广州某电视塔φ×半圆钢球加工制造技术

PAGE广州**电视塔Φ1000×50半圆钢球试验研究通过新塔Φ1000×50半圆钢球的试验研究，掌握半球热压加工前后性能变化和壁厚减薄的规律，为今后制作大型钢结构用球提供技术支撑。前言伴随着国内钢结构行业的腾飞，沪宁钢机近几年得到长足发展，我们先后承建北京2008奥运工程“鸟巢”和上海2010世博工程“世博中心”等标志性工程，与此同时又承建了广州**电视塔（简称新塔）等一大批经典建筑。一切源自于诚信与品质的钢结构精品比翼齐飞，共同铸造了沪宁钢机的辉煌。新塔高610m，由一座高达454m的主塔体和一个高156m的天线桅杆组成，建成后成为世界上最高的钢塔结构之一。结构设计新颖独特，造型优美线条流畅。它是汇集实用性、观赏性和时代性于一身的高科技含量的建筑，高耸入云昂立在广州市新中轴线上。广州**电视塔凝聚众多设计者和建设者的聪明才智，钢结构加工制作难度实属罕见。其中Φ1000×50的大型半圆钢球的试验研究,就是新塔钢结构工程千千万万构件加工制作的一个重要环节。二、半圆钢球热压加工（一）半球放样下料新塔半球使用的钢材是湘潭钢铁公司生产的Q390GJC-Z15厚度为50mm的钢板，正火状态交货，经进货检验其技术指标符合GB/T19879-2005《建筑结构用钢板》要求，详见表1和表2。如果忽略半球毛坯板厚t1在热压加工过程中的变化，根据面积不变的原理，下料板坯直径D计算公式为D=d=1.414d,其中d为中和轴直径（d=1000-50=950）。实际放样下料考虑到半球端口，由于模具间隙不均、板厚变化及定位不准等因素影响，使热压后半球端面不齐，必须进行修边，所以最后放样下料的板坯直径由1343.3mm增大到1368mm，见图1。表1Q390GJC-Z15钢板性能煎力学性振能礼ReH干(MP哥a)余Rm(烧MPa碰)欣A(%巧)牺冲击吸皮收功半0根℃票,Ak辣v,J嫩180计°解弯曲试疏验洲陈牌D听弯心直历径蓬傍捉a霸试样厚金度毛厚度方驻向性能想结论缝标准值燥38按0讯～岂500滔49银0在～璃610猾≥土22荣≥胆34淘D=3会a告无裂纹戚Z15星合嚼格清实测值早400抛545风33.瓦5贱180血.19慧7.2梢01烛无裂纹邮Z=5械1%表2Q390GJC-Z15钢板化学成分（%）轧化学元缩素婆C支Mn误Si界P润S雾V式Nb纠Ti汁Als炊Cr活Cu开Ni贫结论哨标准值针≤批0.2据0暖≤帮1.6码0基≤袋0.5社5寇≤孔0.0幼20料≤混0.0从10野0.0织2错0祸～寿0.2示00蛾0.0圆1仅5谷～俯0.0芳60驳0.0区1侮0傲～片0.0舱30狂≥胃0.0雨15慎≤惩0.3夜0尤≤葱0.3胞0视≤驾0.7枪0滩合脾格侄实测值长0.1省6葡1.5孙7醋0.3此4柿0.0数08霜0.0逐01旋0.0尊51剥0.0怠22睬0.0绢10巨0.0倒24常0.0赵35侧0.0妥28肿0.0谁25（放样后圆板坯料）（热压后半球）图1放样下料示意图一般半球放样下料计算公式可取D=1.414d+t1/2，这里需要指出的是，只有在中和轴直径大于板厚（壁厚）5倍以上时，半球中和轴的位置才与壁厚t2的一半重合，否则中和轴直径将小于球内径与板厚之和。（二）热压加工成型按GB50205《钢结构工程施工质量与验收规范》规定，钢板压成半球后，表面不应有裂纹和褶皱等缺陷。为保证热压加工后半球质量，在压制前必须检查圆板料有无麻点、裂纹和毛刺等表面缺陷，上下模应固定安装好，使其中心线在同一垂直线上，做到间隙均匀一致，同时将模具内氧化皮等杂质清理干净。上下模具见图2，其中下模端口的圆弧R取二倍的板厚。热压热弯是将钢材加热至（900-1100）℃，在模具上进行压制弯曲加工，它适用于厚板及较复杂形状构件的制作。处在高温下的钢材塑性好，成型性能好，施压的压力也小。热压半球时我们首先将Φ1368×50的圆板料置于加热炉内，在炉内温度为1000℃的加热炉中保温20分钟，出炉后随即吊运至800t油压机的下模上压制成半球（见图2），始压温度950℃，终压温度790℃，然后半球脱模放平后空冷。炉众所周烦知正火总是将钢渣件加热销到一定竿温度一丘般饱为奇AC鸡3井以上谅（狱30-峡5阴0挖）串℃禁，保温虚一定时仔间，然偶后在静李止空气喉中冷却耻，得到饥珠光体签组织的译热处理缎工艺。糖半球热安压成型掠的过程厌，相当桶于对圆浸板料又辜进行一饥次正火绝处理，刷从而进切一步细肢化晶粒重均匀组启织性能扑更优。赖但由于坝周围环窜境和空勺冷条件誉的差异糟，热压哄加工后眠的半球险性能往呢往较原招材料力河学性能灯有所波惭动，但仪影响不私会太大愉。盆热压成析型后将喇半球脱药离上模矿，曾经卡是困扰绢我们的欠难题。饮往往由剑于脱模果不及时蓬，因热帜胀冷缩售效应，沾使半球座紧紧裹铅住上模拾压头，鞭加上半平球与上博模的摩茅擦力，在使其难脚以下脱冬，且下屠脱时间宜越长难谦度越大任。针对杯上述情色况，我技们曾经寨采用贼（下3-静4索）哄只反50帽t径油泵支福牢固定耕上模工卸作台，幼下口顶蚊牢半球圆边势的议方法，淡并采用怖几把火悄工龙头衰烘烤半稍球，使培其热胀焦，从而狡达到脱旷模的目贪的。经貌过多次朋摸索总嗓结经验引教训，题现在我慨们采取瓣在灼热哄的圆板研坯料压懂至下模善底完成朱半球成欠型后，希迅旦速在半幅球与下绩模端口索间插屡入质“尼叉弧犬钳早”初，滨800圣t多油压机创乘热立授即提升单上模压逝头。这渣时由于幻叉弧钳脊阻挡半粗球跟着扩上模提圆升，从至而实现秒半球顺注利脱离碎，起到严了事半胸功倍的惧效果。抵（三）栏半球成眠型后的渔加工制扰作备半球热抬压成型盈后，因装压制伸喇长变形膀，再加旁上下料怕时预留卧的余量舟，半球民端口多办余部分谅必须切搞割掉。叶我们采时用专用间自动回侵转平台横切割完概成（见鸭图程3妖），然夺后再在劳半球壳国体内部狐焊制加追强筋，登半球产菜品就顺滨利诞生别了。伴雄添图读2慰块在模具湿中热压粥半夏球清佛供聚从帆躺明图饼3历很自动回贫转平台汪切割半擦球端面齿三、半庸球解剖至试验威（一）墓半球实经物取样桌根迫据锄GB/绸T29饭7慢5熊《钢及员钢产品肠力学性骗能试验蜜取样位吴置及试额样制备滋》规定这，应在么外观及亚尺寸合强格的半店球钢产枝品上取部样，试辱料应有侵足够的修尺寸以叶保证机绢加工出博足够的里试样进天行规定那的试验烛和复试朗。鉴于根在产品哭不同位篇置取样只时力学文性能的展差异，东按照标最准要求阳，考虑义到半球疯不同部触位厚度盘和材质脖的不均告匀性，嚼我们分班别切取耽有代表笔性的四视块试料赞，见耽图炒4结。王我们解椅剖试验贷研究的慰半球是辱新塔兼第舟4竖5损节劲性塔柱顶半均球（热父压加工举），弧申状试蛾件事4树取自半符球端部毙，尺寸饰为铁180嘱×60枯×t啦2北。试田件码1裤、翻2扬、萝3抹尺寸单为羡18尾0搁（弧长蜘）跑×10得0×t奔2皱。试验共项目为赌圆拉伸仁试验、客冲击试劳验、布刻氏硬度禁试验和委化学光膊谱分析鱼。报图料4热中试苍件者A贺、建B博点为壁纺厚减薄鞭的测量蛙位置。取（二）名试样制净备均为了保新证试样框理化性枕能测试上数据的渗可比性坚和代表迹性，我属们制备株理化试慌样均按朱相关国规家标准庭规定进逆行，见歉表佛3活。眉表赚3外明试样规沉格使试样名肆称缎规格许（腥m桑m消）迈标准很圆拉伸棒试样鼠Φ售1倡0亏短比例舌试样也GB/挤T22易8注冲击试球样剩10×面10×些5议5横，向V赢型吉GB/咸T22肥9乐硬度试穴样堤（兼作管光谱分毯析试样侍）捞20×均35×层55兄GB/劣T23煌1帐及难GB/奖T20六066踏、萝GB/列T43券36映这里需缝要对硬喇度试样惧的制备起及硬度释试验方剪法的选符择作一耍些说明巧，硬度烫是金属冠材料力庄学性能光试验中腊最常用咱的一个天性能指纯标，它嫌是指金嘉属表面脆抵抗另乏一更硬腔物体压禽入的能魂力。硬性度测试银方法不氧同，硬杜度值不堡一样。记由于硬喂度与强躲度存在慕一定的脑对应关桥系，因漠此在本算试验研飘究中，够可以将问半球解金剖后制腾备成试志样，在骆试验室叔内测试沫，也可尽以采用闭里氏硬返度等试抢验方法运在工程漆现场测弱试实物远硬度，讨从而估秒算新塔检半球的难抗拉强闻度值。遥鉴于影郊响硬度费测试结猛果的因依素较多花，同一即试样取陡样位置然不同，勉试样厚懂薄、大冶小、重奏量和表丹面状态当，都会衬影响试犹验结果咬。在新铲塔半球剂热压成吗型后，夏钢材表睁面容易疯氧化，勿改变热心压件的翼表面粗项糙度。盈同时高螺温下表吊面往往彼有脱碳疏现象，管外表氧于化层脱竖落，内僻表氧化俯皮压入袍等情况歌，都会父造成硬汗度值偏宾低。对呜半球壳按体当采倦用动力进试验法揪测试实亚物硬度林时，由埋于硬度蔑冲击装支置与地市面的夹裤角不一腥样，还碌要对测饼试结果些修正。仅因此无早论在试奔验室内商或工程钟现场，绪无论是房制备的慎试样还旁是实物舒进行硬龟度试验寇，都必谦须满足放标准规着定的试促验条件鞭，否则咱测试的埋硬度值日偏低或闹不准，饥造成对夺实物性棵能的误启判。粉（三）我试验结蔑果据1葬.桃半球壁超厚雹圆板料辟经热压家加工后战，整体成发生变须形。我黑们对半秆球制取连的试件镇，分别针测量壁省厚。用己游标卡诱尺测量煮试件壁届厚的结再果见豆表萌4屈，超声慢波测厚可仪测量大半球实爸体壁厚设的结果夫见浙表饶5祸，超声僵波测厚仆仪现场患测量壁判厚见肠图柄5离，半球据壁厚变移化情况扑见尘图杏6辅，半球努壁厚减潮薄率随拣纬度变堵化曲线斑见毕图上7价。脊表泥4耗和选表蔬5拌的同一神纬度位斩置壁厚羊基本一级致，但烤有差异午，引起本误差的神因素是魄由于采埋取不同岂的测量落工具。筑图乱4缠雷半球取佛样位株置尊茶智续束德旗钞兽卸图选5河陷超声波秆测厚仪鼓测量壁麦厚球颤拣避图删6巴应半球壁子厚变栋化碍游攻伯戏外假鸽稠图虫7唱半球壁肤厚减薄船率随随电纬度变枯化曲线废表变4屈新塔黎第牛4庙5稠节劲性忍柱顶半方球减薄颤率（游铃标卡尺大测量）私试件号客原试件肃板料厚接度剂t体1梅(呜mm)降热压后拉试件丑厚放度家t球2咸(舍mm)犹减薄率亩（甚t花1引-t丝2掌)/鹅t胸1戒×10君0%套A煤处坏B通处园A誓处楼B货处奴试闸件鼓1步50.治5谜51.轰0丸能(丰纬师度廉0°)海50.社0扎(头约纬挡度凶20°查)匹-0.厅99%衬0.9喂9%虹试处件霞2樱50.阁5址49.烛0语(喇约纬际度贡40°战)亭48.悟0直(张约纬揪度娃60°剂)私2.9忍7%汽4.9致5%页试呆件誓3博50.脂5投48.锋0耳(激约纬文度温60°软)绳47.玩3眉(鼻约纬呆度黑80°脾)蛇4.9树5%议6.3俭4%父试炸件蛙4针50.费5桶51.鸽0税(昏端面纬任度重0°)库50.班5震（内面爆约纬家度指7丰°傅）适-0.箭99%辈(史端面纬兔度通0°)播0%壶（内面灰约纬眼度爬7禾°顺）笑表逐5俘新塔少第碍4扯5维节劲性蒜柱顶半矿球减薄植率（超王声波测横厚仪测沟量）夺测试位治置达原板料舰厚摩度私t斜1包(m枝m)语本体厚异度鬼t章2艇(m柔m)婶减薄箱率夹(扩t债1浓-t谜2砍)/腹t哈1扭×10穗0%铃纬花度妨0°标50.孕5杨51.财0浴-0.塌99瘦%猴（择t友2炊约等停于愿1.0骂1t劣1朱）炒纬较度恶10°概50.勉5筛50.煎4挺0.2逆0废%家（顺t骑2箱约等坛于疯1.0暗0t番1屑）谷纬哈度图20°郑50.仍5陆50.逃1第0.7慎9自%径（咳t肝2掉约等崇于限0.9贯9t钢1骑）凉纬孝度渠30°泼50.晋5徒49.况9除1.1玩9肌%钥（矩t诊2疑约等刮于殿0.9镇9t蝴1肚）绘纬寸度亏40°幸50.页5夜49.医1滚2.7鸽7声%棵（描t屠2直约等金于虹0.9赛7t溉1伙）葬纬斑度摇50°奋50.豆5恶48.喉8只3.3闯7甜%滨（敌t正2纺约等棋于论0.9怜5t段1巧）子纬厕度青60°逼50.发5品48.取0趁4.9扭5厦%查（岔t绸2返约等急于吩0.9秤3t捉1挨）渐纬范度贡70°源50.肌5羞47.惜1烟6.7割3怠%泻（毕t晌2颜约等摆于停0.9青4t似1伏）概纬辟度臂80°亿50.声5呀47.荣3旬6.3赶4惊%颜（趟t验2腔约等铃于仍0.9刃4t舞1溪）师纬购度矛90°武50.创5魂47.住3必6.3些4蒙%杏（成t倾2圈约等尚于耳0.9截4t闲1随）骗2栗.困半球材亚质理化德性能链热压半傻球空冷嗽后截取冷的吹4功块试件县，分别杠加工制妈备成圆作拉伸试耗样、冲赴击试样尼和布氏某硬度试因样（兼弹做光谱雨分析）型。经万卷能材料训试验机劈、半自机动冲击头试验机坑、布氏宝硬度计笨和直读贷光谱仪爆检测，剑测试结耻果分别挂见释表溉6坚和允表拦7寒，里氏恐硬度计他现场半移球实物惹里氏硬偿度测试叹结果见成表普8澡。瓶这里需挑要说明妖的是原梢材料的店化学成裂分分析撞值和热作压半球刑后材质多化学成蚀分分析臣值的差剑异，除栏因材料仗本身化零学成分娘偏析因庄素外，紫其测试存误差樱在际GB/疮T22丢2-2我00弃6播《钢的床成品化享学成分域允许偏报差》允盐许范围桨内。实堡物里氏纲硬度值练经过两谊次换算窄后得到俘的抗拉欧强度值川，比试露样实测狠的抗拉邻强度值案稍低，访除因为患采用不慨同的试从验方法毙外，主谎要是由都于热压响后半球助表面氧芽化皮和瞎脱碳等跨因素影默响。因畅此在现粮场测试夺硬度时踢，实物伸表面氧狸化皮和拴脱碳层庄一定要拘清除干攻净。我灵们对试夸件在清面除参（惯0.2迎-迫1亦）估m享m过表面层秤后测试庆维氏硬由度值，求换算得浮到的强驴度值就谅更加接情近圆拉蝶伸试样止测试的铅抗拉强素度值页。白岗倍肢庆插请赏越表妈6石软热压半摧球后材铅质力学注性能敏试样编鹿号偶ReH嫂(MP浩a)啦Rm(执MPa毕)壮A(%塑)桨冲击吸丰收功衔0贫℃慨,Ak周v,J鹿布氏硬登度灶HB既结论梳试乓样稼1僵400辫580遗28接198燥17若41读88部156笔15叫71垫57隶符亮合厚GB/药T19滑879贺试论样巨2瞒390晋565住32坡248饺25章22亩48扬160念16填01意60黄符井合挨GB/团T19喘879昨试愿样墓3紫410笛575猛34.抚5大262液25习02竭38陕159趁16何01膊60孕符欢合浅GB/易T19眼879幻试崭样盛4回435寸585用31筑204靠25予81渣79搁175绍16私71便66寒符刻合姻GB/侵T19悟879娃表歇7仓热压半远球后材惧质化学胖成分漫（姓%腿）骗化学元淹素披C体Si糠Mn狭S郊P准Ni另Cr蝴V该Als拴Ti断Nb凭Cu殿结论摊试吃样糠1雁0.1垃6质0.3倍5器1.5谈8吩0.0纪01竿0.0婆07讯0.0贱23岁0.0蝇36泰0.0蝴48佛0.0柿23荒0.0例10离0.0厉22柳0.0贼29谎符刮合恨GB/兰T19深879逆试样锤2狭0.1椅4克0.3羞5均1.5造8产0.0图01六0.0肾08维0.0粘21回0.0滚35中0.0篮52贱0.0肚24暮0.0冲09借0.0凉22棉0.0梢28盏符脏合仰GB/闯T19教879竿试滋样贯3毅0.1酬5党0.3堂4愿1.5床7欧0.0轰01央0.0乎08刻0.0马28遣0.0范35鸡0.0晨52功0.0喜24锯0.0邻09颜0.0耻22后0.0舅28户符姐合袄GB/蓄T19答879歌试秧样庸4呆0.1赤5竭0.3塑6欣1.5挥8叔0.0敢01粪0.0轨09盈0.0艇22初0.0虑35锄0.0荒52携0.0蚁24俭0.0蓄09醉0.0后23满0.0榨29凭符衬合椒GB/洲T19叶879纷表骗8事热压半喝球后实蹈物里氏拥硬度值省里氏硬昂度忧值酸HLD闪430问421失428糖432堤425狗427蓬.2梁(渐平均酷值纷)栽换算取成吓HB疮165油158望163聪166她161召162暗.6籍(坡平均身值惨)厚相当觉于均R默m杰（顾MP摧a鼓）叨529复551加570凯582然563唱569邮(兴平均背值瓣)认四、设律计完善宫由于半康球热压帮成型，扑实际最狡大减薄灵量摆为汉3.4处m最m汁，原预律估减薄距量厉为两4m右m扰左右。墙在设计弦时已考与虑这些许因素，旧将此部盏分材质拥由课Q34晕5GJ童C-Z错1美5宪改烫为龙Q39登0GJ绕C-Z毁1乓5茂，提高而了一个络强度等风级。愧国内建厅造船舶租钢结构模，在遇敞到缺材旅代材等调问题时仅，曾采区用择优泛选材的锐方法解叉决这个跃问题，枯即材料克牌号不搞一定选护用强度颂等级高耻一个级到别的牌签号，而融是在原烂牌号的两材料中易挑选替染代品攻，灾Q34路5晚改侮为桶Q39革0厌屈服强浊度提高初了膝13益%膀，而抗书拉强度勒相差不眼大，前表者送（脸490策-61亦0早）蓬MP陵a帽，后者紫（酬490贸-65叼0佳）拆MP壶a统，因此衔我们可野以在工昂厂库存情的奇Q34筑5GJ洋C-Z湖1毁5晃中逐张代钢板筛炮选，从五中选取询实测强拴度较高禁的钢板劈，作为厕半球用摄材，实筛现择优弊选材。估既解决嗽了工厂涝缺材问航题，也乌产生较驴好的经杏济效益忘。这里刃特别强百调一点肤，我们重在择优陵选材过非程中，剑必须得孩到验船能师或监家理现场欣见证。碗在半球义结构设滔计过程国中，设谱计部门箱充分考衬虑到因叮半球壁应厚减薄逢，带来炼承载力绳下降和稿局部需待要加强牲的问题怎，为保延证局部择的强度扭和稳定教性，在宏半球壳抹体内增耕设纵向击和横向逆加筋板案，且加允筋板的耳形式，林由起初泳的汽“膏工页”俊字型修息改赴为兽“Ⅱ埋”舰字型，温最终定验为技“像井艰”屈字型（卡见打图议8弦），并张要求加咳筋板磨或平顶紧奥，从而码达到局爆部加强怎的效果标，提高部了半球魄承载力蚕，实喷现句“灾球顶千合斤幻”醉。布图方8舅戒半球加秒强筋仓五、试君验分析毅与启迪设1阁．半球叨钢板用饭料不仅松要保证畏材质性跑能，而革且表面屋质量也自十分重杂要，它偏是保证处半球质略量的前财提，因臣此要严涂格按照炕标准加例强对钢宫板的进动货检验蔬，既要吧检验钢泽板的力社学性能特、工艺警性能和磁化学成盐分，也碑要检验典钢板的诵外观质卷量。吉2扣．圆板规坯料直那径依取堵D=鞋1.4辱14d梨+t熊1/放2哈是可行游的，热横压后半梁球几何刊尺寸基烧本符合凳要求，粉本次试些验半球屈端部需价切割的蛇加工余搭量伞约批25m绒m标。溉3蜂．半球逃热压过恩程相当毯于对钢劣板进行跳正火处塌理，除离其化学登成分不虚会变化贴外，从弯试验结苍果来看轧，半球淡材质力判学性能白基本稳建定波动傻不大，极强度略优有升高懒，冲击请韧性平弹均值有脱所提升拦，这是丰符合热删处理规亮律的。屯4停．为了止保证热厉压质量补，必须狂控制开愚始压制堂温度和屡结束压圣制温度依，开始知的压制潜温度决坏定于加刚热温度母，其高堤低由材刮料的成笔分和板膏厚决定穷，对厚积度缺15m子m菌至犬50m夏m争的低碳糊钢板为乞（斩100冶0-1读05奥0稻）皱℃粪；对较塌薄或较塘厚的低馅碳钢板络为葡110筒0摔℃狗左右；喂对低合递金钢板叼为津（乔900派-10魄0捎0职）厉℃鞭。加热具温度过楼高容易箩将材料肉烧坏，才温度过贯低不能哗起到加害热作用友。一般提低碳钢合、碳钢倘和低合诊金钢加基热至条（阿250诊-30池0倍）贩℃罢时，将躺使强度罩极限和倚屈服点次升高，殊而塑性牺显著下革降，这谁种现象质称为蓝匀脆，所湿以应避封免在蓝每脆温度拆下压制汇。碳钢乓（低碳丢钢）结遭束压制问的温度当一般不话低跟于犹75话0粪℃继，低合因金钢一峰般不低观于妖80臭0帝℃独，温度员过低会预使钢板遵发生冷只作硬化妨，出现裳裂纹。倚本次试航验我们归均用红障外线测片温仪测哥试和控革制温度默。旅5稍．热压亏成型后私半球壁欧厚较原袋材料板雁厚呈下膊降趋势吴，其中殖半球端拌部壁厚静不但没仁有减薄恶反而略傻有增加懒，端部倒附近壁减厚减薄坦不明显张。在纬佛度仿30村°殿以后，译壁厚明缘显减薄渗，减薄咱率随纬铲度的增兄加钢成圣“脂正贱比妈”阻的增加侨，超过永纬射度秋70岩°忙以后，送减薄率莫趋于一沉致