大跨度飛機庫網(wǎng)架焊接施工關(guān)鍵技術(shù)

羅 浩 王曉麗 李 昭 盧文博 熊勛昌

中國建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川 成都 610040

飛機庫因其特殊的使用功能，對空間和受力要求極高，目前的設(shè)計方案多采用跨度大、受力好、自重小的焊接球網(wǎng)架。地面拼裝、整體提升是大跨度焊接球網(wǎng)架最常用的提升方法，因此控制網(wǎng)架的地面散拼焊接質(zhì)量和高空補桿焊接質(zhì)量是保證施工網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵[1-5]。

1 工程概況

1.1 項目總體概況

國航基地工程101號維修機庫項目位于成都市天府國際機場內(nèi)，建筑物占地面積20 562 m2，總建筑面積28 447 m2，建筑總高度37.65 m，為Ⅰ類機庫，建成后可滿足2架A330系列飛機并排停放，同時可以保障A350-900的入庫維修并兼顧A350-1000的入庫（圖1）。

圖1 飛機庫效果圖

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概況

本機庫大廳屋蓋網(wǎng)架由3層焊接球結(jié)構(gòu)組成，為斜放四角錐單元，高度6 m，焊接球1 872個，最大直徑800 mm，桿件7 125根，最大壁厚40 mm，總用鋼量約2 000 t，網(wǎng)架整體通過預(yù)埋件固定于25根混凝土網(wǎng)架柱的頂部支座上。

由于本飛機庫跨度達到146 m，因此在大門區(qū)域設(shè)計為含預(yù)應(yīng)力的鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，該部分網(wǎng)架截面高度為13 m，與機庫大廳的網(wǎng)架上下各存在3.5 m的高差，具體立面形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架立面示意

1.3 網(wǎng)架安裝工藝概況

本網(wǎng)架將采用“原位拼裝，整體提升”的方式進行安裝，即在地面完成機庫大廳和大門2個區(qū)域網(wǎng)架的整體拼裝及焊接工作后，通過由17個TLJ-600型、TLJ-2000型液壓提升器組成的提升系統(tǒng)將其整體提升至支座點位置（圖3）。

圖3 網(wǎng)架提升點位平面分布

由于本機庫大門桁架區(qū)域網(wǎng)架下部低于機庫大廳網(wǎng)架3.5 m，因此需要將機庫大廳區(qū)域拼裝好后先提升至3.5 m高度，與大門桁架區(qū)域二次拼裝完成后再整體提升。

2 網(wǎng)架焊接質(zhì)量控制重難點分析

1）本飛機庫網(wǎng)架平面尺寸為146 m×90 m，屬于大跨度屋蓋鋼網(wǎng)架體系，球節(jié)點、弦桿、腹桿等構(gòu)件數(shù)量多，拼裝及焊接工程量大。

2）由于該網(wǎng)架大門區(qū)域為鋼管桁架體系，與機庫大廳存在3.5 m高差，因此需在機庫大廳區(qū)域首次提升后的受力狀態(tài)下與大門桁架區(qū)域進行空中對接，容易出現(xiàn)焊接應(yīng)力集中、網(wǎng)架變形等情況。

3）網(wǎng)架整體提升質(zhì)量接近2 000 t，容易出現(xiàn)整體下?lián)?、桿件變形或焊縫開裂等質(zhì)量問題。

3 網(wǎng)架焊接質(zhì)量控制要點

3.1 深化設(shè)計階段質(zhì)量控制要點

1）為便于施工前的準備策劃和施工過程中的精細化管理，項目部使用Tekla Structures軟件建立了網(wǎng)架三維模型，精確拆分出每一個構(gòu)件的安裝位置、焊縫形式，明確了焊接先后順序等信息，用于構(gòu)件的現(xiàn)場焊接安裝。提前按照理論變形情況對機庫大廳與大門桁架對接區(qū)域的連接桿件長度進行修正后再加工，減少焊接誤差的累積（圖4）。

圖4 飛機庫主要構(gòu)件深化設(shè)計模型

2）由于網(wǎng)架一次性提升質(zhì)量達2 000 t，設(shè)計時未考慮提升工況下所有構(gòu)件及焊接節(jié)點的強度，因此項目部采用SAP2000有限元軟件對網(wǎng)架提升工況的受力情況進行計算。根據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對桿件和節(jié)點的強度均需進行復(fù)核，對于不滿足上述要求的桿件或節(jié)點需要進行置換或補強。加強處理后再次進行模擬分析，使網(wǎng)架在各階段的受力均滿足要求，保證了各階段的安全。

3）由于網(wǎng)架自身的質(zhì)量等原因，提升后必將出現(xiàn)下?lián)?。因此，為保證網(wǎng)架整體的撓度滿足需求，項目部根據(jù)理論計算數(shù)值，確定各球節(jié)點的預(yù)起拱數(shù)值，同時將與球節(jié)點相連的桿件的長度進行對應(yīng)調(diào)整，減少了現(xiàn)場焊接調(diào)整的難度，避免了后期因下?lián)蠈?dǎo)致現(xiàn)場無法焊接或焊接應(yīng)力集中的情況。

4）大門區(qū)域鋼管桁架為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，球節(jié)點及腹桿內(nèi)部均設(shè)計有固定預(yù)應(yīng)力鋼絞線套管的豎向環(huán)形鋼隔板（圖5）。項目部在深化設(shè)計時考慮到該節(jié)點的復(fù)雜性及現(xiàn)場焊接的可操作性，根據(jù)節(jié)點形式和鋼隔板的分布位置，對2個球節(jié)點之間的桿件進行合理的分段，并明確了構(gòu)件之間的焊接順序，保證隔板位置及焊接操作的便利性。

圖5 鋼管桁架節(jié)點示意

5）鋼隔板、腹桿和球節(jié)點的焊接量大，同時焊縫形式和接頭較為復(fù)雜，現(xiàn)場施焊的設(shè)備和環(huán)境受限。為了保證焊接質(zhì)量，減少現(xiàn)場狹小空間的焊接作業(yè)量，在便于運輸?shù)那闆r下，項目部在深化設(shè)計時將焊接球、鋼隔板和腹桿優(yōu)化為一個節(jié)點，在加工廠內(nèi)完成了組裝和焊接，在現(xiàn)場只需進行腹桿之間的拼接即可，如圖6所示。

圖6 鋼管桁架節(jié)點實物

3.2 網(wǎng)架拼裝焊接階段的控制要點

考慮網(wǎng)架焊接變形的特點，將整個網(wǎng)架劃分為9個平行區(qū)段，分別為機庫大廳A—H區(qū)和大門桁架J區(qū)，單個分區(qū)寬度18 m，具體如圖7所示。

圖7 飛機庫網(wǎng)架平面分區(qū)示意

將機庫大廳和大門桁架2個區(qū)域分別進行散拼焊焊接，最終拼裝形成2個獨立的區(qū)域。其中，機庫大廳A—G區(qū)從中間A、B這2個區(qū)段開始，由2個班組向兩側(cè)平行焊接，這樣既有利于各區(qū)域精度控制，同時又有利于焊接應(yīng)力的釋放。

根據(jù)網(wǎng)架的拼裝順序，確定“由內(nèi)而外、先下后上，自由收縮、誤差調(diào)整，單桿雙焊、雙桿單焊”的施焊順序。

在任一平面（空間）安排雙數(shù)焊工進行對稱施焊，為最大限度地避免焊接應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)件變形，應(yīng)先施焊完整個節(jié)點的打底焊，再施焊整個節(jié)點的填充焊，最后施焊節(jié)點的蓋面焊，使各層應(yīng)力有一個自由釋放的過程。具體先以結(jié)構(gòu)中部為始點，安排雙數(shù)焊工往兩端對稱桿件進行打底焊，再以結(jié)構(gòu)中部為始點安排雙數(shù)焊工往兩端焊接水平腹桿。施焊完打底焊后，再重復(fù)以上順序?qū)Y(jié)構(gòu)進行填充焊，填充完成后重復(fù)以上順序?qū)Y(jié)構(gòu)進行蓋面焊。

同時，焊接過程中參考相鄰小拼單元的節(jié)點偏差情況，根據(jù)焊接收縮的規(guī)律進行適當(dāng)補償，減小偏差的數(shù)值，避免誤差積累。施焊順序為先焊接下弦桿焊縫，再焊接上弦桿焊縫，最后焊接腹桿與下弦球焊縫。

為保證網(wǎng)架的焊接質(zhì)量，項目部在原設(shè)計一級焊縫檢測100%，二級焊縫檢測10%的基礎(chǔ)上，優(yōu)化為所有焊縫均100%檢測。檢測過程中對于合格和不合格的焊縫分別使用綠色和紅色標(biāo)簽進行標(biāo)記，便于現(xiàn)場整改及后期復(fù)檢。

3.3 提升及空中補桿焊接的控制要點

當(dāng)機庫大廳網(wǎng)架第1次提升至3.5 m高度與大門鋼管桁架中心平齊后，靜置24 h用于網(wǎng)架焊接應(yīng)力的釋放。在此期間，對所有焊縫的外觀質(zhì)量再次進行檢查，修補出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問題的焊縫。

由于網(wǎng)架受力后會出現(xiàn)下?lián)系惹闆r，在與大門鋼管桁架位置對接焊接前，再次對連接這兩部分桿件的實際所需長度進行測量，對于實測距離值與桿件長度相差小于10 mm的情況，通過調(diào)整背襯板的長度以及焊接工藝進行修正補償焊接，對于實測距離值與桿件長度相差超過10 mm的情況，將桿件的長度重新進行修正，避免誤差過大導(dǎo)致焊接質(zhì)量無法保證。

當(dāng)網(wǎng)架第2次整體提升至設(shè)計高度后，第3次對網(wǎng)架的下?lián)献冃吻闆r進行復(fù)核，將實際測量數(shù)值與理論計算撓度值進行對比分析，作為高空補桿焊接和后期鋼管桁架中預(yù)應(yīng)力張拉的參考。

由于桁架區(qū)域截面大、質(zhì)量大，且無固定的支座點，故該區(qū)域的焊接質(zhì)量尤為關(guān)鍵。為保證該網(wǎng)架焊接完成后的精度，項目部確定了先對稱焊接網(wǎng)架南（吊點D1—D4）北（吊點D10—D13）兩側(cè)，再焊接?xùn)|側(cè)（吊點D5—D9）的施工順序，全部焊接完成后再進行預(yù)應(yīng)力的張拉施工，有效避免了焊接應(yīng)力的集中。

4 結(jié)語

1）通過利用BIM技術(shù)和有限元軟件對網(wǎng)架進行深化設(shè)計和施工模擬，從理論上確定網(wǎng)架在安裝、提升過程中可能出現(xiàn)的偏差、下?lián)系惹闆r，將該部分差值在構(gòu)件的加工過程中就進行修正，減少了誤差的累積。

2）分析分級提升等設(shè)計階段未考慮到的工況下的網(wǎng)架節(jié)點強度需求，并將復(fù)核情況與設(shè)計院進行溝通，保證各工況下的安全性。

3）分別在地面散拼、分級提升和高空補桿等階段選擇合理的焊接順序，有效地避免了因焊接工序而帶來的焊接誤差累積和應(yīng)力集中。