一種空間多端頭彎扭箱型節(jié)點(diǎn)的制作工藝研究

杜冰冰 闕子雄 王笛 馮林濤 楊旺 胡誠安

摘要：某工程鋼結(jié)構(gòu)屋面采用大跨度箱型懸挑結(jié)構(gòu)體系，由大量節(jié)點(diǎn)及附屬桿件組成，節(jié)點(diǎn)端頭均為彎扭結(jié)構(gòu)，相關(guān)加工制作經(jīng)驗(yàn)較為缺乏。闡述了該節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、革新組合折彎工藝、強(qiáng)化異型構(gòu)件裝配焊接質(zhì)量控制，減少了整個(gè)屋面的彎扭結(jié)構(gòu)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了高效制作和高精度控制，為類似工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：彎扭箱型節(jié)點(diǎn);建模思路;組合折彎;精度控制

中圖分類號(hào)：TG457.2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0041-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.07

0 ? ?前言

隨著鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，造型設(shè)計(jì)越來越受到業(yè)主和設(shè)計(jì)的青睞，其中雙曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)造型的有效途徑，并在鳥巢、深圳灣體育中心、珠海歌劇院等典型工程中得到了工程驗(yàn)證。此類彎扭構(gòu)件彎曲曲率較小，節(jié)點(diǎn)均為平直構(gòu)件組成，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間采用彎扭過渡段，此類構(gòu)件有較為成熟的制作經(jīng)驗(yàn)，但是針對(duì)節(jié)點(diǎn)采用彎扭段的大曲率彎扭結(jié)構(gòu)，目前還缺少具體的加工制作經(jīng)驗(yàn)[1-5]。

1 概述

某工程屋面整體結(jié)構(gòu)外觀呈現(xiàn)一種波浪曲面（見圖1），由彎扭節(jié)點(diǎn)和中間直段桿件組成（見圖2）。節(jié)點(diǎn)類型主要有十字型節(jié)點(diǎn)、米字型節(jié)點(diǎn)、Y字型節(jié)點(diǎn)和T字型節(jié)點(diǎn)，多端頭彎扭箱型節(jié)點(diǎn)的數(shù)量達(dá)2 000個(gè)。

1.1 多端頭彎扭米字型節(jié)點(diǎn)

文中以米字型節(jié)點(diǎn)為例，闡述工藝制作思路及質(zhì)量精度控制措施。該米字型節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場與10個(gè)構(gòu)件相連接，其中7個(gè)箱型牛腿端頭有彎扭段，彎扭段長度250～450 mm，每個(gè)牛腿翼板、腹板至少存在2道折彎，其中一道為斜角折彎（見圖3）。

1.2 制作重難點(diǎn)

（1）整個(gè)屋面為波浪形曲面，建模過程中如何減少異型構(gòu)件的數(shù)量和難度，使節(jié)點(diǎn)之間的構(gòu)件為常規(guī)箱體（可流水線作業(yè)），且使端口為矩形，便于現(xiàn)場對(duì)接，此為深化的難點(diǎn)。

（2）彎扭板件數(shù)量較大，折彎道次多，如何做到彎扭板件快速出圖、識(shí)圖簡單、成形便捷精準(zhǔn)，此為制作的重難點(diǎn)之一。

（3）彎扭節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何通過拼裝、焊接的工藝措施保證質(zhì)量精度，此為制作的重難點(diǎn)之二。

2 深化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：為減少整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)的異型程度和數(shù)量，將屋面鋼梁方向調(diào)整集中化，采取短異型箱型梁或節(jié)點(diǎn)端頭過渡進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而使相連接的箱型鋼梁為常規(guī)直構(gòu)件，且連接端口設(shè)置為矩形。

2.1.1 組合折彎形式彎扭

多端頭彎扭箱型節(jié)點(diǎn)彎扭段集中在端頭250～

450 mm，且端口為矩形。若采用平滑過渡（見圖4）的彎扭進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備無法保證在端面為直線的情況下完成平滑彎扭成型。在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件下，采取組合折彎的方式達(dá)到彎扭過渡（見圖5），零件板可采取折彎機(jī)進(jìn)行成型且板端頭為直線，板件成型效率高、尺寸精度高。

2.1.2 建模注意事項(xiàng)

（1）多端頭夾角較小的情況下（見圖6），中間位置板件在折彎時(shí)，折刀同時(shí)會(huì)接觸兩側(cè)板件，因此要求兩邊板件連線a與折彎線相距應(yīng)小于折彎機(jī)下模槽口的1/2。

（2）部分板件折彎角度較大，折彎位置設(shè)置在端頭，采用折彎機(jī)加工易形成矢彎（見圖7）。為避免此情況，對(duì)于板厚t≥25 mm和折彎角度大于5°的板件，將折彎位置向內(nèi)平移100 mm以上。

2.2 零件圖出圖方法

深化設(shè)計(jì)從未出過類似板件的零件圖，完全采用坐標(biāo)點(diǎn)出圖工作量巨大且車間員工識(shí)圖困難。為此，摒棄原始采用側(cè)面剖視圖來表達(dá)折彎尺寸的方法，通過俯視圖數(shù)值法來表達(dá)折彎尺寸。新型折彎出圖方法簡介：以中間區(qū)域?yàn)樗交鶞?zhǔn)，各個(gè)端頭空間高度與中間水平位置做差，折彎角度標(biāo)記在折彎線附近，正負(fù)數(shù)值分別代表向上折和向下折。此種方式尺寸清晰，圖紙出圖速度快，且車間識(shí)圖容易、測量簡便（見圖8）。

3 節(jié)點(diǎn)制作工藝

3.1 板件折彎精度控制

（1）下料準(zhǔn)備。

方向標(biāo)識(shí)：零件圖中設(shè)置板件正面標(biāo)識(shí)，此種板件套料不可鏡像，數(shù)控下料時(shí)將正面標(biāo)識(shí)移植到板件上。

（2）折彎尺寸數(shù)值移植。

根據(jù)板件正面標(biāo)識(shí)的位置，確認(rèn)板件與折彎圖紙的方向，將圖紙尺寸移植到板件上（見圖9）。

（3）組合折彎順序。

折彎機(jī)上配有紅外線定位，每一道折彎完成均對(duì)角度進(jìn)行檢查。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)折彎線①進(jìn)行折彎，再對(duì)折彎線②進(jìn)行折彎，此順序折彎精度高，第二道折彎對(duì)第一道折彎影響較?。ㄒ妶D10），效果良好。

（4）質(zhì)量控制。

折彎板件在簡易的水平胎架上進(jìn)行驗(yàn)收，采用水平儀和角尺重點(diǎn)控制角部翹起的高度（見圖11）。

3.2 構(gòu)件裝焊質(zhì)量精度控制

（1）拼裝精度控制。

本節(jié)點(diǎn)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅憑構(gòu)件圖難以表達(dá)尺寸，需通過空間三維坐標(biāo)點(diǎn)圖來進(jìn)行定位和裝配。

①繪制地樣、搭設(shè)胎架。根據(jù)構(gòu)件的俯視投影尺寸，在水平鋼板胎架上繪制節(jié)點(diǎn)投影線、關(guān)鍵尺寸控制點(diǎn)并打上樣沖眼，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)搭設(shè)胎架（見圖12）。

②分步拼裝。將構(gòu)件主體放置在胎架上，調(diào)整兩端口的尺寸，然后進(jìn)行定位焊接（見圖13）。構(gòu)件在胎架上進(jìn)行打底焊接，之后下胎將構(gòu)件翻身，采用平焊位置進(jìn)行填充蓋面，盡可能減小焊接變形引起的尺寸偏差。焊接完畢后進(jìn)行隱蔽報(bào)驗(yàn)和UT探傷，最后再回胎對(duì)尺寸進(jìn)行復(fù)核調(diào)整。

在胎架上依次裝配其他牛腿，尺寸檢查合格后在胎架上進(jìn)行打底焊接。然后下胎進(jìn)行焊接，依次循環(huán)至所有板件均裝焊完成。

（2）焊接精度控制。

控制原則：堅(jiān)持焊接變形控制為主、兼顧焊接位置的方針，根據(jù)拼裝順序制定相應(yīng)的焊接順序。

①胎架上打底焊接，最大程度上固定焊接結(jié)構(gòu)，減少變形。

②下胎焊接時(shí)，依據(jù)對(duì)稱施焊的思路，保持焊接能量的均衡性（見圖14）。同時(shí)采取小的熱輸入，焊接手法上采取多層多道焊。

③焊接位置選擇：胎架上采取橫焊打底，節(jié)點(diǎn)主體兩側(cè)對(duì)稱焊接。下胎后以平焊為主，保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量（見圖15） 。

④小夾角部位焊接。本工程牛腿之間小夾角部位非常多，大部分通過折彎已經(jīng)進(jìn)行規(guī)避，但是個(gè)別牛腿之間的夾角還存在最小35°的情況，常規(guī)從外側(cè)無法做到全熔透。針對(duì)該情況，采用牛腿散拼的方式裝配，小夾角板件根部留2 mm間隙，外側(cè)封底焊，然后從內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接（見圖16）。

（3）質(zhì)量驗(yàn)收。

節(jié)點(diǎn)整體焊接完畢后，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的要求，質(zhì)檢員在胎架上對(duì)空間尺寸、外觀進(jìn)行檢驗(yàn)（見圖17）。

4 結(jié)論

以某屋面鋼結(jié)構(gòu)箱型節(jié)點(diǎn)制作加工0為例，敘述了采用組合折彎取代弧形彎扭過渡的方法設(shè)計(jì)多端頭箱型節(jié)點(diǎn)的制作工藝，通過深化優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件圖革新、專項(xiàng)折彎工藝、拼裝工藝、焊接工藝等措施，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量的精度控制，為類似工程提供借鑒有效的參考經(jīng)驗(yàn)。

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