圆管柱复杂牛腿加工工法.docx
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圆管柱复杂牛腿加工工法
圆管柱复杂牛腿加工工法
1前言
在钢结构施工中经常用到圆管柱，尤其在体育场馆、高层、超高层等建筑中应用更加广泛。
随着建筑业的发展，圆管柱的节点越来越复杂，圆管与牛腿可形成任意角度。
在加工圆管柱复杂牛腿时，必须采取科学、合理、可靠的技术，才能保证工程的质量。
***工程圆管柱复杂牛腿加工制造过程中，积累了宝贵的经验，制订出一套完整的加工制作工艺，在此基础上形成了本工法。
本工法以圆管柱（Φ700*20）为例说明圆管柱复杂牛腿加工技术要点。
图1-1圆管柱复杂牛腿节点
图1-2圆管柱复杂牛腿节点透视图
图1-3圆管柱复杂牛腿节点分解图
——牛腿翼缘板
图1-4圆管柱复杂牛腿节点分解图
——牛腿腹板板
图1-5圆管柱复杂牛腿节点分解图
——牛腿加劲板
2工法特点
2.0.1利用施工详图对圆管柱、环形板进行定位，确定出相应的连接板、加劲板的相应位置。
2.0.2采用数控切割设备制作异形环形板，再根据详图放地样儿，确定环形板上连接板、加劲板的准确位置。
2.0.3制作组装胎架，在构件组装时，按照零件的上下顺序依次对环形板、连接板及加劲板进行组装。
2.0.3采用CO2气体保护焊对节点进行全熔透等强焊接。
3适用范围
本工法适用于工业与民用建筑及一般构筑物建筑等涉及钢结构中，圆管柱身具有带角度牛腿、连接板的节点形式，及类似结构作为制作参考。
4工艺原理
通过放样确定圆管柱及环形板的中心点、定位线；将施工详图中圆管柱连接板、加劲板间的弧长，依次标注到圆管柱柱身的相应位置上；对环形板进行1:
1放地样儿，将连接板、加劲板位置标注到环形板上；圆管和环形板放样定位完成后，将环形板与圆管组装到一起，使圆管柱上的连接板、加劲板位置与环形板上的相应位置重合。
在放样、定位过程中一定要确保每一步数据的准确性、操作正确性，保证最后连接板、加劲板位置的精准。
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
5.2施工操作要点
5.2.1下料技术要点及设备的选择
下料时要根据加工工艺图纸及有关技术文件，复核所使用的材料的材质、规格、外观质量，如发现不符合相关规定，应及时反馈到相关部门。
遇有材料弯曲、平度超差，影响下料的质量时要对所使用的原材料进行矫正。
1圆管下料切割
本工程中圆管直径700mm，为了确保圆管端头平面度，在切割前要求画出切割线，切割后及时测量圆管端部垂直度。
圆管下料切割采用半自动切割设备，端头处理采用端铣设备。
圆管质量应符合表5.2.1-1相关技术要求。
表5.2.1-1圆管尺寸允许偏差表（mm）
项目
允许偏差
检验方法
图例
直径d
±d/500
±5.0
用钢尺检查
构件长度l
±3.0
管口圆度
d/500，
且不应大于5.0
管面对管轴的垂直度
d/500，
且不应大于3.0
用焊缝量规检查
弯曲矢高
d/1500，
且不应大于5.0
用拉线、吊绳和钢尺检查
对口错边
t/10，
且不应大于3.0
用拉线盒钢尺检查
2异型部件采用数控切割机排版下料
数控切割机排版下料,简单的几何形状如矩形,圆形,梯形等,可由操作工直接编程输入或调用机内程序进行。
复杂的几何图形如正弦曲线,不规则多边形等,应由专业工艺员进行排版,需要接料时必须提供切割方位示意图。
排版的重要尺寸数据必须经过专人核查无误后,才能下料切割。
排版时要将切割过程中的割缝量、收缩量考虑在内（本工程中环形牛腿翼缘板内环圆直径加6mm）。
零部件应符合表5.2.1-2技术要求。
表5.2.1-2异形板的允许偏差表（mm）
项目
允许偏差
检验方法
直径d
±d/500且不大于3.0
用钢尺检查
构件长度l
±3.0
圆度
d/500且不应大于3.0
板的平面度
每米允许偏差1
3规则零件采用半自动切割设备
为了节约制作成本，规则零部件采用半自动切割设备，牛腿腹板、加劲板及其他零部件若与焊缝相交处按照图纸规定倒角。
应符合表5.2.1-3技术要求。
表5.2.1-3规则钢板的允许偏差表（mm）
项目
允许偏差
零件宽度、长度
±3.0
切割面平面度
0.05t，且不应大于2.0
割纹深度
0.3
局部缺口深度
1.0
注：
T切割面厚度
4边缘加工
焊接坡口采用半自动切割设备进行,坡口加工尺寸要按工艺加工,用样板控制坡口加工。
刨边加工的余量随钢材的厚度、钢板的切割方法的不同而不同，一般的刨边加工余量为2~3mm。
加工坡口面粗糙度或槽痕应符合相关规范要求。
一旦出现粗糙度超过规定值，应加以修理打磨。
圆管柱牛腿坡口应符合附表3、4相关技术要求。
牛腿上下翼缘板均向外开单面45º坡口，如下图所示。
图5.2.1-1圆管柱与牛腿
表5.2.1-4坡口角度及允许偏差
项目
板厚（mm）
坡口形式
角度（º）
钝边（mm）
坡口
<20
单边v型
50
允许偏差±5º
2
允许偏差±1
坡口
20~50
K型
45
2
注：
牛腿及现场焊接坡口为单面
5制孔
1）首先划出基准线、定位孔位置，然后在打孔前先做好引孔，以免在钻孔时出现滑脱、错位等现象。
图5.2.1-2孔定位图
2）若板型尺寸、孔径一样且数量较大的，可采用套膜法制孔。
套膜制孔首先要做一个模板，将模板放在最上面，利用摇臂钻设备进行套钻，需要注意的是模板使用三次应进行更换。
图5.2.1-3套钻示意图
表5.2.1-5孔径允许偏差（mm）
螺栓孔孔距范围
≤500
501~1200
1201~3000
>3000
同一组内任意两孔间距离
±1.0
±1.5
~
~
相邻两组孔间距离
±1.5
±2.0
±2.5
±3.0
5.2.2抛丸除锈
钢材表面进行抛丸除锈时，必须使用除去油污和水分的压缩空气。
除锈后的钢材表面，必须用压缩空气吹净磨料颗粒及表面粉尘，或用吸尘器清去死角内的磨料和粉尘，方可进行下道工序。
本工程由于圆管截面较大，牛腿多，构件拼装成型后将无法进入抛丸机抛丸，所以应将抛丸提前至拼装之前，分别对圆管及各种零件板进行抛丸除锈。
5.2.3拼装
1制作圆管定位线
1）确定端头中心点
①将圆管放在一个固定的胎架上卡紧；②将水平尺放到圆管顶部，测量出圆管的最高点即水平中心点；③以圆管上端的水平中心点为基点做吊线，使吊线垂直圆管直径的中心线，并标出圆管最低点；④通过吊线找到圆心，用水平尺测量出圆管两个水平定位点；⑤用卷尺测量四个定位点之间的弧长，复查所确定的定位点是否准确；⑥圆管两个端头做法相同。
图5.2.3-1圆管定位中心点
2）制作定位线
将两端都确定好十字定位点的圆管，利用墨斗在圆管外壁上弹出定位线。
图5.2.3-2圆管定位线
2制作零部件的装配线
1）制作垂直圆管的环板定位线
以圆管十字线作为定位线，依据图纸构件标注装配尺寸，1:
1在圆管上画出所有环形板的定位线。
划线时要由标高低的一端开始标注，逐一向上标注各个环形板的位置。
图5.2.3-3牛腿、连接板定位线
图5.2.3-4环形板定位线
2）制作平行圆管的装配线
采用量取弧长的方法，依次在圆管柱上定位出加劲板、连接板的位置。
首先，从电脑模型中测量出中心线到加劲板、连接板中心的水平弧长，再将所量取的弧长尺寸依次标注到圆管上。
在圆管上画线时，首先应标清连接板位置，再标加劲板位置。
3制作环形板与连接板、加劲板的装配线
1）定出环形板的中心点
将环形板放平，通过量取直径的长度，量出两条直径。
这两条直径的交点即为该环形板的中心点。
图5.2.3-5环形板中心线
2）确定环形板的基准线
①取环形板外环上的一段直边；②通过这段直边的两个端点，找到这条直边的中间点；③将环形板的中心点与直边中间点连接，得到一条基准线；④每条直边到环形板中心点的基准线做法相同，有几条直边就要做几条基准线。
图5.2.3-6环形板基准线
3）放出连接板、加劲板的地样儿
①在平整的地面给环形板放地样儿；②放出圆管直径、十字定位线、中心点；③制作角度样板，放出连接板、加劲板的中心线。
4）确定连接板、加劲板在环形板的中心线
①将环形板放在环形板地样儿上，使地样儿的十字定位线与环形板的基准线重合，地样儿的中心点与环形板的中心点重合；②将地样儿上所放出的连接板、加劲板中心线位置，在环形板上标清。
图5.2.3-7环形板上连接板、加劲板中心线
4）划出连接板、加劲板的位置
确定连接板、加劲板中心位置后，向中心线两侧以各板厚度一半弹出连接板、加劲板边缘所在位置，这样可以更准确定位连接板、加劲板的位置。
4组装
首先组装环形板，将圆管放在胎架上，用吊车将圆管一端吊起，把环板组装到圆管上。
在组装时需要注意的是，两环板（牛腿的上下翼缘板）坡口都应朝向外，为焊接提供操作空间。
1）将环形板某一基准线与圆管柱的一条基准线对齐，逐一在圆管上装配环板。
图5.2.3-8圆管在胎架上图5.2.3-9逐一组装环形板
2）以某一连接板的中心线为起点，绕着某一固定方向依次找出其它的连接板（加劲板）的厚度中点所对应的中心线，对其进行定位。
在中心定位的同时，还要以边缘线是否与连接板（加劲板）边缘重合做为辅助依据对各板位置进行检查。
图5.2.3-10组装牛腿
图5.2.3-11组装耳板
图5.2.3-12组装完成
3）为确保牛腿在未焊接成形前安装位置准确，需在组装牛腿上下翼缘板时增加临时支撑，固定翼缘板与柱身角度、上翼缘与下翼缘距离。
5.2.4焊接
1定位焊
焊接结构制造过程中，所有零部件均先通过点固焊（定位焊）进行组装，然后再焊接成一体，定位焊的质量，将直接影响焊缝质量乃至整个产品的质量，因此应给予足够的重视。
1）定位焊所用焊条应和正式焊接所用焊条相同，不能用受潮、脱皮或不知型号的焊条，不能用焊条头代替。
2）定位焊部位双面焊反面清根的焊缝，如果可能，定位焊道应放在反面。
形状对称的构件，定位焊道应对称排列。
构件上有交叉焊缝的地方，不应有定位焊缝，定位焊道至少离开交叉点50mm。
3）定位焊工艺要求定位焊道短，冷却快，焊接电流应比正常焊接电流大15～20％。
定位焊缝两头应平滑，防止正式焊接时造成未焊透或裂纹。
定位焊缝不应有裂纹、夹渣等缺陷。
对于刚性较大的构件或有裂纹倾向的构件，应采取必要的热处理措施，以防定位焊缝产生裂纹。
4）定位焊缝尺寸在满足装配强度要求的前提下，定位焊缝尺寸应尽可能小一些。
可以通过缩小定位焊缝间距的方法来减小定位焊缝的尺寸。
表5.2.4-1定位焊技术要求
板厚（mm）
定位焊缝高度（mm）
定位焊缝长度（mm）
间距（mm）
<12
3~6
5~10
50~100
12~35
5~8
15~30
100~300
35~50
9~12
35~50
300~350
注：
刚性大的定位焊缝长度可增加到50~80
2焊接
1）焊接作业前应将焊缝坡口周围的铁锈、油污、水份等其他影响焊接质量的杂物清理干净。
2）焊工应严格执行焊接工艺标准和焊接参数进行焊接作业。
3）作业中焊缝应一次连续焊接完成，因天气或其他原因要中断焊接作业时，应确保焊缝具有足够强度，以防止焊缝受力开裂，应保证焊至该焊缝完工尺寸的1/3以上。
4）未能一次焊完的焊缝重新开始焊接作业时应按工艺要求进行。
5）焊工在焊完焊缝中某一层焊缝后，应立即进行缺陷检查，发现裂纹及夹渣、未熔合时应事先休整合格后方可进行下层焊接作业。
表5.2.4-2CO2气保焊
焊丝
直径
姿势
焊接参数
气体流量
电流（A）
电压（V）
焊接速度（cm/min）
L/min
1．2mm
下向
260∽340
30∽38
15∽50
50∽100
横向
220∽300
28∽36
15∽50
50∽100
表5.2.4-3碳弧气刨
碳棒直径
电流
电压
刨槽形状
（mm）
作业速度
（A）
（V）
深度
宽度
mm/min
6.5×305mm
240
40
3
8
750
8.0×305mm
300
40
4
10
875
5.2.5成品检测
加工完成的圆管柱组装尺寸偏差应满足相关规定，见表5.2.5-1。
表5.2.5-1圆管柱组装尺寸控制核对表
项目
允许偏差
图例
测量工具
柱的高度H
±3.0mm
钢尺
铣平面到第一个安装孔的距离
±1.0mm
钢尺
柱身弯曲矢高
H/1500、不大于5.0且不应大于1010.0mm
钢线、钢尺
牛腿上表面到柱底距离L1，两牛腿上表面之间的距离为L4
±2.0mm
钢尺
牛腿长度偏差
±3.0mm
钢尺
各牛腿腹板中线与钢管中心的偏差△3
2.0mm
线锤、钢尺
各牛腿之间的夹角偏差△4
±20
样板
牛腿孔到柱轴线距离L2
±3.0mm
钢尺
牛腿的翘曲、扭曲、侧面偏差△
L2≤1000mm
2.0mm
钢线、线锤、钢尺
L2>1000mm
3.0mm
端部铣平对轴线垂直度允许偏差
L/1500
钢管外径偏差
±D/500且不应大于3.0mm
管口圆度
D/500且不应大于3.0mm
钢尺
管面对管轴的垂直度
±D/500且不应大于2.0mm
钢直尺、
塞尺
6材料与设备
6.1材料
6.1.1钢材
本工法中所用钢材材质均为Q345B级。
主材为圆管、钢板，质量应符合《碳素结构钢》、《低合金高强度结构钢》的要求。
6.1.2焊接材料
组装焊接采用CO2气体保护焊，采用HJ（ER）50-6型号焊丝。
材料厂家必须选用通过相应国际质量体系认证，具有供应类似规模钢结构工程材料业绩的材料供应商。
其所有的焊接材料均要求有质检部门的质检报告和出厂合格证。
并应符合《碳钢焊条》、《熔化焊用钢丝》、《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》相关标准的规定。
二氧化碳气体纯度不低于99.5%，含水量和含氧量不超过0.1%。
6.2设备
本工法所用的机具设备见表6.2-1。
表6.2-1机具设备表
序号
设备名称
设备厂家
1
半自动切割机
哈尔滨四海
2
摇臂钻
中捷人民友谊厂
3
数控多头直条切割机
哈尔滨四海
4
抛丸清理机
青岛黄河
5
CO2气保焊机
成都焊研
6
高压无气喷涂机
波罗怒斯
7
普通直条切割机
无锡华联
8
碳弧气刨1000型
成都焊研
9
5T电动单梁起重机
河南豫中
10
10T电动单梁起重机
河南豫中
11
滑线及轨道配件
河南豫中
12
20米跨单梁门吊（10T）
河南豫中
7质量控制
7.0.1所有钢材从合格分供方厂家进行采购。
材料在进场时必须提供出厂合格证、质量证明。
7.0.2电脑制作深化图纸，必须经过严格的自检、互检及审核，确保构件尺寸准确无误后方可运用于生产加工。
7.0.3对于零部件的质量要求有，所有部件边缘焊渣、毛刺等必须清理干净；熔透坡口100mm范围内组装必须打磨干净；组装前零部件必须矫正。
7.0.4选择资历深、经验丰富的铆工进行圆管及环板的放样、划线工作，在进行放样中质量人员应随时对构件进行检查。
1利用吊线方法确定圆管柱端头等分点后，用卷尺通过测量点间弧长的方法，对其进行校核；
2环形板的中心点、基准线，与地样儿所放的中心点、定位线必须完全吻合；
3通过量取弧长在圆管外壁上确定的连接板、加劲板定位线，与环形板放样得到的连接板、加劲板定位线必须完全吻合。
7.0.5利用电脑放样尺寸制作1：
1的油粘纸样板，把油粘纸样板尺寸和放样好的构件尺寸进行比对、校核。
7.0.6在定位轴线、基准线、中心线等线上凿出几个样冲点，避免画出的轴线被抹掉而造成的误差。
7.0.7组装过程中应及时复合辅助线的定位尺寸，如发现错位要及时修改。
7.0.8选用焊接技术较好的焊工，对构件的重要部分，如牛腿、节点区域等进行施焊。
8安全措施
8.0.1施工机具必须符合《建筑机械使用安全技术规程》的有关规定，施工中定期进行检查、维修，保证机械使用安全。
8.0.2加强操作人员的安全教育培训工作，开工前做好安全交底工作，并形成书面交底记录；每天认真开展班前安全教育活动，确保每个操作人员对安全防护工作做到心中有数。
8.0.3专业责任工程师和区域责任工程师必须督促与检查各施工队对安全防护措施是否进行了检查。
8.0.4圆管柱环形板、连接板等下料过程中，操作人员应严格按照安全操作规程来操作相关机械设备。
8.0.5圆管柱在胎架上组装过程中应严格按照国家规范或标准的有关安全管理规定执行，不得进行野蛮操作。
8.0.6圆管柱焊接施工时，应严格执行国家规范或标准关于焊接施工安全的有关规定。
9环保措施
9.0.1严格遵守国家有关环境保护的法律法规、标准规范、技术规程和地方有关环保的规定。
9.0.2机械设备必须按相关规定进行保养维修，确保机械设备的消声设备完好。
9.0.3要做好对机械操作人员的教育培训，正确使用各类机械设备，避免因不正确使用发出刺耳的噪声。
9.0.4除锈设备等产尘较大的作业必须封闭作业。
9.0.5加工厂成立2人左右的场容清洁队，每天负责厂内外的清理、保洁，洒水降尘等工作。
10效益分析
通过在圆管柱及环形板上找出的准确定位线，解决了圆管柱牛腿、连接板的定位角度及加工精度的问题，保证了圆管柱复杂牛腿加工质量，又大大提高了加工制作效率。
此项工艺在萨马兰奇纪念馆项目中的运用，保证了构件质量、节约了整体工期。
每个节点利用本工法，制作一个圆管柱复杂牛腿节点，可节约人工40%、加工工期缩短50%，同时构件质量合格率提高到98%。
11应用实例
***过程坐落于***，占地面积约50亩，建筑面积约3万平米，20**年**月启建。
整个***由两个主体建筑、三个下沉式院落、200余个景观建筑及环绕四周的***公园和其他功能空间。
***区还设有多功能厅、***旗舰店、***商业街、***餐厅等配套设施，形成***中心。
该工程钢结构用钢总量为2000吨，主要构件类型有圆管柱、箱型柱，由于本工程外形为两个相连的圆环，内外均为曲面，所以纪念馆中梁柱连接节点比较复杂，钢柱牛腿、连接板都带有角度。
图11-1组装成型实例
图11-2萨马兰奇纪念馆结构模型
图11-3工地安装现
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