鋼結構五邊曲面異形箱體的制作工藝探究與應用

程 登，張發(fā)榮，姜殿忠，王 笛，金 欣

（湖北精工鋼結構有限公司，湖北武漢432200）

1 工程及節(jié)點概況

1.1 工程概況

襄陽科技館項目位于襄陽市襄州區(qū)，其主體平面呈橢圓環(huán)形的“天時之眼”，建筑面積3.5萬m2，地上26 468 m，地下8 800 m，建筑高度30 m。

本工程鋼結構主要包括下部樓層鋼結構、上部屋蓋鋼結構，以及中間球幕影院網(wǎng)殼鋼結構，工程總用鋼量約8 200 t。下部樓層鋼結構為地下一層，地上兩層，南側有一層地下室。樓層鋼結構包括圓鋼管柱、樓層鋼梁、桁架以及支撐等構件；上部屋蓋鋼結構為橢圓環(huán)形的單層網(wǎng)殼結構，包括內外圈環(huán)梁、屋脊環(huán)梁和網(wǎng)架網(wǎng)格，如圖1所示。

1.2 節(jié)點位置及概況

（1）節(jié)點構造為由東西向北、由矩形截面逐漸過渡為五邊形多邊形曲面的焊接箱型構件，翼緣板為弧形，腹板為曲面，展開后為扇形。構件最大截面為2 239 mm×900 mm×18 mm×20 mm，如圖 2所示。

（2）五邊形環(huán)梁節(jié)點制作的重難點。

①本節(jié)點截面處于四邊形到五邊形再到四邊形的變化過程變化當中，整個北區(qū)21根環(huán)梁構件無一根構件相同。車間在制作時很難采用統(tǒng)一的胎架標準化制作，必須逐一放樣制作。

圖1 建筑效果

圖2 北側外環(huán)梁示意

②弧形構件的翼緣板、腹板為異形或者弧形板件，尤其是箱體腹板為扇形曲面，最大寬度近2.5 m，長度達8 m。主體的空間彎曲形位尺寸加上構件的異形端口，同時工地高空組裝，形成環(huán)梁構件的高精度要求，對零件成型和構件成型工藝要求高。

③弧形箱體最大截面為2 239 mm×900 mm×18 mm×20 mm。內部縱橫向加勁板不均勻分布，導致構件面板的拘束度大小不一，同時箱型面板厚度較薄。因此焊接變形對精度影響大，易扭曲和鼓包，且其外形截面過大，構件隔板及主體焊縫非對稱分布，焊接變形對精度的影響難以矯正。

2 構件制作工藝探究

構件整體形式為五邊曲面異形箱體，箱體內部不均勻分布縱橫向加勁板。針對此種形式構件的圖紙要求、裝配、焊接等進行闡述。

2.1 圖紙要求

（1）為了保證組裝圖與零件板點位的一致性，構件曲面腹板展開圖的CAD電子文件統(tǒng)一按1∶1繪制，并且保證展開板件標記面（或噴粉面）位于紙面。展開板件標記面的標記線主要為卷圓標記線和余量標記線，要求卷圓基準線每隔500 mm的間距標記一條，如圖3、圖4所示。

圖3 板件展開卷圓標記線

需注意的是：a.余量標記線深化圖紙中可不顯示，生產(chǎn)套料時予以考慮；b.考慮到板件的弧度問題，會出現(xiàn)上下邊緣線間隔不統(tǒng)一的問題，卷圓基準線間隔要求以一條邊緣線為標準間隔。

圖4 余量標記線

（2）由于構件外形輪廓為五邊異形，為了便于各主板的擺放制作，部分腹板之間設計成“邊碰邊”的形式，此種設計存在一定缺陷會導致構件制作無真正意義上的輪廓尺寸，精度難以控制。因此，為了保證構件的制作精度在深化設計時標注出輪廓實點 A1、A2、B1、B2、C1、C2 及輪廓實點與面板角度控制虛擬點A、B、C的平面放樣尺寸。以輪廓實點與面板角度控制虛擬點相結合的方式把控構件整體尺寸，精度較高，工藝操作性較好，如圖5所示。

圖5 實點與虛擬點大樣

2.2 焊接工藝

（1）焊接方法及材料的選擇。由于箱體為異形箱型，主焊縫為弧形且壁板較薄，故采用CO2氣體保護焊。該方法高能量密度、低氫、高效、大熔深，能有效減少焊接次數(shù)，提高接頭的抗裂能力，減少焊接變形。根據(jù)焊材的匹配原則，CO2氣體保護焊選擇ER50-6焊絲，規(guī)格φ1.2 mm，作為本工程鋼材的焊接材料[1]。

（2）控制焊接變形和殘余應力工藝措施。

a.本工程箱體部分板件之間存在自然坡口加上板厚較薄，自然坡口完全可以滿足主焊縫的焊接質量要求，部分焊縫無需再開設坡口。

b.采用多層多道焊接[2]，嚴禁寬幅擺動焊接。該操作方法不僅對焊縫和熱影響區(qū)組織有一定的改善作用，而且降低了焊接拘束度，使內應力均勻分布，避免施焊時因母材拘束力大而產(chǎn)生凝固裂紋。此外，在起弧和收弧時，要求每道焊縫接頭應錯開25～50 mm，起弧應采用回焊手法，熄弧應填滿弧坑。

c.控制熱輸入與冷卻速度。焊接過程中焊接電流、電壓及焊接速度等參數(shù)影響熔敷金屬800℃～500℃的冷卻時間，進而誘導氫致裂紋產(chǎn)生。因此焊接過程中適當提高熱輸入、增加t8/5冷卻時間、減少冷裂傾向是保證構件焊接質量的關鍵[3]。

d.采取合理的焊接順序。由于面板較薄，且內部隔板較多，在焊接前在隔板與內箱型內側加設剛性固定支撐，防止在焊接隔板時箱型面板產(chǎn)生變形，如圖6所示。箱形5條主焊縫非對稱分布且箱形為曲面，采用兩名焊工從中間向兩側同步對稱退焊方法。該焊接方法能夠有效地控制焊接變形，如圖7所示[4]。

e.焊后變形矯正。通過下料、拼裝、焊接等工序預防箱體變形，箱體整體焊接后可能發(fā)生輕微變形，主要采取火焰局部加熱矯正。矯正時選用有經(jīng)驗的技師，矯正溫度700～800℃[5]，加熱位置選擇在變形最大處的對稱兩側，先選擇小火候對稱加熱部位，測量稍有效果后再一步步推進，同時在箱體上加設鋼架及千斤頂或楔塊固定增加外力，實踐證明效果明顯。

圖6 支撐加設示意

圖7 對稱焊接示意

（3）箱型面板板件下料及成型。

①箱型面板在下料時不規(guī)則板件采用數(shù)控切割機進行下料，為了防止板件在數(shù)控切割時因不對稱受熱產(chǎn)生變形，在切割時留點切割，待數(shù)控切割完成后再采用手工割刀切開留點區(qū)域。

②扇形弧形板件的彎弧。根據(jù)板件的移植信息，利用三輥卷圓機對扇形板件進行弧形卷制。板件上卷圓機時，確保卷圓及輥道的邊緣線（或中心軸線）與板件卷圓線平行。卷制過程中，板件輸送方向與輥道邊緣線垂直，如圖8所示。

3 五邊形拼裝流程

第一步，根據(jù)構件的形式放地樣，畫出關鍵點位置。然后根據(jù)關鍵點位置來搭設胎架，見圖9。

圖8 弧形板件卷制

圖9 第一步

第二步，通過胎架上的定位點，吊垂線定位構件的上翼緣板①，見圖10。

圖10 第二步

第三步，以上翼緣板為基準裝豎向腹板②及內隔板③。上下腹板與上翼緣板之間的坡口大樣如圖11中的大樣“A”所示。

第四步，裝配斜腹板④，并焊接斜腹板④與內隔板③及上翼緣板①之間的焊縫。斜腹板④與直腹板②之間有自然坡口，因此斜腹板上無需開設坡口。具體如圖12所示。

第五步，待內隔板與豎向腹板及上翼緣板焊接完成UT檢測合格后，裝配縱向加勁板⑤、⑥。加墊板單面焊接縱向加勁板⑤、⑥與上翼緣板①、內隔板③及斜腹板④之間的焊縫，其中加勁板⑥與內隔板③之間不焊接。

圖11 第三步

圖12 第四步

圖13 第五步

第六步，裝配腹板⑦，然后焊接腹板⑦與內隔板③及上翼緣板①之間的焊縫（注：腹板⑦與上翼緣板①之間形成的自然坡口在箱體內側，因此⑦與①之間的焊縫需從箱體內部焊接）。

第七步，裝配箱型蓋板⑧（即箱型下翼緣板），從外側焊接箱型4條主焊縫，其中蓋板⑧與斜腹板④、⑦之間的焊縫坡口大樣如圖15所示（注：蓋板⑧與斜腹板④之間的坡口在自然坡口角度26°的基礎上加10°，并且焊接時平滑過渡）。

圖14 第六步

圖15 第七步

4 結論

以襄陽文藝中心五邊形環(huán)梁為例，通過異形曲面箱體構件制作重點、難點及可操作性分析，同時從工藝角度對構件的裝配順序、焊接工藝及構件加工過程中應力與應變方面的控制等方面進行系統(tǒng)闡述。通過工程實踐證明，所形成的制作工藝技術是成功的，對同類多邊形封閉箱體箱體結構的加工制作具有較大的參考價值和指導意義。