建筑钢结构高建钢焊接加工技术的研究与应用立项建议书.docx

类别： 编号： 山东莱钢建设有限公司技术研发项目计划立项建议书项目名称：建筑钢结构高建钢焊接加工技术的研究与应用承担单位：济南莱钢钢结构有限公司协作单位： 项目负责人：郝正旺 编制日期： 2013年 2 月 22 日山东莱钢建设有限公司技术中心制订填 报 须 知一、按要求内容详细填写，各内容不得空缺,无实际内容时填“无”。二、填报说明：1、项目名称：科学规范、简单明确的中文名称。2、上报提交材料两份及电子文档；统一用A4复印纸。3、按照给定格式编写，除封面外文字叙述部分用小4号仿宋字。 4、封面、封底用白纸简单装订，勿用塑料封皮。三、本建议书未尽事宜，可另附材料说明。一、项目的目的及意义1、项目来源和依据随着国内外建筑行业的迅速崛起，钢结构行业的蓬勃发展，为了追求低成本、高利润，追求更多的剩余价值，建筑行业逐步朝向高层、超高层发展。因此，必须采用强度高、承重能力强的高建钢作为钢骨架。随着社会的进步、焊接技术突飞猛进的发展以及人们对建筑功能和建筑美学要求的不断提高，各种造型灵活、结构力求创新的建筑物层出不穷。而高建钢凭借自身的优点恰好能够满足人们的要求。近年来，国产高性能建筑结构用钢由于其优良的力学性能，特别是强度对厚度的不敏感性，在国内大跨和高层建筑钢结构中得到了越来越多的应用，但现行相关设计规范中仍缺乏其基于设计可靠度分析的合理设计指标。高建钢常用作厚壁H型钢柱，其残余应力分布对构件承载力影响较大，是分析高建钢基本构件设计可靠度的关键因素之一。本文采用工程跟踪研究，对50100mm厚高建钢Q345GJ焊接H型钢的纵向残余应力进行研究。明确了高建钢厚壁焊接H型钢的残余应力分布规律。高建钢具有易焊接、抗震、抗低温冲击等性能，主要应用于高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程。高建钢板与普通碳钢或低合金钢板相比，屈服强度设定了上限，抗拉强度有提高，对碳当量、屈强比指标有要求。高建钢通常情况下都是用中厚板轧机生产的，但也不排除用炉卷轧机和热连轧机组生产。高建钢板主要是部分特厚板、厚板、中厚板、中板等。一般来说，高层建筑用结构钢板的厚度为10100mm，宽度为16003500mm，长度为600018000mm。2、项目的目的及意义高层建筑用钢受力情况复杂，要求具有安全可靠性高、使用寿命长，并能够抵御一定的地震烈度的破坏等特点，这就决定了高层建筑结构用钢板要求具有一定的特殊性能，主要有以下几点：（1）能够抵御一定地震力的破坏，要能防震和抗震。为此钢板不仅要具有足够的抗拉强度和屈服强度而且要具有较低的屈强比。低的屈强比能够使材料具有良好的冷变形能力和高的塑性变形功，吸收较多的地震能，提高建筑物的抗震能力。（2）要具有良好的焊接性能，做到焊前不需预热，焊后不需热处理，以便于现场施焊，从而减小劳动强度、提高劳动效率。（3）要具有较高的塑性和韧性，以使钢板具有良好的力学性能。 国标GB/T19879建筑结构用钢板中对Q345GJC高建钢板的化学成分和机械性能要求如表1、2所示。表1 Q345GJC的化学成分要求/%CSiMnPSAlsNbTiCEV0.200.551.600.0250.0150.0150.0150.0600.0100.0300. 44表2 Q345GJC的机械性能要求ReL/MPaRm/MPaReL/RmA/%-20KV2冷弯Max4656100.83d=2a，完好Min3254902234（4）要具有较小的屈服强度波动范围。屈服强度变动范围大时，建筑物各部分之间屈服强度的匹配可能与设计要求值不同，容易产生局部破坏，降低建筑物的抗震性。因此，日本标准中规定屈服强度波动范围不大于120MPA。（5）采用焊接连接的梁与柱节点范围内，当节点约束较强、并承受沿板厚方向的拉力作用时，要求钢板必须要具有一定级别的抗层状撕裂能力。在国内将住宅建筑大于24m者为高层建筑；建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。在美国，24.6m或7层以上视为高层建筑；在日本，31m或8层及以上视为高层建筑；在英国，把等于或大于24.3m的建筑视为高层建筑。不论高层还是超高层在考虑抗震效果和整体承载力时，所采用的最佳钢骨材料为高建钢。在国外，尤其是地壳活动比较频繁的地区，其建筑大部分均采用高层建筑用钢，像日本仅仅一个季度的建筑钢材用量就在735万吨，其中大部分就是高建钢。在国内的建筑代表以国家体育场鸟巢最为经典。另外正在进行施工的沈阳世茂五里河工程所用的大部分钢骨为高建钢Q345GJC。鸟巢”使用的钢材材质绝大部分为Q345D和Q345GJD钢材，局部受力大部位采用了Q460E钢材。奥运会主体育场国家体育场“鸟巢”设计用钢量4.2万吨，是目前国内外体育场馆中用钢量最多、规模最大、施工难度特别大的工程之一。尤其是巢结构受力最大的柱脚部位，材料的好坏、焊接质量的高低直接影响到整个工程的安全性。设计中除采用了高强度的Q460钢材外，还采用了高建钢Q345GJD。 钢结构建筑的优点主要有：大大节约施工时间，施工不受季节影响；增大住宅空间使用面积；减少建筑垃圾和环境污染，建筑材料可重复利用；拉动其他新型建材行业的发展；抗震性能好；使用中易于改造、灵活方便；给人带来舒适感等等。二、国内外研究发展现状分析及趋势1、国外相关技术或产品的发展现状及趋势随着科技的进步，工业化水平迅速发展，钢结构产业更是再上一层楼。在高层、超高层的建筑中高建钢发挥了其高塑形、韧性和承载荷，低成本的优点，受到各个建筑行业人士的青睐。国外高层、超高层钢结构建筑自19世纪末，开始发展并慢慢占据高层建筑主导。发展至今，已经形成了完善的钢结构体系。第一阶段：20世纪初期国外，现代形式的钢结构超高层建筑稳步发展。纽约帝国大厦（图1）始建于1930年3月，是当时使用材料最轻的建筑，建成于西方经济危机时期，成为美国经济复苏的象征，如今仍然和自由女神一起成为纽约永远的标志。曾为世界第一高大楼和纽约市的标志性建筑。 是世界七大工程奇迹之一，在世界贸易中心在911事件倒塌后，继续接任纽约第一大楼的头衔，直到自由塔建成。和巴黎的埃菲尔铁塔、东京的电视塔同被誉为世界三大著名建筑。第二阶段：20世纪中叶，高层、超高层钢结构建筑开始突飞猛进、迅速崛起。东京电视塔（图2）1958年12月建成。塔高333米，占地2118平方米。这座日本最高的独立铁塔超过了法国巴黎的艾菲尔铁塔13米，使用的建筑材料是艾菲尔铁塔的一半，造塔费时不到艾菲尔铁塔施工时间的三分之一，在当时震惊了全世界。西雅图太空针塔（图3）位于西雅图的太空针塔是西雅图的地标之一，太空针塔是为1962年在西雅图举行的世界博览会所设计的，如今已成为西雅图的标志之一。太空针塔的高度有605英尺，离地面五百二十英尺高度的瞭望台和旋转餐厅能提供俯看西雅图360度的全景。太空针塔塔高184米，最宽处宽度为42米，总重9,550吨。圣路易斯拱门（图4）座落在密苏里州圣路易斯，有将近200米高，跨度也是将近200米，和高度完全一样。 是著名建筑设计师伊洛萨里嫩于1940年一次设计竞赛中设计的。直到1963年2月才开始动工，1965年10月完工。拱门坐落在密西西比河畔，被人们誉为通往美国西部的大门。拱门系用钢板制成，恰似一道长虹冗然飞架于大地之上。它被阳光照射的地方，是那样夺目，被阴影遮盖的部分，又显得那样雄伟坚强。凡是亲眼见过圣路易弧形拱门的人，无不对它的壮观形象留下深刻印象。第三阶段：20世纪末至今，高层、超高层建筑又上一个台阶，建筑行业逐步开始追求高、精、尖。阿拉伯塔酒店（图5），全世界最豪华的酒店当数阿拉伯联合酋长国境内迪拜的帆船（Burj Al-Arab）酒店，翻译成汉语又称“阿拉伯塔”，又叫做“阿拉伯之星”。它是世界上第一家的7星级酒店。位于中东地区阿拉伯联合酋长国迪拜酋长国的迪拜市。饭店的建设始于1994年，并于1999年12月1日正式开放。建筑的外型如同独桅帆船型(Dhow 阿拉伯式帆船)。饭店顶部有一座直升机机场，在从饭店的另一边延伸，在海上一家透过悬臂支撑的餐厅被叫阿蒙塔哈( 阿拉伯语意思是最高或者极限)。在建筑物内部有一个世界上最高的中庭，其高180米，它以铁弗龙涂料玻璃纤维纺织布围帆船的“两翼”而成。帆船酒店的工程花了5年的时间，使用了90000吨钢铁，并把250根基建桩柱打在40米深海下。饭店由英国设计师W.S. Atkins设计，外观如同一张鼓满了风的帆，一共有56层、321米高，是全球最高的饭店，比法国艾菲尔铁塔还高上一截。双子塔（图6）是马来西亚首都吉隆坡的标志性城市景观之一，是世界上目前最高的双子楼。双塔大厦于1998年完工共88层，高1483英尺(452米)，它是两个独立的塔楼并由裙房相连。独立塔楼外形像两个巨大的玉米，故又名双峰大厦。双子塔的设计风格体现了吉隆坡这座城市年轻、中庸、现代化的城市个性，突出了标志性景观设计的独特性理念。双子塔曾经是世界最高的摩天大楼，直到2003年10月17日被台北101超越，但仍是目前世界最高的双塔楼，也是世界第四高的大楼。楼高452米吉隆坡国家石油双塔大厦号称目前世界上最高的纯钢结构建筑(外层材料为不锈钢和玻璃)。图1 纽约帝国大厦 图2 东京电视塔 图3 西雅图太空针塔图4 圣路易斯拱门 图5 阿拉伯塔酒店 图6 吉隆坡双子塔2、国内相关技术或产品的发展现状及趋势我国钢结构虽然起步比较晚，但是起点高，立足于世界先进试验设备和成熟的加工经验之上，综合国内实际现状，使我国的钢结构事业有了突飞猛进的发展。近年来，钢结构事业在我国遍地开花，蓬勃发展，尤其在高层、超高层方面已逐渐有了自己的一整套加工制作体系。在此基础上，我国采用不断地创新、完善各种规范和技术标准使得钢结构产业以处于世界领先地位。国家体育场鸟巢(图7)位于北京奥林匹克公园中心区南部，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米，高69米。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为4.2万吨。其钢材除使用我国自主创新研制的Q460外，还使用了大量的Q345GJ，钢板厚度大，焊接难度、强度大，构件翻个难度大，安装定位较难。但是我们采用了合理的中厚板加工工艺，最终保证工程的顺利进行。并成为具有地标性的体育建筑和奥运遗产。国家大剧院（图8）中心建筑为半椭球形钢结构壳体，采用大量的高建钢。大剧院东西长轴212.2米，南北短轴143.64米，高46.68米，地下最深32.50米，周长达600余米。由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米。歌剧院是国家大剧院内最宏伟的建筑，以华丽辉煌的金色为主色调。国家大剧院整个壳体钢结构重达6475吨，东西向长轴跨度212.2米，是目前世界上最大的穹顶。图7 国家体育场鸟巢 图8 国家大剧院3、建设公司已有的可用于项目的工艺装备现状及研究手段“十一五”期间，建设公司积极拓展国内外及省内外市场，取得了良好的业绩。近2年来济南钢构主要承揽的国内外高层钢结构建筑工程见下表2。工程均达到优秀标准，其中山东科技大厦工程获得中国钢结构金奖，上海企业发展大厦获得“金刚奖”特等奖，济南鲁邦国际广场正在申报“鲁班奖”，勒泰中心工程正在申报“鲁班奖”。因此，济南钢构对于高层建筑钢结构的加工技术积累丰富的实践经验，为进一步研究200m以上超高层建筑奠定了一定技术基础。表2 高层钢结构建筑序号工程名称工程地点建筑规模(m2)建筑高度（m）总用钢量结构形式1山东科技大厦工程济南56000743120t钢框架箱型柱2上海企业发展大厦工程上海54200995600t钢框架支撑体系3昌乐县齐城商会大厦昌乐72000103.581500t钢结构圆管柱4济南鲁邦国际广场济南9000097.63300t钢结构圆管柱5尼日利亚董氏集团WEMPCO酒店拉格斯2600054.232000t钢结构圆管柱6勒泰中心工程石家庄625285钢结构箱形柱7沈阳世茂五里河工程沈阳407948242.852500t钢结构型钢柱目前公司内有实践场地面积3.36万平米，可供成品喷漆和周转的露天跨面积1万平米，月加工能力可达5500t。高精度的数控切割机3台，最长切割距离可达30米，50钻床、80钻床各一台。场地内行车数量共10余台，单台行车最大起重量为32t，数控平面钻床5台，数控三维钻床3台，铸铁加工平台3台。设备和场地初步具备了加工高精度构件的能力，可以满足研发及生产要求。另外拥有埋弧焊接设备10台，龙门焊接设备4台且配备了双丝埋弧焊盖面，大大提高了生产效率，节约了劳动成本。三、已有的研究开发技术基础1、对该项目已经做的前期技术工作项目研究人员已有多年的钢结构设计、技术、加工经验，从建厂到现在承接了国内外大大小小的工程近百个，具有切实可行的钢结构加工工艺和丰富的操作经验。公司内一部分操作人员获得“日本焊工考试的专业证书”及美国焊接协会颁发的“ASME认证证书”，曾做过勒泰中心工程超高层建筑，将参加“鲁班奖”的评选。该研发项目是基于正在进行的沈阳世茂五里河工程，其完美的设计、精致的加工、准确的安装，为该项目研发成功做好了铺垫。2、参与项目的人员构成及能力分析项目组成员来自于基层专业技术管理人员，集管理、设计、工艺、质量于一体的专业团队。工作态度严谨认真，都有着较为丰富的钢结构加工经验。大部分人都曾经参与了“圆形料场堆取料机金属结构制造及工艺的研究与实践”、“复杂空间结构钢结构加工的研究与应用”、“高密体育馆弧形梁工程等钢构件空间定位的研发”、“勒泰高层建筑钢结构加工技术的研究和应用”等研发项目。项目主要参与人员名单如下表3：表3 研发人员名单序号姓名学历职称备注1郝正旺大学工程师项目总负责2刘效辉大学工程师管理3朱宝才大学工程师管理4宋玉雪大学工程师设计5王金鹏大学助理工程师工艺6王伟州大学助理工程师工艺7鹿宁技校工程师质检8王贵技校技师生产管理3、合作单位的能力分析及承担的工作1) 项目总负责人主要负责内外沟通、指导研究方面、决定研究进度和内容。2) 管理主要负责人员设备的安排统筹及对项目所有人员的监督管理。3) 设计、工艺、质检只要负责技术方面的问题，指导生产，质量控制等。4) 生产管理主要负责生产调度及统筹安排加工制作，保证项目的顺利进行。四、研究内容与技术路线1、实施的具体内容和技术路线。适逢我公司签订了沈阳世茂五里河工程，本工程构件为典型高建钢并且板厚全为中厚板。沈阳世茂五里河工程地处原五里河体育场地块，建筑设计新颖独特、外观宏大、服务设施配套齐全，建成后将成为沈阳的地标性建筑和商业中心。1) 研究超高层建筑高建钢的结构设计特点。超高层结构由于其高度所导致一系列不同于与普通建筑结构的受力特点，其自重大、抗震要求高、对风荷载更加敏感，各方向所受载荷较为复杂。现代超高层建筑结构体系主要分为：框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系、筒体体系几大类。沈阳世茂五里河工程由北京市建筑设计研究院有限公司设计，研究其结构设计特点，分析其受力特点，可为图纸的进一步深化设计、生产加工钢构件提供理论支持。2) 结合制图软件，确定节点，进行设计。运用Autodesk CAD、Tekla Structure17.0软件，根据建筑和结构设计图纸，对沈阳世茂五里河工程搭建三维模型。超高层建筑连接形式复杂，构件数量、类型繁多，容易造成加工图纸设计难度增大，构件的生产效率低，现场工程管理工作量增大。为解决问题，要在深化设计前制定好图纸方案，并根据受力要求细化设计节点连接形式，根据安装现场吊车载荷和运输情况制定钢柱分节方案。3) 结合结构设计和深化设计图纸，研究超高层高建钢的加工工艺。超高层建筑的构件吨位重、体积大，多采用50100mm高建钢中厚板。为确保加工质量，要结合公司现有设备、技术水平等，制定全面的加工工艺。考虑起重设备承载能力，制定构件运输方案、吊装方案；对厚板的焊接进行专项工艺评定，制定冬季施工方案；根据构件栓焊连接特点，加强组装管理，确保加工精度。4) 现场检测、验证加工构件质量，满足超高层建筑钢结构的要求。使用先进的检验及测量设备，随时跟踪现场安装数据，调整构件加工误差，解决高层累计误差。根据结构受力要求，对焊缝进行无损检测，防止出现裂纹等焊接缺陷。2、技术创新点、关键技术和关键工艺1) 研究建筑钢结构中、厚板焊接加工技术的特点。2) 分析中、厚板焊接加工技术的难点。3) 结合生产实际，制定中、厚板焊接加工的工艺。4) 优化改进中、厚板焊接过程焊前、焊中、焊后的各项工艺措施并推广。3、产品外观图、结构图和原理图图9 沈阳世茂工程T3地下部分结构图 图10 沈阳世茂工程T3地下部分平面布置图4、实施方式消化、吸收再创新五、项目研究进度安排项目研究进度计划：1. 2013年1-2月：研究图纸，研究建筑钢结构中厚板焊接设计要求及特点。2. 2013年3-5月：根据节点形式，研究确定焊接加工工艺，进行各项生产试验。3. 2013年6-9月：结合结构设计和深化设计图纸进行生产、检验、现场验证。4. 2013年9-12月：总结工程效益及在中、厚板钢结构领域推广。六、研究开发预期目标1、达到的技术性能指标和参数圆满完成沈阳世茂工程，使之成为沈阳标志性建筑。经过权威部门检测，检测数据达到预定要求。2、形成的主要技术成果完善“沈阳世茂五里河”工程的设计方案，形成沈阳世茂五里河工程专项加工工艺1篇。成熟掌握钢板厚度超过50mm的钢结构的焊接加工技术，拥有承揽超大型钢结构项目的加工实力。七、项目资金预算1、项目总资金与年度资金预算：总资金11.5万元，年度资金预算11.5万元。2、资金使用范围和资金使用明细表 表4技术研发项目经费预算汇总表 单位：万元序号项目内容预算数额备注1试验设备费4万元2学习培训考察费2万元3试验费4万元4其他费用支出1.5万元合计11.5万元