彎扭菱形箱型桁架制作工藝研究與應用

程登 張發(fā)榮 李正 夏遠焱 王銀元 熊保剛

摘要：在現(xiàn)代建筑中，建筑造型變得越來越新穎，結(jié)構(gòu)也越來越復雜，因此傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足特殊的結(jié)構(gòu)要求，只能由鋼結(jié)構(gòu)工程來實現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)工程中有大量彎扭曲面成型構(gòu)件的應用。從鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、焊縫設(shè)計、零件套料及成型、構(gòu)件裝配、構(gòu)件焊接及成型精度檢測等方面論述了鋼結(jié)構(gòu)彎扭桁架的制作及精度控制措施，為此類鋼構(gòu)件的加工和制作提供了可靠的參考方案。

關(guān)鍵詞：彎扭;菱形箱體;制作技術(shù);精度控制

中圖分類號：TG457.4 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）11-0071-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.13

0 前言

如今建筑的造型越來越多變，常規(guī)的造型已經(jīng)不能滿足大眾對建筑的需求。在現(xiàn)代建筑中，新型建筑結(jié)構(gòu)和造型越來越來普遍，建筑造型越來越新穎，結(jié)構(gòu)也越來越復雜。由于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足這種特殊的結(jié)構(gòu)要求，所以只能由鋼結(jié)構(gòu)工程來實現(xiàn)這一特點。尤其是在形態(tài)及結(jié)構(gòu)造型等方面具有藝術(shù)形態(tài)感的鋼結(jié)構(gòu)工程中，彎扭曲面成型構(gòu)件的大量使用成了工程中的亮點。

1 工程及節(jié)點概況

1.1 工程概況

國家網(wǎng)絡(luò)基地人才安全展示中心（以下簡稱國網(wǎng)）結(jié)構(gòu)為單層空間變曲面彎扭斜交網(wǎng)格（筒型網(wǎng)格），其構(gòu)件截面為箱型，如圖1所示。為了保證所有桿件均垂直于地面，構(gòu)件均有不同程度的彎扭。對于彎扭菱形箱型桁架構(gòu)件的制作，由于與本工程類似結(jié)構(gòu)建筑國內(nèi)屈指可數(shù)，如國家體育館（見圖2）、世博陽光谷（見圖3）等，迄今可供參考的經(jīng)驗極其缺乏，其加工制作成為確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文中介紹了彎扭桁架構(gòu)件的制作工藝、彎扭板的成型和質(zhì)量保證措施、焊接變形和殘余應力控制、構(gòu)件的測量和檢測等，以及彎扭桁架構(gòu)件的加工質(zhì)量的保證。由于該技術(shù)的成熟應用，在保證制作精度的同時，為現(xiàn)場拼接安裝提供了有利條件，最終結(jié)構(gòu)成功通過驗收。

1.2 節(jié)點位置及概況

工程采用單層空間變曲面彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件為菱形箱型。為便于工廠制作及現(xiàn)場安裝，同時考慮運輸，工廠制作時將構(gòu)件劃分為類似“目”字型（簡稱“目”字型節(jié)點）進行制作發(fā)運，如圖4所示。

1.3 彎扭菱形箱型桁架制作及重點說明

從實際制作過程看，整個桁架制作的重、難點可概括為四個方面：工程深化設(shè)計、彎扭板件成型、構(gòu)件裝配、構(gòu)件焊接及成型精度檢測。下面將從上述四個方面論述各方面的技術(shù)要點。

2 構(gòu)件制作工藝探究

2.1 深化設(shè)計

（1）軟件選擇。

由于本工程為筒形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件截面均為彎扭菱形箱體，因此深化設(shè)計時無法采用常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計軟件TeklaStructures及CAD。參考精工公司與此工程類似結(jié)構(gòu)決定采用3D3S11.0For AutoCAD 2007（國家體育場鳥巢深化設(shè)計也是使用該軟件）。

（2）余量加放。

本工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件特殊性，加上軟件對于特殊桿件的建模存在一定略微偏差（見圖5）。綜合考慮在深化零件圖紙時：箱型翼緣板傾斜度≥20 mm時，翼板寬度方向加放其板厚的1/2;翼緣板傾斜度<20 mm時，翼板寬度方向不加放余量;翼緣板傾斜度≥20 mm時，腹板寬度方向減窄其板厚的1.5倍;翼緣板傾斜度<20 mm時，腹板寬度方向不減窄。箱型弦桿、腹桿主體余量加放示意如圖6所示。

（3）圖紙深化[1]。

①對于整個構(gòu)件的組裝，彎扭箱體的組裝、彎扭板件均要求采用“三維點對點”模式進行出圖，便于后續(xù)車間的制作和構(gòu)件的尺寸檢驗。

②裝配圖中彎扭箱體擺放位置要求。構(gòu)件位置盡可能相對擺平，即：三點確立一個平面原則，要求以構(gòu)件一端端口下側(cè)兩點與另一端口下側(cè)一點組成平面為基準。使構(gòu)件擺平，左側(cè)端口A、B點與右側(cè)C點在水平面上，并以此為前提生成各控制點的坐標，并盡可能以B點為原點，BC連線為x軸，或以BA為y軸，如圖7所示。

2.2 彎扭板件成型

（1）箱型主板下料。

箱體主板下料基本采用數(shù)控下料，一次只能切割一塊板件。

（2）彎扭板件標記面相關(guān)標記的移植。

板件送至各裝配班組后，裝配工根據(jù)板件端頭的標記對照零件展開圖做好卷圓線的標記移植，并要求在兩端頭進行卷圓線定位的樣沖標記，同時用記號筆做醒目標記，如圖8所示。

（3）加工方案的選擇。

當面板板厚t≤16 mm時，直接采用火工成型;當面板板厚t>16 mm時，先用三輥卷圓機預彎，再采用火工精確成型。

（4）彎扭板件的卷圓。

根據(jù)板件的移植信息，利用三輥卷圓機對板件進行彎扭卷制。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9所示。

2.3 構(gòu)件裝配

彎扭箱體裝配尺寸精度的控制是制作的難點、重點。

2.3.1 胎架形式要求

該類型構(gòu)件無法實現(xiàn)流水線生產(chǎn)作業(yè)，只可在裝配班組采用人工平臺、胎架形式進行組立，胎架設(shè)計要求：既要滿足剛性要求，又要具備局部調(diào)整功能。因此，根據(jù)構(gòu)件的質(zhì)量大小選用合適的立柱或橫梁，如小規(guī)格H鋼、角鋼、槽鋼或扁鐵等。

2.3.2 具體裝配流程

（1）第一步：放地樣。根據(jù)深化打點樣圖，在水平平臺上劃出相關(guān)的投影線，如主體端口、下翼板、兩側(cè)腹板等重要控制部位的輪廓線或投影線，并在重要位置打上樣沖眼，如圖10所示。

（2）第二步：地樣復核。為了保證地樣的準確性，車間班組在地樣完成后，必須報質(zhì)檢部門進行復核方可進行下一步工作，如圖11所示。

（3）第三步：搭設(shè)胎架。根據(jù)投影輪廓線及控制點放置胎架，搭設(shè)立桿橫鋪水平板，在保證裝配及焊接可操作性的前提下，盡量降低胎架高度;且胎架的高度采用水準儀找平，誤差在1 mm內(nèi)，如圖12所示。

（4）第四步：箱型主桿（**ZG**）及箱型次桿（**CG**）在裝配之前先將上下翼緣板按深化圖紙端口截面圖進行斜切，如圖13所示。

（5）第五步：下翼板就位。依照胎架位置，放置下翼板，下翼板就位后，利用火工及輔助外力設(shè)備（楔釘或千斤頂），使各關(guān)鍵控制點與坐標、尺寸一一對應就位，誤差不超過2 mm[2];其余彎扭弧度控制點誤差不超過5 mm，如圖14所示。

（6）第六步：先將腹板①就位（大概位置），然后將隔板地樣坐標點采用吊鉛垂的方式引至箱型下翼緣板上表面，組立內(nèi)隔板，如圖15所示。隔板定位后依據(jù)隔板位置精確定位腹板①。

（7）第七步：腹板②及上翼板裝配。

a. 先根據(jù)內(nèi)隔板組立腹板②，腹板裝配時應與地面坐標點吻合。然后焊接內(nèi)隔板與下翼板、兩側(cè)腹板的焊縫，如圖16所示。

b. 裝配上翼板。上翼緣板裝配時使用楔釘就位。

（8）第八步：根據(jù)上述①～⑦步組立次桿，如圖17所示。

（9）第九步：起胎焊接并打磨（磨平）主桿及次桿焊縫，如圖18所示。

（10）第十步：構(gòu)件大組立。將兩側(cè)的箱型主桿（**ZG**）回胎進行尺寸校核，尺寸校核完成后按深化拼裝打點圖尺寸放簡易胎架組立中間箱型次桿（**CG**）。兩側(cè)主桿的對角線偏差控制在±3 mm之間[3]，主桿與次桿T接組立錯邊量必須控制在±2 mm之間，如圖19所示。

（11）第十一步：起胎焊接主桿與次桿之間的焊縫，焊后打磨（磨平）主次桿翼緣板之間的T型對接焊縫，如圖20所示。

（12）第十二步：主桿與次桿之間的焊縫焊接打磨完成后，將構(gòu)件進行復胎、校核（見圖21）。

（13）第十三步：端頭加工。根據(jù)端頭余量位置的噴粉線對端頭進行切割加工劃線，然后利用半自動火焰切割機對端頭進行火焰切割。

（14）第十四步：構(gòu)件涂裝。構(gòu)件報檢合格后，轉(zhuǎn)入涂裝車間進行涂裝處理。油漆干透后方可轉(zhuǎn)入成品貨場等待發(fā)運，如圖22所示。

2.4 構(gòu)件焊接及成型精度檢測

2.4.1 彎扭箱體的焊接與檢驗

（1）焊接位置。

為更有效地保證焊接質(zhì)量，要求所有焊縫盡可能處于平焊位置焊接，不方便進行翻身或操作空間有局限的，則可采用橫焊或立焊位置焊接，嚴禁采用仰焊位置焊接。

（2）主體焊縫焊接順序[1]。

對于彎扭箱型主體焊縫的焊接，至少采取兩名焊工對稱的方式進行焊接，如圖23所示。詳細焊接順序為：兩名焊工同時焊接正面兩條焊縫1，至焊縫1深度的1/3時，進行構(gòu)件翻身焊接反面兩條焊縫2，直至焊縫焊接完成，然后再翻身，將正面兩條焊縫1剩余的焊縫焊接完成。

因箱體面板較薄，且構(gòu)件形狀為彎扭型，為保證焊后焊縫拘束度處于較低水平，要求對于主體焊縫的打底焊接及前兩層填充焊時必須采用分段跳焊的方式，具體形式如圖24所示。將整條焊縫長度方向分為多段，每段長度為800～1 500 mm，然后按圖24所示的序號順序進行焊接，每次焊接的長度約為400～500 mm，以此類推，分段跳焊，兩側(cè)同步同向進行。

2.4.2 彎扭箱體的檢驗

（1）主焊縫外觀要求。

本彎扭箱體主焊縫要求焊后，焊縫余高控制在0～1 mm范圍，對于過高的余高采用打磨進行處理（見圖25），打磨后的焊縫嚴禁出現(xiàn)低于母材的現(xiàn)象。

（2）胎架的復核。

班組按照設(shè)計圖紙將胎架做好后，要求必須報專職質(zhì)檢員進行復核，確保構(gòu)件各空間控制點在制作過程中的精確度。當質(zhì)檢員復核各項尺寸都合格后方可進行構(gòu)件的制作。

（3）焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢查。

本彎扭箱體構(gòu)件主焊縫全部按照全熔透一級焊縫要求制作，且工廠內(nèi)按焊縫條數(shù)及長度進行100% UT檢測。要求在主焊縫余高未磨平之前對焊縫進行UT檢測[3]。

（4）尺寸檢查。

因本構(gòu)件為雙分叉拱劵柱，故彎扭箱體的外觀尺寸直接影響后續(xù)構(gòu)件的制作。特對彎扭箱體幾項重要控制點要求如下：

①箱體端口截面尺寸偏差要求控制在±2 mm[3]。

②組裝及焊接后，翼緣板與腹板的T型接頭錯位量要求控制在1 mm內(nèi)（因總包及業(yè)主對構(gòu)件的感觀效果要求較高，故翼緣板與腹板的組裝錯位量須嚴加控制）。

③箱體弧度控制點要求將構(gòu)件回模胎進行檢查，兩端頭各點對角線尺寸允許偏差為±3 mm，其余彎扭弧度控制點尺寸誤差不超過10 mm。

④其他要求。

a. 外觀缺陷修補，用GMAW（焊絲直徑φ1.2 mm）進行修補焊接。

b. 裂縫等內(nèi)在缺陷的修補。在原預熱溫度的基礎(chǔ)上進行100 ℃以上的預熱，且在不低于正式焊接的預熱標準溫度以上的條件下進行。

c. 修補焊接前將待焊接區(qū)域清理干凈至符合施焊要求。

d. 報告：發(fā)生重大的焊接缺陷時，須向監(jiān)理工程師報告，并與監(jiān)理工程師協(xié)商后返修，并應制定修補方案和防止類似缺陷再發(fā)生的措施。

3 結(jié)論

國網(wǎng)工程彎扭箱型桁架的制作方案借鑒了精工公司前期制作的諸多類似結(jié)構(gòu)工程（如：鳥巢、珠海歌劇院、成都海洋館）制作工藝，但國網(wǎng)工程又有其特殊性，將工程實際與以往類似構(gòu)件制作經(jīng)驗相結(jié)合形成了本制作工藝方案（見圖26）。目前國網(wǎng)工程鋼結(jié)構(gòu)部分主體已經(jīng)基本完工，其效果得到了業(yè)主及設(shè)計院相關(guān)人員的一致認可。文中從鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、焊縫設(shè)計、零件套料及成型、構(gòu)件裝配、構(gòu)件焊接及成型精度檢測等方面論述了鋼結(jié)構(gòu)彎扭桁架的制作及精度控制措施，為此類鋼構(gòu)件的加工和制作提供了借鑒與參考。

參考文獻：

[1] 戴為志，高良. 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)培訓教程[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2009.

[2] GB 50661-2011鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S]. 2011.

[3] GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]. 2001.