北京大興國際機(jī)場南航機(jī)庫大門桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化、制造及質(zhì)量控制技術(shù)

嚴(yán)擒龍 蘇海森 胡海國 張榮榮 渠 晶

江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司北京分公司 北京 100024

隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，大跨桁架在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，而此類桁架在施工過程大多具有節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜、材質(zhì)性能高、超厚板焊接、定位精度要求高等技術(shù)難題。以往也有不少文章專門針對其中的高性能超厚板焊接技術(shù)[1]或數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)[2]進(jìn)行研究討論，而工程中為將設(shè)計藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為空間構(gòu)件，實際是一個全過程的技術(shù)控制。

本文結(jié)合北京大興國際機(jī)場南航1號機(jī)庫項目中的大門桁架施工，對桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計、工廠焊接以及構(gòu)件加工后數(shù)字模擬預(yù)拼裝等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行全過程闡述和分析。

1 結(jié)構(gòu)概況

北京大興國際機(jī)場南航1號機(jī)庫作為目前國內(nèi)最大跨度的機(jī)庫，平面尺寸達(dá)405 m 100 m，設(shè)計師創(chuàng)新采用了由平面“W”形斜桁架、大門桁架與四角錐網(wǎng)架構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系，大幅提升了結(jié)構(gòu)效率，降低了屋蓋結(jié)構(gòu)總用鋼量。其中，東側(cè)結(jié)構(gòu)沿大門開口邊設(shè)置的大門桁架作為整個屋蓋最關(guān)鍵的支撐結(jié)構(gòu)，最大跨度405 m，中間設(shè)有1個中柱，兩側(cè)跨度分別為222、183 m（圖1）。

圖1 機(jī)庫鋼結(jié)構(gòu)示意

2 大門桁架特點(diǎn)分析

大門桁架采用箱形格構(gòu)式雙層平面桁架，總高度11.5 m，寬6.0 m。平面桁架分上、中、下弦，其中上弦中心標(biāo)高38.5 m，下弦中心標(biāo)高27.0 m，上下弦均為箱形截面，中弦及腹桿采用H形截面。2片平面桁架之間采用圓管腹桿連接，形成箱形格構(gòu)桁架（圖2）。

圖2 大門桁架示意

1）作為屋蓋的主要支撐體系，各方向桿件交會密集，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜且受力大。因此，如何在深化過程中合理地優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，既保證桁架節(jié)點(diǎn)的受力安全，又能讓工廠焊接得以實現(xiàn)，是首要條件。

2）上、下弦桿箱形截面主要采用□8 0 0 m m 800 mm，最大板厚100 mm，同時根據(jù)設(shè)計要求，厚40 mm以上鋼板均采用Q420高性能鋼材。如何嚴(yán)格控制高性能超厚板的焊接質(zhì)量，最終保證所生產(chǎn)構(gòu)件的質(zhì)量是工程的重中之重。

3）大門桁架高度為11.5 m，跨度更是達(dá)到了405 m（222 m＋183 m），由于構(gòu)件的運(yùn)輸限制，必須將桁架拆分成單根散件，現(xiàn)場地面組拼成整榀桁架后再提升。因此，控制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的加工精度顯得尤為重要。

3 桁架節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計

3.1 深化設(shè)計總體思路

深化設(shè)計不僅僅是將原設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為施工零件詳圖，其更大的意義在于通過深化設(shè)計過程，對結(jié)構(gòu)的整體安全性和重要節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行驗算，確保所有的桿件和節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計要求，并對桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造的施工優(yōu)化，使桿件和節(jié)點(diǎn)在實際的加工制作和安裝過程中能夠變得更加合理。

為此，我們采用鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM軟件進(jìn)行三維空間模型放樣，結(jié)合各桿件的受力特點(diǎn)以及工廠的加工條件，對各桿件的連接方式、加勁板的設(shè)置進(jìn)行綜合考慮，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性，模擬節(jié)點(diǎn)的組裝順序，制定各焊縫的質(zhì)量等級。最后，利用Ansys分析軟件進(jìn)行受力分析，保證節(jié)點(diǎn)的可靠性。

3.2 三維模型分析及優(yōu)化

通過建立BIM三維空間模型，能夠直觀地看到支座處節(jié)點(diǎn)桿件交會復(fù)雜，焊縫重疊嚴(yán)重（圖3）。12根桿件交于一處，且各方向桿件截面樣式不同，板厚種類多，其中支座底板厚120 mm。

對BIM模型相交關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)計意圖，確定首要保證主桿件傳力，因此，下弦節(jié)點(diǎn)板采用厚100 mm（Q420B-Z35）整板。

對于中間和平面3根箱形斜腹桿，由于其板厚與主弦桿相差較大，故為避免浪費(fèi)，將3根平面內(nèi)箱形腹桿單獨(dú)合并為厚60 mm（Q420B-Z25）整板（圖4）。其余面外斜腹桿，與支座肋板相結(jié)合，采用厚85 mm（Q420B-Z25）插板（圖5），既能保證底板的整體剛度，也能良好地傳遞桿件受力；而對于截面受力較大的斜腹桿，在節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行根部放大，形成喇叭口形截面，實現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計理念，并且插板也將各斜交桿件彼此分開，減少焊縫重疊，以保證工廠焊接條件。

圖3 門頭中柱處桁架下弦支座節(jié)點(diǎn)

圖4 主受力桿件節(jié)點(diǎn)板合并

最后，為加強(qiáng)支座節(jié)點(diǎn)底板整體剛度，將各插板間采用厚80 mm加勁板連接成箱形，并對內(nèi)凹不規(guī)則空間采用薄鋼板封堵，避免油漆噴涂死角（圖6）。

圖5 支座肋板與桿件插板結(jié)合

圖6 增加插板加勁肋

3.3 節(jié)點(diǎn)有限元計算分析

為保證節(jié)點(diǎn)受力安全，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算分析。通過Ansys軟件進(jìn)行數(shù)值計算分析，節(jié)點(diǎn)實體單元采用solid 95，采用mpc184單元進(jìn)行截面耦合，從而施加荷載。有限元計算模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示。計算時，從原計算模型中提取各個桿件對應(yīng)截斷位置的實際內(nèi)力，并采用平衡力系施加于有限元模型中。

通過計算可知，在最不利荷載組合作用下，節(jié)點(diǎn)大部分應(yīng)力范圍處于彈性狀態(tài)（圖8）。最大等效應(yīng)力發(fā)生于節(jié)點(diǎn)連接角點(diǎn)處，為435 MPa，該值小于鋼節(jié)點(diǎn)的極限抗拉強(qiáng)度，且成點(diǎn)狀，故可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是安全的。

圖7 節(jié)點(diǎn)計算網(wǎng)格劃分

圖8 節(jié)點(diǎn)計算應(yīng)力云圖

對于各種其他類型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，在實際深化過程中，均須按照上述的模式進(jìn)行BIM三維建模、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計、計算復(fù)核后，方可生成相應(yīng)的深化圖，以實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)制造前的深化設(shè)計。

4 桁架節(jié)點(diǎn)的加工制造

盡管深化時已優(yōu)化焊接空間、坡口尺寸、焊接類型等問題，但實際桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的加工難度依然很大，高性能超厚板種類多，且焊接量大。

因此，在加工制造前，認(rèn)真分析了每個節(jié)點(diǎn)在焊接方面的特點(diǎn)，精準(zhǔn)地為每一類型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)制定加工工序，編寫工藝方案、進(jìn)行工裝設(shè)計，從而為加工制造提供全面的技術(shù)保障。

4.1 節(jié)點(diǎn)圖拆分下料

以支座節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行分析，支座節(jié)點(diǎn)的整體外形尺寸為4 075 mm 3 187 mm 2 620 mm，凈質(zhì)量為40 t，共有12個對接口。厚度有120 mm（底板）、100 mm（箱體）、85 mm（插板）、80 mm（加勁板）、70 mm（內(nèi)隔板）、60 mm（牛腿）、10 mm（密封板）等。

零件拆分后按不同板厚進(jìn)行鋼板排版，在車間對鋼板進(jìn)行整平、除銹等預(yù)處理工作，所有零件板均采用數(shù)控排版、切割，柱底板定位螺栓孔采用大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精確鉆孔。

4.2 節(jié)點(diǎn)的組裝、焊接工序

單個支座節(jié)點(diǎn)質(zhì)量較大（40 t），為保證組裝測量的精度，整體組裝胎架必須有很強(qiáng)的剛性，且對定位胎架模板必須采用機(jī)加工刨平處理。

節(jié)點(diǎn)組裝時，應(yīng)該按照制定的順序依次將各板件吊上胎架平臺進(jìn)行定位，以定位中心線為基準(zhǔn)，將各板件中心線對齊定位基準(zhǔn)線，同時控制垂直度，測量復(fù)核后再進(jìn)行定位焊接。

支座節(jié)點(diǎn)組裝順序依次為：節(jié)點(diǎn)底板、主箱體、豎向插板、斜撐圓管、構(gòu)件加勁板、封板（圖9～圖12）。

圖9 箱形主體定位

圖10 主體焊縫焊接

圖11 斜撐圓管定位

圖12 斜撐圓管焊接

4.3 厚板焊接及質(zhì)量控制

桁架節(jié)點(diǎn)厚板較多，節(jié)點(diǎn)區(qū)大部分為Q420B高性能板材，加勁板多且板厚各異，焊接應(yīng)力立體交叉，互相影響，從而使得構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力大，極易造成焊縫裂紋及層狀撕裂[3]。同時，由于焊縫各方向收縮變形不同，故引起節(jié)點(diǎn)綜合變形大。針對以上這些問題，需做好如下相應(yīng)措施。

1）制作組裝焊接水平胎架，為防止在焊接時產(chǎn)生過大的角變形，可設(shè)置夾具約束變形。

2）預(yù)放焊接收縮變形余量，以確保構(gòu)件的外形尺寸。

3）在滿足設(shè)計要求的前提下，采用較小的坡口角度和間隙，減小焊縫截面積及母材厚度方向承受的拉應(yīng)力。T形接頭中采用對稱坡口，使焊縫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力與板厚方向成同一個角度，尤其在焊接超厚板時，側(cè)板坡口面角度應(yīng)超過板厚中心，可減小層狀撕裂傾向。

4）做好焊前預(yù)熱及焊后保溫工作，采用小電流多層多道焊，務(wù)必做到雙數(shù)焊工對稱焊接。

選擇合理的焊接工藝、焊接材料及焊接順序，通過制定專門的方案措施，嚴(yán)格控制組裝、焊接過程，從而有效地控制節(jié)點(diǎn)厚板焊接殘余應(yīng)力及變形，避免焊縫裂紋及鋼板層狀撕裂的發(fā)生，確保每一個復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的焊縫質(zhì)量，進(jìn)而保證整體工程的焊接質(zhì)量。

5 桁架數(shù)字模擬預(yù)拼裝

各節(jié)點(diǎn)構(gòu)件在車間生產(chǎn)完成后，桁架形體巨大，整榀桁架接口數(shù)量非常多。為避免現(xiàn)場實際安裝時，由于單構(gòu)件接口偏差或多構(gòu)件累積誤差造成桁架難以拼裝的現(xiàn)象，構(gòu)件在工廠加工完成后，均須進(jìn)行數(shù)字模擬預(yù)拼裝，以確保現(xiàn)場構(gòu)件組拼的順利進(jìn)行。

5.1 數(shù)字預(yù)拼裝單元劃分

大門桁架主要由東西兩片雙層平面桁架及中間圓管斜腹桿組成，影響現(xiàn)場拼裝的端口精度主要是平面桁架中的多端口復(fù)雜節(jié)點(diǎn)。因此，將大門桁架分為東西兩片進(jìn)行獨(dú)立分析，西側(cè)Q軸線對應(yīng)桁架為QHJ，東側(cè)R軸線對應(yīng)單片桁架為RHJ（圖13）。

串口通信用于用戶操作軟件與控制箱內(nèi)Arduino板之間的數(shù)據(jù)通信。串口通信設(shè)計包括串口通信協(xié)議、串口自動識別、串口定時發(fā)送和串口即時讀取。

5.2 制作及拼裝基準(zhǔn)的設(shè)置原則

為便于構(gòu)件后期數(shù)字模擬預(yù)拼，在構(gòu)件加工時，預(yù)先在高度方向以桁架各層弦桿中心線為基準(zhǔn)，寬度方向以桁架本身理論中心線為基準(zhǔn)，厚度方向以桿件寬度方向中心線為基準(zhǔn)，并對各節(jié)點(diǎn)端口進(jìn)行編號。

5.3 數(shù)字模擬預(yù)拼裝方法

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式選擇不同的數(shù)字模擬預(yù)拼裝方案，既能保證拼裝精度又能提高工作效率。結(jié)合桁架的結(jié)構(gòu)形式，擬采用平面實況數(shù)字模擬拼裝進(jìn)行整體的模擬施工（即將相鄰2個構(gòu)件按照實測數(shù)據(jù)標(biāo)示，然后按照統(tǒng)一的基準(zhǔn)進(jìn)行一對一電腦拼接），對弦桿、腹桿等的自由邊間隙、板邊差及錯邊等進(jìn)行一對一的模擬。

5.3.1 構(gòu)件外形檢測及數(shù)據(jù)采集

數(shù)字模擬預(yù)拼裝主要比對以下數(shù)據(jù)：

1）上、中、下弦桿和腹桿等單平面構(gòu)件與牛腿接口間的板邊差、錯邊以及間隙：采用地樣法和全站儀，測量端口的幾何尺寸及其相對構(gòu)件基準(zhǔn)線的定位尺寸。

2）拼裝單元的對角線誤差：采用地樣法和水平儀進(jìn)行定位，獲取構(gòu)件的幾何尺寸，然后在電腦中將各構(gòu)件按照既定的基準(zhǔn)線模擬后與理論構(gòu)件進(jìn)行對比。

3）對形體復(fù)雜、端部接口方向多的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，如中柱支座節(jié)點(diǎn)，可采用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描后數(shù)據(jù)處理，得出構(gòu)件實際外形尺寸。

圖13 大門桁架RHJ、QHJ

圖14 單構(gòu)件斜腹桿測量中心基準(zhǔn)線

5.3.2 模擬預(yù)拼裝數(shù)據(jù)輸入

以桁架下層中間支座節(jié)點(diǎn)底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，桁架長度方向為x軸，桁架高度方向為y軸，厚度方向為z軸，建立三維坐標(biāo)系（圖15）。

圖15 三維坐標(biāo)系設(shè)置示意

端口間隙由弦桿節(jié)點(diǎn)中心線與節(jié)點(diǎn)中心線固定值之間的偏差確定。高度方向以桁架中層弦桿中心線為基準(zhǔn)確定偏差。z方向以桁架厚度中心線為基準(zhǔn)確定偏差。用三維坐標(biāo)系把端口坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到桁架平面內(nèi)，形成平面內(nèi)間隙值偏差并和剖面視圖的錯邊及板邊差進(jìn)行比對。

5.3.3 數(shù)字模擬預(yù)拼裝結(jié)果

將單根構(gòu)件的驗收實測數(shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)整體坐標(biāo)系后，得出節(jié)點(diǎn)對接端口在整體桁架中的模擬坐標(biāo)數(shù)據(jù)。綜合本次對大門桁架Q軸線整榀桁架構(gòu)件617個端口、4 936個定位點(diǎn)進(jìn)行電腦數(shù)字模擬，所有構(gòu)件制作精度均滿足設(shè)計、相關(guān)規(guī)范的要求。

6 結(jié)語

對于鋼結(jié)構(gòu)工程而言，構(gòu)件的質(zhì)量、精度保證需要全過程的控制。

本工程充分運(yùn)用深化設(shè)計資源，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，解決了多截面類型桿件相交節(jié)點(diǎn)焊縫疊加問題；加工時，通過節(jié)點(diǎn)分步拆分模擬組裝、專項厚板焊接工藝，有效降低了節(jié)點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力，減小變形，避免層狀撕裂，保證了節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量；而數(shù)字模擬預(yù)拼裝，解決了超大截面、超大跨度桁架工廠拼裝周期長、場地受限的難題，同時有效地驗證了桿件的加工精度。

最終構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，質(zhì)量全部合格。構(gòu)件的高精度也使桁架的拼裝速度大幅提升，在節(jié)省實物預(yù)拼裝費(fèi)用的同時，也縮短了整個工程的工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

一個工程的完美呈現(xiàn)，需要各單位、各部門、各環(huán)節(jié)的通力合作，從構(gòu)件深化到加工、預(yù)拼裝，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會對最終結(jié)構(gòu)造成影響，實際工程中往往更多地關(guān)注工廠厚板焊接，而忽略了前期深化設(shè)計優(yōu)化的重要性。對于數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)，近些年運(yùn)用得越來越廣泛，也提出了更多的方法[4-6]，并逐漸趨于成熟；該技術(shù)使得構(gòu)件最終精度滿足現(xiàn)場安裝需求，對工程工期及質(zhì)量的保證起到了關(guān)鍵作用。

通過對北京大興國際機(jī)場南航1號機(jī)庫大門桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的分析研究，結(jié)合工廠加工制造的困難及關(guān)鍵點(diǎn)，從深化設(shè)計—加工制造—數(shù)字預(yù)拼裝進(jìn)行了全過程的闡述，可為后續(xù)工程提供借鑒。