钢结构圆管柱两类斜牛腿的制作工艺及安装分析与研究

钢结构圆管柱两类斜牛腿的制作工艺及安装分析与研究
提要：钢结构圆管柱是场馆类等大跨度建筑中常用到的结构部件，而为实现建筑外形的多样
化话及良好的视觉效果，常常是圆管柱有一定角度的倾斜，导致与柱连接的梁出现不同方向
的倾斜，在生产和制作的过程中采用斜牛腿的形式。

本文通过对两类斜牛腿的制作工艺进行
分析和探究，选择出最实用的加工方法，提高效率的同时为类似工程部件的加工制作提供有
益的参考。

关键词：圆管柱斜牛腿制作工艺
一、引言
钢结构因其材料强度高、自重轻等优异性能，在工业、民用等建筑上广泛使用，特别是在建
造大型厂房、大跨度场馆等对造型独特的建筑。

其中圆管柱斜牛腿一般因建筑造型的需要使
柱子倾斜而导致的，使在该类构件在加工制作的过程中有较大的难度，工艺上必须严格控制，材料制作尺寸精度要求高，焊缝质量要求严格。

本文通过对两类不同方向斜牛腿多种加工方
法进行分析对比，选择最适用于该类构件的加工制作方法，旨在为类似构件的制作提供有益
的产考。

二、工程简介
济南华侨城绣源河文旅综合项目一期城市展示中心部分，整体外形呈椭圆状，长度方向
126m，宽度方向100m，建筑高度23.5m，共3层。

采用32根钢结构圆管柱实现椭圆状，圆
管柱规格为Φ1070*16，与之想连接的钢梁包含H750*500*28*32、H600*400*32*40、
H600*500*24*32等7类，材质均为Q345B。

种类较多导致工厂制作的难度大，尺寸精度不易控制。

构件及零件如图1，图2，图3所示。

图1 两类牛腿的结构形式
图2 两类牛腿零件示意图
圆管柱斜牛腿的结构形式：
圆管柱由四段管径、壁厚相同的钢管通过工厂制作，现场对接焊接连接成整体，每一个分段
上都有牛腿及对应的内个板。

如图1，图2，将H型钢牛腿的平面中心线是否在同一平面内
将牛腿分为两类，一类为在同一平面内，为牛腿1，；另一类不在同一个平面内，为牛腿2。

这两种牛腿在制作、焊接、安装上都有一定的难度，现已工程实例你参照，对比分析最合适
的制作方法。

三、圆管柱斜牛腿制作工艺探究
通过对本工程中23.5m倾斜圆管柱的制作和安装过程的存在的实际了解，结合工厂加工制作
及现场安装的控制要点和难点，并对比文献中的制作加工方法，得出最符合实际情况的制作
工艺和安装方法。

（一）圆管柱斜牛腿制作的重难点
（1）圆管的椭圆度精确控制
圆管柱椭圆度对安装精确对接有很大的影响，保证椭圆度能实现安装的精确对接，减少纠偏
措施的使用，是材料进货及加工制作中控制的重难点。

（2）精确的划线定位控制
在保证组成圆管柱斜牛腿各零件制作精度的基础上，严格要求各零件按深化设计位置进行有
序的组装和焊接，保证各部分定位尺寸和各端口尺寸制作中控制的重难点。

（3）焊接质量的控制
圆管柱斜牛腿节点上的焊缝种类多，焊接量大，选择合理的焊接方法和装配顺序，在焊接过
程成必须严格控制焊接变形，并应做好出厂前焊缝的检查和变形量的测试。

（4）安装过程错边量及总长度控制
斜牛腿与不同方向钢梁连接后形成整个展示中心受力体系的一部分，而牛腿与钢柱连接部位
是应力与变形的集中点，设计是在牛腿对应圆管柱内设置内隔板。

工厂制作时采用分段制作，现场分段安装的方式进行，在合拢焊接中确保端口尺寸、错边量及总长度是制作和安装中只
控制的重点之一。

（5）圆管柱斜牛腿节点各类板厚为25~50mm不等，所以厚板焊接工艺及质量也是工厂制作中控制的重点。

（二）圆管柱斜牛腿制作工艺探究
本场馆工程中从负一层以上外圈柱均为圆管柱斜牛腿的节点，针对制作和安装过程中的重点
难点，对工艺探究进行阐述。

（1）节点详图深化
为保证圆管柱斜牛腿的零件及构件尺寸精确及便于现场安装，要求详图深化给出零件的尺寸，坡口形式和焊接要求，并给出每个斜牛腿在圆管柱上的三个定位点，便于拼装和精度控制。

（2）切割下料的要求
本工程采用Q345B钢材，板材采用直线切割机下料，不规格零件采用数控切割机下料，圆管采用卷板机进行卷板机埋弧焊进行焊接。

（3）焊接工艺要求
1）下料完成后应合理布置焊接顺序，先进行收缩量大的焊缝焊接和组装，后进行收缩量小
的焊缝焊接，提高焊接质量，保证构件尺寸。

2）两段圆管对接焊接两条相邻的纵向焊缝相互错开距离不小于100mm，且不得出现十字型
焊缝。

3）焊接采用衬板时，衬板应符合相应要求且必须与焊件贴合紧密，焊接中使焊流熔如衬板中，提高端部焊接质量。

4）手动直线焊接时应保持焊接匀速，选择技能好的焊工，避免焊接质量通病的发生。

（三）制作工艺对比分析
由于运输条件及现场安装条件限制，圆管柱采用分段制作，现场逐段合拢的方式进行工程的
完成。

同时分段制作也为内隔板及销钉焊接提供一定的方便。

现对比分析两类斜牛腿的安装，然后选择最实用的方法进行制作组装。

（1）牛腿零件装配法
该方法的主要步骤如下：
1）将下料完成的牛腿零件及焊接好的分段圆管布置在工装台上，并进行零件尺寸的校核； 2）定位牛腿各零件在圆管上的位置，并精确划线，对控制点进行特别标注；
3）先进行牛腿零件的定位焊，定位焊完成后检查零件的位置，有偏差的零件重新进行定位和定位焊接。

4）严格按照设计要求斜牛腿零件及与圆管柱见其余焊缝的焊接；
5）进行内隔板的定位及焊接工作，注意做好管内的通风措施。

6）对焊接完成后的一级焊缝进行无损探伤，合格后方能进入除锈和涂装工序。

（2）牛腿整件装配法
该方法的主要步骤如下：
1）将下料完成的牛腿零件布置在工装台上，并进行零件尺寸的校核；
2）对牛腿各零件进行组装，并进行定位焊及其余焊缝焊接；
3）将焊接完成的牛腿在圆管上进行定位及定位焊，后焊接牛腿与圆管间的焊缝。

4）进行内隔板的定位及焊接工作，注意做好管内的通风措施。

5）对焊接完成后的一级焊缝进行无损探伤，合格后方能进入除锈和涂装工序。

（3）安装方法的对比分析
牛腿整件装配法和牛腿散件装配式法相比，由于先使小部件的牛腿形成一个整体，再与圆管柱装配成一个整体。

在牛腿装配的过程中能有效的控制牛腿的焊接质量和尺寸精度；在安装完成上也能进行不同工人的分工制作，最后完成圆管柱斜牛腿的安装。

而散件拼装法一次集中部位焊缝量大，焊接变形不易控制，故一般采用牛腿整件装配法进行这类型牛腿节点的制作。

完成后如图4所示。

图3 圆管柱斜牛腿制作完成示意图
四、结语
以两类圆管柱斜牛腿制作工艺为例，通过对该类型节点工厂制作工程中的重难点、工艺可操作性分析及两类装配工艺的对比和分析，得出各类型节点采用牛腿整件装配法是最有效控制焊接变形、制作尺寸的有效方式，并通过工厂实际进行了工艺的检验，对后续及类似工程结构节点的加工制作具有有益的参考和指导意义。

参考文献：
[1] GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2001.。