超高层工程巨型圆变方过渡节点加工工艺汇报

巨型圆变方过渡节点加工工艺交流汇报人：二○一五年六月超高层项目四、综合效益及推广应用前景三、成果水平一、科研背景二、创新技术科研背景1工程概况研究内容概况重难点

一、科研背景-工程概况一、科研背景-工程概况二期结构形式一、科研背景-工程概况二期结构形式分布位置：二期塔楼外框柱4～5层；数量：16件；设计重量：单件30吨，共480吨；截面尺寸：￠2800*70→口2400*70,4m长；材质：Q345GJC；一、科研背景-研究内容概况圆方节点设计参数圆方节点分布示意图

经统计目前国内超高层项目，圆方节点较少，无类似本工程大截面、大板厚的圆方节点。

通过国内外科技查新，本工程所涉及的研究内容，在所检文献以及时限范围内，国内外未见相同文献报道。即本工程的圆方节点在超高层上尚无成功加工经验可参考借鉴。一、科研背景-研究内容概况序号工程名称外框柱截面形式是否有圆方节点1武汉中心圆管柱无2武汉绿地中心十字型钢骨柱无3天津117组合异型巨柱无4东塔方管柱无5上海环球组合型钢无6上海中心组合型钢无7深圳证劵钢骨方管柱无主要研究内容：1、节点三维建模技术；2、节点钢板下料展开技术；3、节点的压制成型工艺；4、控制措施包括管理制度、工艺控制；5、节点的三维坐标推导控制其成型尺寸和外观形状。一、科研背景-研究内容概况一、科研背背景-重难点加工方式分分析圆方节点锻件示意图圆方节点铸件示意图圆方节点焊件示意图序号对比项焊件铸件锻件1材质Q345GJCG20Mn5Q345GJC2构件力学性能一般一般最好3加工难易度一般一般最难4检测要求一般低最高5整体质量一般一般最好6加工工期一般一般最长7成本低高最高根据行业现现状，巨型型圆方转化化节点可以以采用的工工艺设计有有三种：第第一种，采采用G20Mn5低合金高强强度钢铸造造；第二种种，采用Q345GJC低碳合金钢钢锻造；第第三种，采采用Q345GJC低碳合金钢钢钢板焊接接，通过从各各方面综合合对比分析析后，本工程采用用综合性价比比最高的焊接成型工工艺。一、科研背背景-重难点加工方式分分析采用焊件加加工需考虑虑尽量减少少焊接量，，而此节点点尺寸大，，变截面管管壁展开后后最小外接矩形尺尺寸约为4136mm×9593mm，其对应的的原材板幅约约为4300mm×9700mm。若变截面面管壁考虑虑采用两片片进行加工工则需要的的原材板幅幅约为4300mm×4850mm，一般情况况下钢厂生生产的钢板板板宽不大大于3200mm，若需要4300mm的板宽，需需要寻找符符合条件的的钢厂，并并特殊定制制，还需解解决超限运运输。所以以考虑采用4片进行加工工，其板幅为2650mm×4300mm（宽×高，，宽度方向向考虑加工工余量）。。圆方转化节节点展开图图圆方节点主主体分为4部分分别加加工后进行行拼焊接。。有以下两两种加工方方式：加工方式1：由4个折弯钢板板组成，焊焊缝位于方方口边中心心线处；加工方式2：由4个面板组成成，焊缝位位于方口直直角处；一、科研背背景-重难点焊接件加工工工艺分析析加工方式1加工方式2由于加工方方式1中需需将钢板进进行折弯，，从圆口端端至方口端端，折弯的的幅度越来来越大，至至方口端需需要折弯成成90°。。此加工方方式存在以以下几点难难点：1、左图中标示示的三角形形区域相当当于右图圆圆锥的1/4椎体，压道线射线线状分布，，靠近锥顶顶处径厚比比越来越小小趋于零，，钢板压制制内部应力力越来越大大，超出规规范超出实实际压制能能力，无法法压制成型型一、科研背背景-重难点加工方式1分析一、科研背背景-重难点加工方式1分析最小径厚比比计算：CECS28：2012《《钢管混凝土土结构设计计与施工规规范》要求：70mm厚的Q345GJC钢板，其对对应钢管的的最小径厚比比为14.46，最小外径径为1012mm。2、压道线射射线状分布布，即使在在开设止裂裂孔、设置置后焊区的的情况下，，钢板压制制还是容易易开裂；类似厚板折折弯后开裂裂照片类似厚板折折弯后开裂裂照片方口转角处处无法实现现90度折弯，只能设置止止裂孔及后后焊区一、科研背背景-重难点加工方式1分析3、焊缝重叠叠，面板拼拼缝与内部部竖向劲板板焊缝位置置重叠，容容易产生应应力集中，，出现质量量缺陷。综上分析，，加工方式式1不能用于圆圆方节点加加工。管壁与管壁壁的对接焊焊缝示意图图竖向板与管管壁焊缝示示意图重叠焊缝示示意图一、科研背背景-重难点加工方式1分析面板拼缝位位于直角拼拼缝处，过过渡曲面需需要多次压压制而成，，面板压制制压道线为为水平间隔隔布置，确确保同一高高度截面的的压制曲率率半径相同同.避免了径厚厚比越来越越小带来的的困难。一、科研背背景-重难点加工方式2分析图1四块面板拼拼接示意图图图2单块面板组组成示意图图图3空间曲面板板示意图通过计算，，Q345GJC的的70mm厚厚钢板压制制需要2200吨位以上的的压机，而而且其工作作台面宽度度不小于5m，过渡曲面面需要多次次压制而成成，压制后后曲面的精精度，以及及不产生较较大应力，，防止开裂裂是制作的的重难点。。分多次压压制，并在在压制过程程中跟踪监监测，及时时调整，以以保证曲面面的成型精精度；采用水平间隔压道线压制的面板万吨压机图图片压制过程图图片一、科研背背景-重难点加工方式2分析根据压力容容器GB150.1-2011规范要求，，计算得出出此节点板板冷压成型变变形率为3%＜5%，所以不需要进行行热处理。一、科研背背景-重难点加工方式2分析创新技术2节点的CAD建模方法及及外观成型型技术空间定位尺尺寸及下料料展开尺寸寸计算加工工艺原设计节点点的外形是是采用常规圆方节节点建模方方式，是在在CAD软件中利用用一个圆形形截面和一一个方形截截面直接放放样得出的的，新的圆方节节点建模方方式是四个个拼接面拼拼接成的。。常规圆方节节点建模方方式新的圆方节点建建模方式二、创新技技术-节点的CAD建模方法及及外观成型型技术常规的建模方式得出的1/4面板是一块块空间的双曲面板，理论上是是无法展开成成平面的空空间曲面，无法进行行下料，无法采用压压道线均匀匀分布的方方式进行分片压制。新的建模方方式得出的的1/4面板是一块块三角形平平面板和两两块取自斜斜圆柱的单单曲面板，，理论上是是可以进行行压制成型型的。二、创新技技术-节点的CAD建模方法及及外观成型型技术新的建模方方式得出的的1/4面板1/4面板对比示示意图常规建模方方式得出的的1/4面板如图1所示圆方方节点通过过四个面板板拼接形成成，图2中所示的每每一个拼接接面分别由由一块平面面三角板和和两块空间间单曲面板组成成；其中，，空间曲面面板是“取取自”斜圆圆柱面的1/8表面，如图图3所示，以此此保证八块块空间曲面面板组合之之后底面形形成一个圆圆形。二、创新技技术-节点的CAD建模方法及及外观成型型技术图1四块面板拼拼接示意图图图2单块面板组成示示意图图3空间曲面板示意意图圆方节点三维建模方法二、创新技术-节点的CAD建模方法及外观观成型技术步骤1：建立直角坐标标系，并以原点点作为圆心画出出内圆（r=1330mm）和外圆（R=1400mm）两圆形成圆环环。同时在坐标标系分别画出边边长为2400mm和2260mm的正方形组成正正方形接口。将将正方形接口移移至设计高度（（Z=4000mm）。在底面圆内内圆做辅助的正正八边形，要求求其中4个端点在坐标轴轴上。连接内接接圆与Y轴上的端点A与内接正方形的的角点B连线。效果如图图所示。圆方节点母线的的选取示意图ABO圆方节点三维建模方法二、创新技术-节点的CAD建模方法及外观观成型技术步骤2：移出上图中的的底面圆和AB连线，在同一坐坐标系中，以底底面圆环为截面面，AB连线为母线，画画出倾斜柱体。。确定好的母线示示意图选取母线作出的的斜圆柱ABOABO圆方节点三维建模方法二、创新技术-节点的CAD建模方法及外观观成型技术步骤3：以截面OAB和截面OBC作柱体剖切面，，得到底部为八八分之一圆弧的的曲面ABC，其中C点为八边形一个个角点。斜圆柱的两个剖剖切面示意图斜圆柱中剖出的的斜弧面板ABOCABOC圆方节点三维建模方法二、创新技术-节点的CAD建模方法及外观观成型技术步骤4：如图所示，将将该曲面移入步骤1中底圆相同位置置，同理可得出出其他7个曲面，然后在在四个方向上组组合面分别为一一个平面三角板板与两个斜曲面面板。圆方节点组合过过程及节点示意意图1、斜圆柱面公式二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算根据建模方式可可以先确定出斜斜圆柱面的计算算公式。2、等腰三角形空间间位置计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算在直角坐标系中中，通过A、B、C、D、E五个点的坐标计计算出三角形板板的尺寸和空间间位置。2、等腰三角形空间间位置计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算3、1/8斜圆柱空间位置置计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算将斜圆柱旋转后后，得出其方程程，再分别将两两个切面方程带带入斜圆柱方程程得到两组坐标标值，通过这两两组坐标值可以以确定1/8斜圆柱面的形状状和空间位置。。1/8斜圆柱空间位置置计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算1/8斜圆柱空间位置置计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算1/8斜圆柱的平面展开尺寸计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算由于该斜圆柱面面为空间单曲面面，且沿着垂直直于斜圆柱母线线方向可以展开开。因此，计算算的时候主要方方法是：采用一一个垂直于斜圆圆柱母线的平面面去截斜圆柱面面，通过计算平平面与斜圆柱相相交得出椭圆弧弧长确定展开尺尺寸。1/8斜圆柱的平面展开计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算1/8斜圆柱的平面展开计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算1/8斜圆柱的平面展开计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算1/8斜圆柱的平面展开计算二、创新技术-空间定位尺寸及及下料展开尺寸寸计算难点：1元4次方程的求解、、复杂微积分编程程求解、椭圆任意弧段的的弧长计算。试验第一次试样图片片二、创新技术-加工工艺在确定了加工方方案以后，为充充分验证压制方方法的合理性，，先后分别进行行了两次等比例例缩小的模型节节点的加工试验验，通过对其压压制后的外观成成型、拼装效果果进行综合评估估，不断优化技技术要点，充分分确保方案实施施的安全性、可可行性。试验第二次试样图图片二、创新技术术-加工工艺下料面板压制前检检查示意图二、创新技术术-加工工艺根据理论推导的尺寸数据检查参照表，，对板材尺寸寸沿高度方向向，每隔500mm进行逐一检查查。下料按放样图通过过数控下料，，制作余量做做好洋冲标记记。考虑为100mm余余量（根据压机模模具实际情况况，上模具为为单板，下模模具为双板，，结合加工经经验，考虑100mm的的加工余量）），该预留值主要要作用是：在在压制过程中中，防止由于于压制造成面面板两侧板边边界处出现压压制缺陷，例如，厚板板撕裂，边部部压断，板侧侧翘曲等。在压制完成后后将预留部分分的材料沿设设计的边线切切割掉，并将将切割处打磨磨平整。面板展开示意意图二、创新技术术-加工工艺压制缺陷效果果图压制设备需求分析析压制受力简图图板材压制放样样图二、创新技术术-加工工艺本节点面板拟拟采用压机进进行压制，其其压制原理及及压力计算如如下：1）Q345GJC材料的力学性能为(GB/T19879)：屈服强度σ0.2=325~445Mpa；抗拉强度σb=490~610Mpa；故压制时需要要克服的强度度至少应大于屈服强度度σ0.2=445Mpa。2）材料弯曲几何特性性：W=b×h2/6式中b为压制长度=(11302+40032)/2=4160mm，式中H为板厚=70mm故W=3397333mm33）弯矩计算：M=kσ×W式中k材料冷作硬化化系数，一般般取1.3故M=1.3×445×3397333=1965357000N.mm4）压力计算：：M=a(l-a)F/l，则F=Ml/[a(l-a)]上模位于下模模中心时：F=4M/420=18717700N；偏心受压时：：（由模具结结构定aMin=130mm）F=Ml/[a(l-a)]=21895000N，；故F=21895000N所以本节点压制需需要2200吨位以上的压压机，而且其其工作台面宽宽度不小于5m。压道线间距二、创新技术术-加工工艺根据圆方过渡渡节点上下端端口尺寸及构构件高度，确确定平面三角角板斜边的长长度，根据计计算结果，从从而确定整块块组合面板板板材下料具体体尺寸和形状状。取压道线线间距计算公公式为:b=1.2t=12×70=84mm。式中，t为板材厚度，，取70mm。压制角度沿平行四边形形的斜向压道道线依次采用用10000吨自制液压机机进行初步压压制，然后采采用3000吨的自制液压压机进行修正正。压制时，，根据底面圆圆的半径以及及每道压道线线的间距计算算确定每条压压道线的压制制后弯曲角度为176°。面板压制示意意图二、创新技术术-加工工艺压制方法将两块面板反反向组拼后进进行整体压制制，避免出现翻翻边。压制完成后再再切开，将未未压制的两侧侧拼接在一起起在采用相同同的方法压制制一次。确定压道线线和三角板斜斜边平行的方方向。压道线线距离为84mm，压道线的示示意如图所示示，其中红色色平行四边形形区域为压制制区域。面板压道线示示意图二、创新技术术-加工工艺压制流程流程一：两块块下料板反向向拼接在一起起二、创新技术术-加工工艺流程二：将拼拼接面板置于于工作台面，，进行第一次次面板压制流程三：切割割压制面板流程四：将切切割下面板未未压制区域再再次反向拼接接流程五：进行行第二次面板板压制流程六：切割割压制完成的的拼接面板，，完成两块拼拼接面压制压制流程二、创新技术术-加工工艺压制前成型后高度Z（mm）板宽B（mm）加预留后板宽B1（mm）高度Z（mm）端点间距（mm）02245.62445.601979.95002289.82489.85002089.210002332.22532.210002184.315002371257115002264.820002404.22604.220002329.925002428.22628.225002378.230002439.72639.730002407.835002433.52633.535002415.540002400260040002396.7压制成型后，，应对成型的的组合面板进进行再检验，，沿高度方向向根据提供的的尺寸参照表表，检验轧制制成型质量。。尺寸标准参照照表压制成型曲率率检查压制成型图及及压制曲率检检查二、创新技术术-加工工艺压制过程图片片压制过程图片片二、创新技术术-加工工艺面板压制完成成压制取样送检检整体压制后切切割压制余量切割割后取样送检检二、创新技术术-加工工艺拼装拼装焊接顺序序为：四片面面板组装、焊焊接（设置临临时加强措施施）→水平板板组装、点焊焊固定→竖向向板组装点焊焊固定→内部部板焊接。流程一流程四流程二流程三流程五流程六二、创新技术术-加工工艺拼装二、创新技术术-加工工艺拼装过程照片片拼装过程照片片拼装二、创新技术术-加工工艺拼装过程照片片对接坡口形状状二、创新技术术-加工工艺四片弧形面板板拼装在一起起时，拼接处形成一条厚板渐变坡口口不规则弧形形长焊缝，由方口位置置的90°渐变到圆口位位置的0°。对接坡口示意意图（1）未放在在焊接工装平平台前，先进行焊缝区域清理理，然后两人人同时焊接BC段，其中中AB段长度度1.8m，，BC段长度度2.2m。。在外侧采用气气体保护焊打打3道底，依依次把4条BC段打完底底。如有坡口不不到位时，先先碳刨坡口，，防止变形；；（2）把天圆圆地方放置于于工装平台上上，AB段在内侧侧采用气体保保护焊打底3道，如有坡口不不到位时，先先碳刨坡口。。打底AB段段内侧采用埋埋弧焊焊接内内侧，焊接采采用多层多道焊，依对角方式式把4条焊缝缝内侧焊完；；（3）碳刨BC段内测，采用气体保保护焊，焊接接注意多层多多道焊；（4）碳刨清清根AB段外侧，由于节点拼拼接在一起时时，越接近A端，坡口尺尺寸越小，直直至没有坡口口，碳刨时需需碳刨一定宽宽度，以便焊焊接。（5）焊接过过程中，如发发现圆度等有有明显变形时时，暂停焊接接，纠偏处理理后再继续焊焊接。焊缝分段示意意图方口坡口示意意图圆口坡口示意意图焊接顺序二、创新技术术-加工工艺焊接方法二、创新技术术-加工工艺管壁分4片压压制完成后进进行拼焊，焊焊缝采用自动动埋弧焊，多多道多层焊接接。焊缝焊接顺序序为：（1）先焊正正面（内侧））1→7；（2）反面（（外侧）碳弧弧气刨清根、、打磨清理、、焊8→15；（3）再翻身身焊正面16→22；（4）最后焊焊接反面23→26。管壁自动埋弧弧焊焊接坡口口及尺寸示意意图成果水平3科技查新科技成果技术鉴定三、成果水平平-科技查新针对本项目关关键技术，于于2015年4月21日在科学技术部西西南信息中心心查新中心进行了科技查查新。三、成果水平平-科技查新对检出文献报报道进行比较较分析，涉及及本项目所述述圆方节点的CAD建模方法及外外观成型方式式、圆方节点的加加工工艺、圆方节点的下下料尺寸展开开计算及空间间定位计算这3个技术特征，，在所检文献献以及时限范范围内，国内内外未见相同文献献报道。三、成果水平平-科技成果目前已申报专利3项，专利授权1项，获得公司级级工法1项，正在准备申申请重庆市工工法。专利授权书公司级工法证证书成