嚴(yán)擒龍 蘇海森 胡海國(guó) 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(lái)越廣泛，而此類桁架在施工過(guò)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(duì)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(jì)藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為空間構(gòu)件，實(shí)際是一個(gè)全過(guò)程的技術(shù)控制。

本文結(jié)合北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航1號(hào)機(jī)庫(kù)項(xiàng)目中的大門桁架施工，對(duì)桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)、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(guò)程闡述和分析。

1 結(jié)構(gòu)概況

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航1號(hào)機(jī)庫(kù)作為目前國(guó)內(nèi)最大跨度的機(jī)庫(kù)，平面尺寸達(dá)405 m 100 m，設(shè)計(jì)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(kāi)口邊設(shè)置的大門桁架作為整個(gè)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(gè)中柱，兩側(cè)跨度分別為222、183 m（圖1）。

圖1 機(jī)庫(kù)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(huì)密集，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜且受力大。因此，如何在深化過(guò)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(shí)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(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jì)

3.1 深化設(shè)計(jì)總體思路

深化設(shè)計(jì)不僅僅是將原設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為施工零件詳圖，其更大的意義在于通過(guò)深化設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性和重要節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行驗(yàn)算，確保所有的桿件和節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)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(shí)際的加工制作和安裝過(guò)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(duì)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(jí)。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(guò)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(huì)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(duì)BIM模型相交關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念，并且插板也將各斜交桿件彼此分開(kāi)，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(duì)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(jì)算分析

為保證節(jié)點(diǎn)受力安全，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)Ansys軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，節(jié)點(diǎn)實(shí)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(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示。計(jì)算時(shí)，從原計(jì)算模型中提取各個(gè)桿件對(duì)應(yīng)截?cái)辔恢玫膶?shí)際內(nèi)力，并采用平衡力系施加于有限元模型中。

通過(guò)計(jì)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(jì)算網(wǎng)格劃分

圖8 節(jié)點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力云圖

對(duì)于各種其他類型復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際深化過(guò)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(jì)、計(jì)算復(fù)核后，方可生成相應(yīng)的深化圖，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)制造前的深化設(shè)計(jì)。

4 桁架節(jié)點(diǎn)的加工制造

盡管深化時(shí)已優(yōu)化焊接空間、坡口尺寸、焊接類型等問(wèn)題，但實(shí)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(gè)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(jì)，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(gè)對(duì)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(duì)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(gè)支座節(jié)點(diǎn)質(zhì)量較大（40 t），為保證組裝測(cè)量的精度，整體組裝胎架必須有很強(qiáng)的剛性，且對(duì)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(shí)，應(yīng)該按照制定的順序依次將各板件吊上胎架平臺(tái)進(jìn)行定位，以定位中心線為基準(zhǔn)，將各板件中心線對(duì)齊定位基準(zhǔn)線，同時(shí)控制垂直度，測(cè)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(shí)，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(duì)以上這些問(wèn)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(shí)產(chǎn)生過(guò)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(jì)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(duì)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(gè)角度，尤其在焊接超厚板時(shí)，側(cè)板坡口面角度應(yīng)超過(guò)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(duì)稱焊接。

選擇合理的焊接工藝、焊接材料及焊接順序，通過(guò)制定專門的方案措施，嚴(yán)格控制組裝、焊接過(guò)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(gè)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(chǎng)實(shí)際安裝時(shí)，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?，F(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件組拼的順利進(jìn)行。

5.1 數(shù)字預(yù)拼裝單元?jiǎng)澐?/h3>

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(chǎng)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(duì)應(yīng)桁架為QHJ，東側(cè)R軸線對(duì)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(jì)包括串口通信協(xié)議、串口自動(dòng)識(shí)別、串口定時(shí)發(fā)送和串口即時(shí)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(shí)，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(duì)各節(jié)點(diǎn)端口進(jìn)行編號(hào)。

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(shí)況數(shù)字模擬拼裝進(jìn)行整體的模擬施工（即將相鄰2個(gè)構(gòu)件按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)示，然后按照統(tǒng)一的基準(zhǔn)進(jìn)行一對(duì)一電腦拼接），對(duì)弦桿、腹桿等的自由邊間隙、板邊差及錯(cuò)邊等進(jìn)行一對(duì)一的模擬。

5.3.1 構(gòu)件外形檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集

數(shù)字模擬預(yù)拼裝主要比對(duì)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(cuò)邊以及間隙：采用地樣法和全站儀，測(cè)量端口的幾何尺寸及其相對(duì)構(gòu)件基準(zhǔn)線的定位尺寸。

2）拼裝單元的對(duì)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(duì)比。

3）對(duì)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(shí)際外形尺寸。

圖13 大門桁架RHJ、QHJ

圖14 單構(gòu)件斜腹桿測(cè)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(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，桁架高度方向?yàn)閥軸，厚度方向?yàn)閦軸，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(cuò)邊及板邊差進(jìn)行比對(duì)。

5.3.3 數(shù)字模擬預(yù)拼裝結(jié)果

將單根構(gòu)件的驗(yàn)收實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)整體坐標(biāo)系后，得出節(jié)點(diǎn)對(duì)接端口在整體桁架中的模擬坐標(biāo)數(shù)據(jù)。綜合本次對(duì)大門桁架Q軸線整榀桁架構(gòu)件617個(gè)端口、4 936個(gè)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(jì)、相關(guān)規(guī)范的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(guò)程的控制。

本工程充分運(yùn)用深化設(shè)計(jì)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(wèn)題；加工時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分步拆分模擬組裝、專項(xiàng)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(zhǎng)、場(chǎng)地受限的難題，同時(shí)有效地驗(yàn)證了桿件的加工精度。

最終構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)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(shí)物預(yù)拼裝費(fèi)用的同時(shí)，也縮短了整個(gè)工程的工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

一個(gè)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(wèn)題，都會(huì)對(duì)最終結(jié)構(gòu)造成影響，實(shí)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(jì)優(yōu)化的重要性。對(duì)于數(shù)字模擬預(yù)拼裝技術(shù)，近些年運(yùn)用得越來(lái)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(chǎng)安裝需求，對(duì)工程工期及質(zhì)量的保證起到了關(guān)鍵作用。

通過(guò)對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)南航1號(hào)機(jī)庫(kù)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(jì)—加工制造—數(shù)字預(yù)拼裝進(jìn)行了全過(guò)程的闡述，可為后續(xù)工程提供借鑒。