杭州蕭山國際機場T4航站樓鋼結構屋蓋制造關鍵技術

成國棟，鄭偉鍵，陳 華，朱超偉，李 赟

(1 浙江東南網(wǎng)架股份有限公司， 杭州 311209； 2 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

1 工程概況

1.1 總體概況

杭州蕭山國際機場三期新建T4航站樓及陸側交通中心工程，建筑面積約150萬m2，總投資270億元，是2022年杭州亞運會重要基礎配套項目，屆時杭州蕭山國際機場將成為集地鐵、高鐵、大巴、私家車、網(wǎng)約車、出租車等多種交通方式為一體化的機場綜合交通中心[1]，機場三期工程建筑鳥瞰圖見圖1。

1.2 T4航站樓鋼結構屋蓋概況

杭州蕭山國際機場三期新建T4航站樓鋼結構屋蓋主要由支撐柱體系、封邊桁架和焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架三部分組成，其中支撐柱體系包括支撐柱、分叉節(jié)點和分叉柱，見圖2。

圖2 T4航站樓鋼結構屋蓋

T4航站樓支撐柱體系中的支撐柱包括5種類型，編號分別為GZ1～GZ5，材質(zhì)均為Q460C。其中GZ1為圓管柱，GZ2，GZ3為變截面圓管柱，GZ5為梭形柱，支撐柱的規(guī)格最小截面φ1 100×40，最大截面為φ2 174×60；GZ4又稱荷花谷柱，為荷花狀變截面彎扭鋼柱。

分叉節(jié)點外形形似倒圓臺，材質(zhì)為Q460C，尺寸為：4 500×3 800×3 900～7 400×5 700×4 600(長度×寬度×高度)，重40～110t/個。

在GZ1，GZ2，GZ3柱的柱頂分別設置10根分叉柱，材質(zhì)主要為Q345B和Q460C。外側4根分叉柱為箱形彎曲構件，截面為□900×400×30×35；內(nèi)側6根為H型彎曲構件，截面為H900×400×30×35；各分叉柱之間通過φ299×14圓管連成整體。

封邊桁架為焊接箱形桁架，通過鼓形節(jié)點與支撐柱體系的分叉柱相連。封邊桁架規(guī)格：□600×300×30×30～□800×800×40×40，材質(zhì)主要為Q345B和Q460C。

鋼結構屋蓋網(wǎng)架以焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架為主，通過焊接空心球與封邊桁架剛接，焊接空心球規(guī)格：WSR3020～WSR12045，桿件規(guī)格φ102×8～φ650×30，材質(zhì)主要為Q345B。

2 T4航站樓鋼結構屋蓋制造特點與難點

T4航站樓鋼結構屋蓋制造特點與難點如下：

(1)構件外形大、重量重。支撐體系構件多為大型超重構件，構件的加工對制作廠設備能力、工藝技術水平等硬件條件要求較高[2]，且結構復雜，為保證節(jié)點區(qū)留有足夠空間，便于焊接操作和焊后檢測[3]，需要制定加工制造專項工藝方案及焊接件翻身等專用工裝。

(2)造型復雜、深化及加工難度大。1)T4航站樓外形開闊流暢，內(nèi)部變截面圓管分叉柱形如細高的棕櫚樹，與穹頂相連，柱結構造型復雜，尤其是柱頂處桁架空間變化非常大，弦桿呈現(xiàn)小半徑扭轉變化，這對深化設計、加工制作和現(xiàn)場安裝提出了極大的挑戰(zhàn)；2)管桁架桿件布置較密集，節(jié)點交匯處焊接角度較小，另外存在多處桿件沿著中心線方向大范圍重疊情況，需根據(jù)實際放樣結果進行優(yōu)化；3)天窗整體造型為非標準球面，故天窗內(nèi)的桿件均為空間彎扭箱形構件。彎扭構件的深化及加工難度大，耗時長，不利于工程的進度控制。

(3)焊接空心球節(jié)點數(shù)量多、焊接量大。屋面鋼網(wǎng)架以焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架為主，空心球數(shù)量多且焊縫為全熔透二級，由傳統(tǒng)人工焊接，焊接勞動強度大，焊縫質(zhì)量也難以保證。

3 T4航站樓鋼結構屋蓋制造關鍵技術

3.1 分叉節(jié)點制造技術

支撐柱體系中分叉節(jié)點由鋼管柱、下環(huán)向板、環(huán)向勁板、上環(huán)向板和牛腿等組成，其中鋼管柱為大直徑厚壁卷制鋼管；上、下環(huán)向板呈碗狀形；環(huán)向勁板位于上、下環(huán)向板之間，被牛腿分開。分叉節(jié)點構造見圖3。

圖3 分叉節(jié)點構造圖

由于分叉節(jié)點尺寸大、重量重，構件內(nèi)部焊接工作量大且操作空間狹小，分叉節(jié)點采取在專用胎架上進行分步退拼方法，矯正變形穿插其中。分叉節(jié)點總體拼焊過程為：1)中間圓鋼管卷制、焊接；2)圓鋼管內(nèi)部環(huán)向、縱向加勁板組裝、焊接；3)上環(huán)向板(豎裝胎架)拼裝、焊接；4)牛腿上翼緣板拼裝；5)隔板1，2，4，6，7拼裝、焊接；6)環(huán)向勁板(橫裝胎架)拼裝、焊接；7)下環(huán)向板拼裝、焊接；8)隔板3，5拼裝、焊接；9)牛腿下翼緣板拼裝、焊接；10)拼焊牛腿端口勁板拼裝、焊接。

分叉節(jié)點的拼焊分為兩個階段：1)豎向拼裝，在水平鋼板上豎直拼裝、焊接；2)橫向拼裝，在專用輥輪搭設胎架上拼裝、焊接，見圖4。

圖4 分叉節(jié)點拼裝方法

3.2 封邊桁架制造技術

封邊桁架是支撐柱體系與屋蓋網(wǎng)架中間的過渡結構。封邊桁架系全焊接鋼結構，焊接導致桁架變形情形嚴重；成型后的封邊桁架剛性又非常大，一旦產(chǎn)生焊接變形，很再難矯回原位。因此，在進行封邊桁架的組裝焊接時，確定出合理的焊接工藝是十分必要的[4]。為確保封邊桁架制造質(zhì)量滿足設計及工藝要求，封邊桁架加工采取“分部組裝、整體預拼”的工藝方法，立足單體構件制作精度，保證封邊桁架的胎架精確組裝。

封邊桁架包括上、下弦桿和腹桿，其中復雜節(jié)點位于桁架下弦桿，見圖5。

圖5 封邊桁架構造圖

經(jīng)深化設計后，封邊桁架被拆分成11種類型的分裝部件同時加工，見圖6。其中，1，3，5為下弦桿復雜節(jié)點；2，4，6為下弦桿桿件部件；7，8為封邊桁架復雜節(jié)點；9為腹桿；10，11為上弦桿桿件部件。裝配順序遵循以下原則：首先進行11種類型分裝部件的分部組裝、焊接，接著進行封邊桁架整體預拼裝；檢驗合格后，各分裝部件包裝后發(fā)工地現(xiàn)場組裝、焊接。

圖6 封邊桁架拆分圖

3.2.1 桁架腹桿加工

桁架腹桿焊接形式為箱形，截面為□300×400×30×30，加工全部在焊接箱形自動生產(chǎn)線上完成，確保腹桿加工精度。

3.2.2 下弦桿復雜節(jié)點加工

下弦桿復雜節(jié)點包含多個空間角度牛腿，見圖7。節(jié)點深化設計時，通過運用3D3S建立節(jié)點三維空間實體模型，見圖8；然后再生成節(jié)點三維控制坐標點，見表1。工廠根據(jù)三維控制坐標點進行節(jié)點加工。

下弦桿復雜節(jié)點3空間控制點坐標數(shù)值(理論值)/mm 表1

圖7 下弦桿復雜節(jié)點3構造圖

圖8 下弦桿復雜節(jié)點3三維軸測圖

下弦桿復雜節(jié)點3總體拼裝順序為：1)H型鋼牛腿與箱形柱下翼緣板組裝、焊接；2)箱形柱縱向內(nèi)隔板組裝；3)箱形柱腹板組裝；4)焊接箱形柱縱向內(nèi)隔板與腹板；5)箱形柱橫向內(nèi)隔板組裝、焊接；6)箱形柱上翼緣板組裝；7)焊接箱形柱上翼緣板與H型鋼牛腿；8)腹板蓋板組裝、焊接；9)箱形柱封口板組裝、焊接；10)焊接與內(nèi)隔板焊縫、箱形柱自身焊縫；11)箱形牛腿1，2自身拼裝、焊接；12)箱形牛腿1與箱形柱拼裝、焊接；13)箱形牛腿2與箱形柱拼裝、焊接，矯正變形穿插在拼裝焊接過程中。下弦桿復雜節(jié)點3部分拼裝流程見圖9。

圖9 下弦桿復雜節(jié)點3部分拼裝流程

3.2.3 弦桿組裝及桁架預拼裝

上、下弦桿為組合構件，應采用分部組裝、焊接，矯正變形后再進行總裝、焊接[5]，拼裝時應確保復雜節(jié)點的精準定位。

為保證桁架現(xiàn)場安裝準確率，構件工廠加工后，需要對桁架進行整體預拼裝，確保關鍵控制點坐標精度符合設計要求，并做好檢驗記錄。構件除可采用實體預拼裝外，還可采用計算機輔助模擬預拼裝方法[6]。

3.3 鋼結構屋蓋焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架制造技術

鋼結構屋蓋焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架加工包括焊接空心球節(jié)點和桿件，加工實景見圖10。

圖10 屋蓋焊接空心球節(jié)點網(wǎng)架加工

網(wǎng)架桿件采用桿件自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了桿件從圓鋼管切割下料到各工序生產(chǎn)加工，直至完工入庫等生產(chǎn)全過程的一體化生產(chǎn)、信息化管理。

焊接空心球的半球由鋼板壓制而成，鋼板壓成半球后，表面不應有裂紋、褶皺；焊接空心球的兩半球?qū)犹幤驴谝瞬捎脵C械加工[7]；對接焊縫則運用焊接空心球節(jié)點機器人焊接，采用電動機驅(qū)動和液壓驅(qū)動實現(xiàn)球體的裝卡、夾緊、轉動、卸落以及焊槍的進退、擺動，并用微機程序控制無觸點限位開關控制各層焊接過程[8]。焊接過程如下：1)利用紅外線儀器校準焊接空心球焊縫中心，實現(xiàn)了焊接空心球的快速裝夾定位；2)利用接觸式傳感器多點采集空心球焊縫坡口數(shù)據(jù)，計算機器人焊槍焊絲位置基準，實現(xiàn)焊接中心精準定位；3)通過電弧傳感器實時監(jiān)測焊接電流的變化，反饋焊縫中心與焊接中心的位置偏差信息，實現(xiàn)了機器人運行中位置的智能控制。

4 結語

杭州蕭山國際機場三期新建T4航站樓鋼結構于2019年11月份開始制造，制造過程中，主要采取了以下關鍵技術：

(1)利用專用3D3S數(shù)字化三維實體建模軟件，自動生成復雜構件空間控制點坐標，大大提高了復雜構件制造精度。

(2)利用“分部組裝、整體預拼”的工藝方法，有效解決了構造復雜的大型桁架的組裝、焊接。

(3)網(wǎng)架焊接空心球的兩半球采用機器人焊接，不僅提高了焊接效率、降低了生產(chǎn)成本，還減少焊接對環(huán)境污染。