異型空間結構產品研究

黃戴春 馮爾云 朱美寧 靳毅 馬龍

摘要：異型空間結構建筑產品廣泛應用于大型體育館、展覽館、游泳館、機場、火車站、圖書館等大跨度空間結構。大跨度異型空間產品結構不規(guī)則、曲面變化多樣性、突變性，受力研究分析及安裝工藝復雜，借助國內外先進設計分析軟件及虛擬制造安裝軟件，進行設計研究及虛擬設計安裝研究，能夠有效的進行結構優(yōu)化設計，制造安裝虛擬工藝研究，有效的降低設計、施工、管理成本，為企業(yè)及社會創(chuàng)造經濟效益。

關鍵詞：鋼結構；異型空間；桁架；工藝；制作；安裝

Different spatial structure products research

Abstract： the alien space structure building products are widely used in the large stadium， exhibition center， swimming pool， airports， railway stations， libraries and other large span space structures. Large-span space alien product diversity of irregular structure， surface changes， respectively， the stress analysis and complex installation process， with the analysis of domestic and foreign advanced design software and virtual manufacturing installation， design research and virtual design installation， can be effective for structure optimization design， manufacturing installation virtual technology research， effectively reduce the cost of design， construction， management， create economic benefits for the enterprise and society.

Key words： steel structure； Alien space； Truss； Process； Production； The installation

1 工程概況：

某海洋公園展覽館建筑面積為2256㎡，該工程長48m，寬47m，為單層鋼結構張拉膜結構，最低檐口及屋頂標高分別為14.754m、19.700m，工程主體鋼構由18根直鋼管柱和4根標高不一致異型弧管鋼柱及與之相貫的大跨度管桁架及異型圓管組成，異型管桁架鋼梁最大跨度為48m，且為弧形橢圓線型結構，最大弦高為7.4m，最大單重為12.92噸，最大管徑規(guī)格為φ325×16，異型桁架主管拼縫為帶襯板全熔透焊接，主管和支管為坡口熔透焊接，由于管跨度較大，焊接拼接節(jié)點較多，容易產生焊接平面內變形及側向變形，在制作過程中，需采取反變形措施及合理的焊接工藝進行施工，加強過程工藝控制，保證產品的焊接、外觀質量及安裝整體幾何尺寸。屋蓋由四榀大跨度管桁架預拼裝組合桁架、五榀異型屋脊鋼桁架、屋脊弧管支撐及四周異型弧管組成，屋面采用張拉膜結構，墻面采用玻璃幕墻進行裝飾，安裝精度工藝要求高，采用全焊接節(jié)點連接，施工難度大。設計獨特、新穎，眼看就像海洋里的鰩魚。見下圖1、圖2所示。

圖1異型結構立面圖

圖2異型鋼結構構件布置圖

2 研究過程

異型結構產品實際制造安裝之前，首先經電腦計算機，采用國內外先進的優(yōu)化設計軟件進行模擬設計及制作安裝的整個過程，進行1：1三維實體模擬放樣及二維平面放樣分析，確保設計方案及制作安裝方案的可靠性和準備性。展覽館研制過程所用的設計、制作安裝虛擬研究分析的軟件主要有Tekla Structures、CAD以及PIPE2002。

2.1、圓管鋼柱、異型弧形管工藝

制作流程：放樣下料→相貫口切割→管壓彎→接管焊接→噴砂除銹→涂裝→檢查編號標識。

2.1.1、放樣及下料

下料前應先確認材質和熟悉工藝要求，然后根據(jù)排版圖、下料加工單、零件草圖和電腦三維實體、二維平面圖進行號料。

2.1.2、相貫口切割

鋼柱圓管、鋼梁圓管相貫口由PIPE2002數(shù)控管相貫切割機進行切割加工。根據(jù)預先由Tekla三維及CAD二維放樣好的實體，通過PIPE2002數(shù)控切割軟件，轉換成相貫線切割程序進行切削加工，根據(jù)不同的焊接工藝參數(shù)要求，可以精確的進行等離子切割管件以及不同角度坡口的一次成型加工，電腦放樣及實際切割如下圖3所示：

圖3異型管相貫口切割

2.1.3、弧形管壓彎成型：

對于異型弧形管柱及異型鋼管梁，由三維優(yōu)化設計分析及二維平面放樣后，先相關相貫口切割加工并對相貫口保護好后，再進行異型弧管的壓彎成型。由于圓管管徑較大，弧管采用液壓千斤頂機械設備進行壓彎，在壓彎過程中，不間斷的進行局部弧度、弧長、弦高等重要控制尺寸進行檢查，對局部有變形、表面凹陷、凹痕等缺陷的部位要及時進行校正和采取修邊措施，以保證弧度的精確性。壓彎成型尺寸由計算機1：1實體設計放樣進行確定，其弧度放樣標注及液壓成型原理如下圖4、圖5所示：

圖4異型空間管實體設計及工藝圖紙

圖5異型管設備及成型研究原理圖

2.1.4、接管焊接

對跨度較大或鋼構件過長的圓管要進行圓管拼接和焊接。展覽館項目所用鋼管均為低碳無縫鋼管，根據(jù)優(yōu)化設計圓管工藝要求，其鋼管對接焊縫工藝要求如下：

1）管對接坡口型式要求如下圖6所示，坡口部位加內襯墊板焊接：

圖6管對接焊接工藝圖

2） 先用小直徑焊條打底焊，然后用常規(guī)焊條施焊。對接焊縫必須焊透，焊接完成后應進行100%超聲波無損探傷檢測。

2.1.5噴砂除銹、涂裝及標識編號

管對接及二次校正完成后，進行鋼圓管構件的噴砂除銹、涂裝標識，為了保證涂裝質量，必修保證除銹等級達到國家標準的要求；涂裝環(huán)境溫濕度要滿足噴涂油漆施工環(huán)境技術條件要求，在涂裝過程中對工廠及現(xiàn)場的拼接焊縫處需預留50mm寬的坡口部位用橡膠帶進行保護；最后標識要清晰，便于查找。

2.2 異型大跨度桁架工藝

制作流程：放樣下料→相貫口切割→管壓彎→單根管焊接→桁架主管和支管的組裝→焊接→第一次幾何尺寸檢查→噴砂除銹→最終幾何尺寸檢查→涂裝→檢查編號標識。

2.2.1下料

桁架圓管下料、相貫口切割、管壓彎成型及單管對接工藝與圓管鋼柱、異型弧形管工藝相同。

2.2.2異型桁架組裝

由于異型桁架尺寸不規(guī)則，跨度大，桁架組裝過程中，組裝精度難以把握。焊接節(jié)點過多，焊縫比較集中，焊接過程中會產生較大的焊接熱應力，是桁架產生熱變形扭曲。為了準備把握異型桁架組裝尺寸及控制變形，桁架鋼構件在制作安裝之前，先由計算機進行三維實體及二維放樣精確模擬，確定好尺寸后，在有足夠大的工廠加工車間制作專有組裝平臺，進行1：1的預拼裝連接，先進行點焊連接，進行尺寸核對，符合放樣圖紙要求后，再進行焊接。制定合理的焊接工藝，組織好合理的焊接順序、合理的焊接方法和焊接工藝參數(shù)，焊接完成后熔透焊縫需進行100%超聲進行無損探傷檢測，對不滿足技術要求的要根據(jù)工藝的要求進行合理返修；

展覽館異型桁架弧管彎度大，且管壁厚達16mm，加工采用熱加工輔助成型及熱矯正，在加熱過程中，逐步給鋼管加壓力，并嚴格控制加熱溫度，其加熱溫度控制在900℃～1000℃，碳素結構鋼在溫度下降到700℃之前，應結束加工并緩慢冷卻。

異型桁架標準放樣模板尺寸如下圖7所示：

圖7異型桁架組裝工藝圖

2.2.3 鋼桁架焊接

1） 焊接順序的選擇應考慮焊接變形的因素，盡量采用對稱焊接， 對收縮量大的部位應先焊，焊接過程中要平衡加熱量，使焊接變形和收縮量減小。

2）根據(jù)結構設計特點及材料性能要求，桁架主管、支管選擇合適的坡口焊接型式如下圖8所示：

圖8異型管焊接工藝圖

3） 焊后應對焊疤初焊磨平，清除焊渣和飛濺物。

4） 鋼管等空心構件的外露端口采用6mm厚鋼板作為封頭板，并采用連續(xù)焊縫密閉，使內外空氣隔絕，并確保組裝、安裝過程中構件內不得積水。

5）先用小直徑焊條打底焊，然后用常規(guī)焊條施焊。對接焊縫必須焊透。當多根支管同時交于一節(jié)點，且支管同時相貫時，支管按大管徑和壁厚優(yōu)先。

6）支管端部的相貫線焊縫位置分為X（趾部）、Y（側面）、Z（踵部）三個區(qū)域、X區(qū)采用對接坡口焊接，Y區(qū)采用帶坡口的角焊縫， 滑過渡，且焊縫均按全融透焊縫進行施工，有效焊縫高度he>1.15t， 且he<1.25t，t為支管的壁厚。

2.2.4除銹、防腐

鋼桁架噴砂除銹、涂裝、檢查及編號標識同圓管鋼柱、異型弧形管工藝。

3 鋼柱吊裝工藝

圓管柱為單根柱子，為了便于鋼柱能夠準確定位，預先在鋼柱柱底精確預埋安裝定位錨栓。由于錨栓位置分布不規(guī)則，為了精確定位，用全站儀分別進行距離和角度。鋼柱為單點起吊，起吊是在距鋼柱柱頂約350mm位置焊接連接耳板，通過吊具起吊后，需用手葫蘆拉好纜風繩，吊裝過程中不斷進行位置調整，以保證能準確定位，其起吊方式如下圖9所示：

圖9鋼柱吊裝工藝設計圖

4 大跨度異型桁架梁安裝：

工廠分段模塊化制造完成后運輸至安裝現(xiàn)場附近，首先測量鋼柱與鋼柱間的定位尺寸、桁架梁待安裝標高尺寸、方位坐標等是否符合結構設計要求，報檢合格后，才能開始桁架梁的吊裝。桁架梁在吊裝之前，應進行整體預拼裝，符合整體尺寸符合吊裝要求后再開始吊裝就位、校正、點焊、報驗合格后施焊，進行磁粉探傷，合格后打磨光順，涂裝完畢。

大跨度異型桁架梁吊裝過程采取多點同時起吊，吊點設置如下圖10所示：

圖10鋼柱吊裝工藝設計圖

5 結論與建議

本文結合工程實例，通過應用Tekla Structures、PIPE2002、CAD軟件對大跨度異型空間管桁架鋼結構產品的優(yōu)化設計、虛擬制造安裝的研究分析，總結出一套復雜異型空間管桁架設計、制作及安裝工藝技術，此工藝操作簡便，構件曲面成型效果好，制作整體尺寸精度高，焊接質量好，實施性強，使工程能夠順利完成安裝，滿足標準規(guī)范要求。

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