钢结构工程高效焊接工艺与抗震设计技术解决方案

南京长江三桥钢塔节段制造及整体预拼的三维仿形分析

悬索桥和斜拉桥中,主塔是支撑索的重要受力构件.而且,主塔呈直立状,高达数十米至二三百米,大型钢塔通常分成多节段在工厂制造,现场逐段吊装,故而垂直度精度要求较高,在制造上与呈水平状的钢梁有很大不同.另外,主塔的形状对悬索桥和斜拉桥的整体造型有很大影响,左右了桥梁整体景观效果(自身的形状美和与周边环境的协调美). 近代/现代悬索桥已有100余年的历史,斜拉桥的推广和发展也有50年.其中,悬索桥从1903年的美国Williamsburg桥至1998年的日本明石海峡桥(跨长1991m,塔高285m);斜拉桥从1955年的Str(o|¨)msund桥,至1999年的日本多多罗桥(跨长890m,塔高220m),基本上都采用钢塔.近20年来,出于主塔自身经济性的考虑,欧洲一些少量大跨度悬索桥和斜拉桥已开始采用钢筋混凝土塔,如英国的Humber桥(悬索桥,1981年,跨长1410m,塔高155.5m),法国的Normandia桥(斜拉桥,1995年,跨长856m,塔高203m),丹麦的Great Belt桥(悬索桥,1998年,跨长1624m,塔高254m).然而,基于钢塔具有重量轻,施工速度快,抗震性能好等优点,日本,美国,欧洲等地在设计主塔时,仍然优选钢塔. 我国自上世纪90年代以来,建成了数十座大跨度悬索桥和斜拉桥,都采用钢筋混凝土塔(RC塔).究其原因,除了单纯考虑主塔自身造价的因素外,还有设计和施工方面的原因,以及对钢塔制造和架设精度的担心.当然,在强震区,沿海和软土地区建设的大规模RC塔,也将面临着抗震性,耐久性的考验. 南京长江三桥(斜拉桥,主跨648m,塔高215m,已于2005年竣工)是我国建设的第一座钢塔斜拉桥.如何借鉴国外钢塔在设计,制造和架设等方面积累的经验,并结合我国的实际情况,建设好我国第一座钢塔,尤其是,使我国钢塔制造技术赶上世界先进水平,对我国钢塔今后的推广和发展具有重要意义,这也是本文研究的重点.这里,借参与南京长江三桥钢塔制造的机遇,对世界各国钢塔制造技术的演变和发展作一系统的回顾,对南京长江三桥钢塔的制造技术作一总结. 主要研究内容如下: (1)钢塔制造的发展历程及技术特点 100余年来,钢塔制造经历了从铆接结构向焊接结构的转变,伴随着,钢塔在结构,制造,节段连接和吊装等技术上也发生了巨大变化.尤其是为满足钢塔垂直度精度要求,求塔柱轴线方法的演变,以及塔柱节段制造,端面机械切削和预拼装检验方法等均有不断改进.到20世纪90年代末建设的日本明石海峡桥,多多罗桥和来岛大桥,钢塔制造已经把计算机控制的信息技术逐步融入传统的钢结构制造中. (2)南京长江三桥钢塔的受力状态再分析 斜拉桥是内外高次超静定结构,在自重,斜拉索垂直分力和水平分力,塔顶偏位,风载,温度差以及地震力等组合荷载作用下,钢塔是受压为主的压弯构件.因此,主塔的受力分析,结构设计和节段间的连接设计等也是制造加工方法和精度控制的重要依据.本章基于南京长江三桥的原设计资料,对钢塔受力状态进行了再分析,对钢塔柱节段之间的水平接头采用"端面金属接触+张拉型高强度螺栓"连接进行了设计,并与原先"端面金属接触+摩擦型高强度螺栓"连接设计进行了比较,以利于今后应用参考. (3)钢塔的制造(组装及焊接) 钢塔呈直立状,是支撑斜拉索的重要受力构件,考虑其结构特点,受力状态和架设方法等因素,参照日本明石海峡桥的钢塔制造精度标准,提出了南京长江三桥钢塔节段制造精度标准(断面边长误差≤±2mm,对角线误差≤±3mm,扭转误差≤3mm).基于此,设计了钢塔节段制造的思路;制定了一整套工艺方案,包括:下料尺寸,组装精度和焊接变形控制,焊缝设计等.采用上述合理的制造方案和工艺细节措施,使各节段断面尺寸,扭转变形,直线度(包括弧形节段的弧度)都控制在预定的精度范围内. (4)钢塔节段端面机械切削加工及精度管理 南京长江三桥每个钢塔柱共有22个节段,节段间采用"端面金属接触+摩擦型高强度螺栓"连接传力,这就要求每个节段有很高的端面机械切削加工精度,如:端面平面度≤0.25mm,粗糙度≤12.5μm,节段轴线与端面直角度≤20″(1/10000).然而,影响切削加工精度的因素很多,忽略其中任何一项因素都可能消耗掉所设定的精度误差,所以,需研究精确的精度控制系统.本章重点介绍了节段端面机加工系统和精度控制的方法.采用了API自动跟踪激光测量技术,再现节段自然状态的支点反力控制技术及精密机械切削技术,把计算机信息化技术用于传统的钢结构制造. (5)计算机三维预拼分析 即使单个节段都满足机加工精度标准要求,在现场逐段吊装时,如果各节段轴线与端面直角度的误差(20″)都在同一方向,塔柱的垂直度将会超过1/10000,何况安装时也会产生误差.另外,由于在室外进行二节段连续匹配预拼,难以避免过大的温度差的影响.如何预测钢塔的拼装精度,是令人担心的问题,也一直是世界各国孜孜以求的课题.本文利用API自动跟踪激光测量仪测量反映节段几何形状的特征点(端面角点)的三维坐标,模仿逐段架设状态,进行计算机3D仿真分析,直接输出轴线偏位,垂直度,塔壁错边量等各项误差.为实现这一技术,自编了计算程序,并对该程序进行了检验,取得了很好的应用效果. (6)钢塔架设概要 本章概要介绍了大规模钢塔的架设方法,南京长江三桥钢塔架设的实测精度.实测值,二节段连续匹配预拼测量值,与计算机3D仿真分析值有较好的一致性.

装配式钢结构住宅开口截面钢异形柱框架结构抗震性能化设计

随着我国经济的发展和科学技术的进步,在国家政策的支持下,钢结构住宅的应用越来越多,越来越广.目前在对钢结构住宅的实践和研究中,多以H形截面柱和箱型截面柱作为竖向支撑构件.然而,H形截面构件有强轴与弱轴之分,弱轴方向的刚度明显低于强轴方向的刚度;箱型截面构件节点处内部添加横隔板,制作工艺较困难,影响构件的焊接质量及力学性能.为此可引入开口截面钢异形柱来解决这些问题,开口截面钢异形柱解决了H形截面构件的强轴与弱轴刚度差异的问题和箱型截面构件内横隔板加工困难的问题,值得在钢结构体系中推广.在钢异形柱结构体系中,主要由L形,十字形,T形等截面形式的异形柱子作为竖向支撑构件.由于钢异型柱的特异性和不对称性,其力学性能,抗震性能与箱型和H形截面的钢柱相比存在显著差异.我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间,因地震灾难给我国造成了很大的经济损失和人员伤亡,迄今为止,还难以对地震做出准确的预报,地震带来的损害也就难以避免.因此,对钢异形柱结构体系进行抗震性能化设计有助于提高抗震设计的可靠性,避免在地震发生时造成的安全事故;也为钢异形柱结构体系的抗震设计提供依据,发挥钢异形柱产业的优势,推广钢异形柱结构体系在住宅产业中的应用.本文针对高层钢异形柱框架-偏心支撑结构的特性,提出结构的抗震性能目标,性能水准以及实施性能设计的目标.以某高层钢结构框架-偏心支撑结构体系为研究对象,利用设计软件PKPM-STS建立一个高层钢异形柱框架-偏心支撑结构模型.多遇地震作用和风荷载作用下,利用设计软件PKPM-SATWE与Midas Gen对钢异形柱框架-偏心支撑结构进行静力弹性分析,对比在两种不同的力学模型计算过程下钢异形柱-偏心支撑结构的周期及振型方向,位移比及位移角,剪重比及刚重比,剪切刚度比及楼层受剪承载力比等力学性能指标,为设防地震下的钢结构性能化设计提供准确的力学模型.在设防地震作用下,依据《钢结构设计标准》GB 50017的相关抗震性能化设计要求,利用设计软件PKPM-SATWE与Midas Gen对钢异形柱框架-偏心支撑结构进行抗震性能化设计,对比在两种不同的力学模型计算过程下钢异形柱-偏心支撑结构的位移比及位移角和剪重比等性能指标.通过设防地震与多遇地震的的对比结果,验证在设防地震作用下结构刚度变化,能否满足结构模型预设的性能化设计的目标.在罕遇地震作用下,利用设计软件PKPM-PUSH对钢异形柱框架-偏心支撑结构进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析,验证了结构需求谱与能力谱,结构模型在性能点的总体变形,结构的柱构件在非线性分析过程中塑性损伤,对性能点下基底剪力与小震基底剪力进行对比等性能指标,在罕遇地震作用下能否实现"大震不倒"的水准.本文研究成果可为钢异型柱框架-偏心支撑结构的抗震性能化设计提供依据,具有重要的基础理论意义及工程应用参考价值.

建筑抗震用低屈服点钢厚板的生产与应用

随着耗能减震技术在高层及超高层钢结构建筑抗震设计中的应用,用于制作消能阻尼器的极低屈服强度钢日益受到重视.通过合理的成分设计及轧制工艺,宝钢研制出可用于制作耗能阻尼器的系列低屈服强度钢,并成功实现了批量生产和工程应用.同时对其进行了包括力学性能,物理性能,焊接及应用等性能研究,论述了低屈服点钢应用技术的发展情况,为低屈服点钢的推广应用提供了借鉴.

高强度钢框架梁柱节点低周疲劳断裂性能试验研究

高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能是影响其抗震性能的关键因素,对于高强度钢结构的抗震设计及其在抗震区的推广应用至关重要.为研究受强震作用高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能,完成了4个高强钢框架栓-焊混接梁柱节点足尺试件的低周疲劳往复加载试验,包括2种不同的焊接孔形式和4种焊接工艺,测得各试件的断裂失效模态及承载性能.基于试验结果,分析了焊接工艺细节及焊接孔形式、钢材强度对高强钢框架梁柱节点断裂性能的影响,研究了这类节点的断裂失效机制.结果表明:当采用有效的构造改进措施,且翼缘焊缝质量得以保证时,高强度钢框架梁柱节点破坏前能承受较大的塑性变形,断裂性能良好.

非能动余热排出热交换器的关键焊接技术

余热排出热交换器(PRHX/PRS)是第三代核岛设备中的关键设备,其可靠性,稳定性对整个核电厂运行的安全性及经济性都非常重要.在AP1000,CAP1400以及ACP1000堆型中,非能动余排都占据了非常重要的地位.介绍了PRHX/PRS的设计参数及结构,主体材料及主要焊接内容,关键焊接技术.重点介绍了管板堆焊工艺,封头焊接工艺,管子管板封口焊技术,不锈钢框架及抗震组件工艺.管子管板封口焊技术采用不填丝自动钨极氩弧焊工艺,其难点在于管子壁厚较薄,焊接过程中控制不当,会使焊缝根部出现不连续缺陷.不锈钢框架及抗震组件焊接技术是一种重要的工程技术,在进行不锈钢框架及抗震组件焊接时,需要遵循一定的工艺流程和操作规范,以确保焊接质量和安全性.

美国新海湾大桥正交异性钢箱梁制造工艺

对美国新海湾大桥钢箱梁的三维空间变截面钢箱梁成型作了较为详尽的分析和说明。内容包括超厚U肋的制造,U肋板单元焊接变形控制,空间三维箱梁成形尺寸精度控制等。此工艺方案经过世界技术含量最高的美国旧金山奥克兰新海湾大桥项目的实践检验,证明此工艺具有实用、质量可靠、可操作性强和技术先进、合理及经济的良好效果。