳平安中欣大厦(图2)，采用巨型斜撑框架-核心筒-外伸臂结构体系。结构设置了4道外伸臂桁架，将核心筒与巨型柱有效地连接在一起。7道空间双桁架均匀布置于每个避难/机电层，用于连接巨型柱，使结构的外围形成巨型框架。

北京中国尊大厦(图3)采用巨型框架+混凝土核心筒(型钢柱+钢板剪力墙)结构体系，4根世界大的多腔体巨型钢柱与翼墙、核心筒钢板墙等1.3万t钢构件一起，共同托起528 m的中国尊大厦。

2 巨型柱的结构形式及加工难点

高层建筑钢结构的钢柱一般设计为整体式巨型柱(如上海中欣大厦、深圳平安金融中欣，图4)和多腔型巨型柱(如天津高银117大厦、北京中国尊，图5)。

高层建筑钢柱的截面根据受力要求，可设计为H型、箱型、日字型、田字型、王字型以及异形(巨型)柱。这部分钢柱一般要求在工厂加工成整体出厂，其中巨型柱的装配、焊接及尺寸控制难度较大[3]。

整体式巨型柱的加工难点：1)巨型柱外形尺寸大、重量重，整体结构形式复杂，拼装顺序要求高；2)钢板强度高、厚度大，焊接质量和焊接变形控制难度大；3)上、下节柱间拼接接口多，钢板对口错边和端口垂直度要求高。

多腔体超厚板组合型巨型柱是在普通箱型-混凝土柱基础上发展起来的一种新型构件，目前已成功运用于天津高银117大厦和北京中国尊等项目。多腔型巨型柱一般位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，其截面按照结构构造要求设计为多腔体形式。

多腔型巨型柱的加工难点：1)多腔柱截面尺寸大、无法整体制作出厂，须分段、分块加工；2)钢板壁厚厚、构造复杂，装配精度要求高；3)焊缝数量多，且多为全熔透焊缝，不仅焊缝截面大，且焊缝交汇多，容易形成较大的焊接应力和焊接变形[1]；4)现场施工的横向和纵向拼接焊缝多，出厂定位尺寸精度要求高，需要进行工厂预拼装。

3 巨型柱加工技术

3.1 整体式巨型柱加工技术

3.1.1 整体式巨型柱概况

上海中欣大厦结构平面布置见图6，在核心筒外的环形周边上分布8根大截面的SC1巨型柱和4根大截面SC2巨型柱。在结构沿高度方向巨型柱被划分为桁架节点段柱和非桁架节点段柱[4]。

3.1.2 巨型柱规格

SC1巨型柱截面由3个H型钢与4块钢板焊接而成，净重达77.62 kN/m。典型巨型柱截面尺寸见图7及表1。

3.1.3 标准段巨型柱的制作

1)设置工艺隔板，保证整体装配尺寸。

巨型柱的标准段(图8)占上海中欣大厦主体结构重量的30，在标准段制作中，通过设置工艺隔板的方法保证装配尺寸精度、控制焊接变形。

工艺隔板的长度、宽度下料尺寸比箱体内腔尺寸小60 mm，并安装顶置块，顶置块与箱体的接触边应进行铣削(图9)。设置顶置块的目的是在保证装配精度的前提下，方便工艺隔板的拆卸，从而使工艺隔板可反复利用，降低成本。

巨型柱的H型钢本体分别加工完成且尺寸检验合格后，在总装胎架上依次进行H型钢、工艺隔板、两侧腹板、上部H型钢的装配，直至完成巨型柱的整体装配(图10)。

2)优化焊接工艺和设备，确保焊接质量，控制焊接变形。

a.焊缝坡口：巨型柱双腹板坡口方向的内侧为大坡口，外侧为小坡口。

3.2.3 多腔柱分段的制作

c.焊接位置及顺序：焊接时采取巨型柱平放的位置，并通过框架对巨型柱进行翻身；按图12所示的顺序实施巨型柱本体焊缝打底、填充、盖面焊接。内侧焊缝打底完毕，外侧清根，并且采用气体保护焊进行焊接，焊接完毕，拆除内部工艺隔板。实施内部焊缝的埋弧焊。焊接时，先焊中间焊缝，后焊两侧焊缝，同时、同方向、同规范对称焊接。

3)端面加工。

通过端铣，控制巨型柱的垂直度和端口平面度。

3.2 多腔型巨型柱加工技术

3.2.1 多腔柱概况

中国尊项目的多腔箱型巨型柱位于塔楼平面四角，底部柱截面面积约63.9 m2，截面尺寸为13 707 mm×6 190 mm，钢板厚度大为60 mm，材质主要为Q390、Q390GJ、Q345、Q345GJ[5]。

多腔柱内部截面复杂，由13个封闭箱体组成，整根多腔柱连接接口多，上下节柱水平对接接缝20条，长度约70 m。

3.2.2 合理分段

整根多腔柱总重量近1 500 kN，根据结构形式、加工工艺和现场施工要求，将整根多腔柱拆分为4个相对独立的钢柱，由2个不规则田字型钢柱和2个H型钢柱共4部分组成(图13)[6]。

针对东北地区多年未发生大洪水，一些地方干部群众抗洪抢险经验不足、技术力量薄弱的情况，国家防总先后派出36个工作组、专家组赶赴一线指导，直到退至警戒水位后才全部撤回。国家防总商财政部安排三省（自治区）特大防汛经费5.67亿元；从全国19个物资储备仓库和16个省（自治区、直辖市）以及7家生产企业，向三省（自治区）紧急调运了价值1.08亿元的抗洪抢险物资。

以不规则田字型柱段为例，其制作装配流程见图14。

由于田字型柱截面较大，装配时在水平胎架上进行，严格控制面板、腹板间的组装尺寸及垂直度。为保证装配精度和控制焊接变形，同样采用工艺隔板进行控制。由于多腔柱腔体截面尺寸较大，工艺隔板采用钢板条拼制的形式。

3.2.4 焊接工艺

针对多腔巨型柱内部结构复杂、焊接要求高的特点，制定详细焊接工艺。

1)焊接坡口。

根据每条焊缝的具体位置、板厚、角度，分别制定相应的焊接坡口(图15)和内外焊接顺序。

2)焊接顺序。

焊接时，严格按照指定的焊接顺序施焊，见图16。为减少焊接变形，施焊可采用分段退焊、分段跳焊等方法进行。双人同时对称焊接时，要保证焊接工艺参数及施焊方向一致。

3)特殊措施。图16中的右侧焊缝③，由于空间位置狭小，无法焊接。制作时才要将下部横隔板分段，待焊缝③焊接完毕，探伤合格后，再装配断开横隔板的部分并焊接，从而保证整体焊接质量满足设计要求。

3.2.5 端面加工

由于多腔柱整体截面较大，只能将各分段分别进行端面铣削加工；各分段进行端面铣平时，应对构件固定牢固，并控制自身水平度以及与端铣机之间的垂直度，端面的铣平精度应控制在0.5 mm内[7]。

4 计算机模拟预拼装技术

出厂前对构件进行整体预拼装是对构件尺寸检验的方式。但由于高层建筑的巨型柱，特别是多腔巨型柱外形尺寸较大，进行实体预拼装存在场地、周期、成本等各方面问题[8]。为解决超大构件预拼装问题，通过专用软件开发，研究了一整套计算机模拟预拼装方法[9]。

计算机模拟预拼装方法步骤如下：

1)从设计模型中确定需要预拼装构件的整体范围，并对参与预拼装构件现场拼接接口的控制点进行选择、编号、给出理论坐标，形成构件测量检查记录表。

2)对构件的安装控制点进行测量，并将测量数据导入专用软件。

3)通过专用软件的坐标体系转换，对构件实测的控制点坐标与理论模型坐标进行匹配，由软件自动给出匹配偏差，并标注大于允许偏差的位置点。对超差的构件进行矫正并重新测量，直至合格。

4)通过软件，将全部单根构件的实测数据坐标模型进行模拟预搭载，对接口控制点坐标数据进行自动匹配，并给出匹配偏差。当控制点匹配数值超过现场安装的允许偏差时，即需要对构件进行矫正，从而达到预拼装的目的。

5 结束语

1)通过对高层建筑钢结构的结构形式、构件类型进行分析，分别总结了高层钢结构中常见的典型巨型柱的结构形式及技术难点。

2)巨型柱是高层建筑钢结构中典型的受力构件，通过适当分段、合理控制装配工艺、整体预装检验等措施，可以有效保证结构件的加工质量。

3)由于高层建筑钢结构的外形尺寸较大，实体预拼装检测困难，通过计算机模拟预拼装技术，在保证构件质量控制的基础上，可有效解决实体预拼装的工期、成本等问题。

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