东京晴空塔：世界最高自立式电波塔的高强度圆形钢管制造工艺

日本东京晴空塔是世界上最高的独立式无线电塔。晴空塔不仅高，而且高宽比也很大。因此，当地震和暴风雨发生时，作用在塔楼钢构件截面上的力也会增大。因此，必须采用高强度、大截面钢材，钢结构的工厂生产和现场生产都必须采用焊接方法。东京晴空塔的主要钢管构件是厚板弯曲加工的UOE钢管、压弯钢管、轧制钢管等高强度圆钢管。为保证良好的焊接性，晴空塔用圆钢管焊接裂纹敏感性参数为Pcm≤0.30%、YR≤95%。东京晴空塔的高强度圆钢管采用屈服强度为630MPa的厚钢板，采用离线淬火（根据需要进行两相区淬火）-回火或两相区正火工艺代替两相区-相区淬火，引入一定比例的回火马氏体和回火贝氏体较硬的岛状马氏体硬质相，使钢板的YR较低，实现低Pcm。

1前言

日本是一个地震多发国家。经历多次大地震后，通过对地震受损建筑物的调查研究，明确了钢材及其组合材料的抗震性能要求。近年来，随着钢材制造和连接技术的进步，符合抗震要求的建筑结构钢材已推广到符合日本工业标准（JIS），并开发出具有优异抗震性能的新型钢材。

东京晴空塔是世界上最高的独立式无线电塔。东京晴空塔在建造过程中使用了基于先进制造技术的钢材和连接技术。于2012年2月竣工，同年5月投入运营。本文简要介绍了东京晴空塔所采用的新型高强度特厚钢材的特点和制造方法。

2东京晴空塔概要

东京晴空塔的中心是一根直径8m的钢筋混凝土圆柱形核心柱。核心柱外侧为圆钢管组成的桁架结构。塔顶是增益塔，装有天线。东京晴空塔的结构轮廓如图1所示，核心柱与外围桁架分离，形成减振结构。当地震发生时，核心柱和桁架分别产生晃动，以减少塔的整体晃动。

塔基为边长68m的扁等边三角形，从基部到高315m逐渐变为圆形。等边三角形基础的每个角都是由四根主柱组成的三脚架形桁架。三个三脚架形桁架通过水平平面结构连接。

3东京晴空塔使用的新型钢材

3.1 晴空塔的钢材要求

晴空塔的设计可确保发生大地震和风暴时的安全。传统高层建筑的设计并未考虑这些级别的大地震和风暴。东京晴空塔、埃菲尔铁塔、东京铁塔使用的主要材料和连接方法如图2所示。埃菲尔铁塔的高宽比（塔高/塔宽）为3，而东京晴空塔的高宽比非常大9. 由于晴空塔不仅很高，而且高宽比也很大，所以当地震或暴风雨发生时，作用在塔的钢构件横截面上的力也变大。因此，必须采用高强度、大截面钢材，钢结构的工厂生产和现场生产都必须采用焊接方法。根据以上分析，晴空塔钢管构件的性能要求如下。

1）高强度：400MPa、500MPa、630MPa级高屈服点；

2）大口径特厚钢管：钢管最大壁厚100mm，最大外径2300mm；

3）高韧性：适合户外、高海拔使用环境；

4）可焊性高：现场焊接时预热温度低。

为了满足塔构件在地震和暴风雨期间保持在弹性范围内的要求，晴空塔所用材料不要求满足一般建筑结构钢的低屈强比要求，YR≤80%，圆钢管，YR≤85%。

为了进行特大口径圆钢管的现场焊接，对钢管截面尺寸的要求远高于通常的JIS G3475《建筑结构用碳钢管STKN》的要求。

表1为东京晴空塔使用的屈服点为400MPa、500MPa、630MPa的高强度圆钢管的相关数据。与常规圆钢管STKN490B相比，晴空塔用圆钢管夏比冲击功更高（vE0℃≥70J，630MPa级钢管vE0℃≥47J）。并且为了保证良好的焊接性，晴空塔用圆钢管焊接裂纹敏感性参数Pcm≤0.30%。但晴空塔所用圆钢管的YR小于或等于95%。每个钢铁制造商都已获得国土交通大臣的认证，以便生产满足这些要求的晴空塔钢材。

表2列出了东京晴空塔塔体所使用的钢结构材料及其使用地点。最大的圆形钢管（图3）用于三脚架的基础。钢管外径2300mm，壁厚100mm，屈服点500MPa。由于钢管构件从制造厂到施工现场的运输限制以及施工现场起重能力的限制，钢管构件的重量被限制在30吨以下。增益塔底部与塔体连接处采用屈服点630MPa的高强度钢管。

3.2 高强度圆钢管的制造方法

按制造方法分，圆形钢管包括：不带焊接的无缝钢管、热轧带钢制成的电焊钢管、螺旋焊管、用焊接方法制成的厚钢板制成的UOE钢管、弯曲钢管、和轧制钢管。 。

东京晴空塔的主要钢管构件是厚板弯曲加工的UOE钢管、压弯钢管、轧制钢管等高强度圆钢管。图4所示为UOE钢管和压弯钢管的制造方法。

UOE钢管的制造方法是将厚钢板切割成规定宽度并加工坡口，然后在U型成型机上将钢板冲压成U型，然后用O型成型机制作将钢板切成O形，然后进行坡口。内外焊接。焊接后，用扩管机将钢管扩径至规定的钢管尺寸。

弯曲钢管和辊压钢管是UOE等方法难以制造的大口径厚壁钢管。压弯钢管的制造方法是将厚钢板切割至规定宽度并加工坡口。然后，用冲压机将钢板端部弯曲并冲压成圆柱形，并焊接坡口。根据板厚和外径的不同，压弯钢管的制造方法有冷成型、温成型和热成型，其中热成型是将钢板在加热炉中加热到规定温度后成型。

滚压成型钢管的制造方法是利用压力辊将钢板压制成圆筒形状，后续的制造方法与压弯钢管的制造方法相同。

钢管成型后，有时为了达到最终的力学性能要求，必须将钢管装入加热炉中，在规定的温度下进行加热、均热、冷却的应力消除处理（SR处理）。

3.3 高强度圆钢管用厚钢板的组织控制

普通建筑结构用抗拉强度为490MPa的厚钢板采用常规轧制方法在轧制状态下使用。 490-590MPa级（TMCP325-385）特厚钢板采用控轧。

结尾