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，結構也越來越復雜，因此傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構無法滿足特殊的結構要求，只能由鋼結構工程來實現(xiàn)，鋼結構工程中有大量彎扭曲面成型構件的應用。從鋼結構深化設計、焊縫設計、零件套料及成型、構件裝配、構件焊接及成型精度檢測等方面論述了鋼結構彎扭桁架的制作及精度控制措施，為此類鋼構件的加工和制作提供了可靠的參考方案。

關鍵詞：彎扭;菱形箱體;制作技術;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)的造型已經不能滿足大眾對建筑的需求。在現(xiàn)代建筑中，新型建筑結構和造型越來越來普遍，建筑造型越來越新穎，結構也越來越復雜。由于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構無法滿足這種特殊的結構要求，所以只能由鋼結構工程來實現(xiàn)這一特點。尤其是在形態(tài)及結構造型等方面具有藝術形態(tài)感的鋼結構工程中，彎扭曲面成型構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

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

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格結構形式，主要結構構件為菱形箱型。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：工程深化設計、彎扭板件成型、構件裝配、構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要點。

2 構件制作工藝探究

2.1 深化設計

（1）軟件選擇。

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

（2）余量加放。

本工程結構及構件特殊性，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)車間的制作和構件的尺寸檢驗。

②裝配圖中彎扭箱體擺放位置要求。構件位置盡可能相對擺平，即：三點確立一個平面原則，要求以構件一端端口下側兩點與另一端口下側一點組成平面為基準。使構件擺平，左側端口A、B點與右側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

該類型構件無法實現(xiàn)流水線生產作業(yè)，只可在裝配班組采用人工平臺、胎架形式進行組立，胎架設計要求：既要滿足剛性要求，又要具備局部調整功能。因此，根據(jù)構件的質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的投影線，如主體端口、下翼板、兩側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：搭設胎架。根據(jù)投影輪廓線及控制點放置胎架，搭設立桿橫鋪水平板，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，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備（楔釘或千斤頂），使各關鍵控制點與坐標、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。然后焊接內隔板與下翼板、兩側腹板的焊縫，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：構件大組立。將兩側的箱型主桿（**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：構件涂裝。構件報檢合格后，轉入涂裝車間進行涂裝處理。油漆干透后方可轉入成品貨場等待發(fā)運，如圖22所示。

2.4 構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。

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

（3）焊縫內部質量檢查。

本彎扭箱體構件主焊縫全部按照全熔透一級焊縫要求制作，且工廠內按焊縫條數(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（因總包及業(yè)主對構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. 裂縫等內在缺陷的修補。在原預熱溫度的基礎上進行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 結論

國網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構工程（如：鳥巢、珠海歌劇院、成都海洋館）制作工藝，但國網工程又有其特殊性，將工程實際與以往類似構件制作經驗相結合形成了本制作工藝方案（見圖26）。目前國網工程鋼結構部分主體已經基本完工，其效果得到了業(yè)主及設計院相關人員的一致認可。文中從鋼結構深化設計、焊縫設計、零件套料及成型、構件裝配、構件焊接及成型精度檢測等方面論述了鋼結構彎扭桁架的制作及精度控制措施，為此類鋼構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. 鋼結構焊接技術培訓教程[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2009.

[2] GB 50661-2011鋼結構焊接規(guī)范[S]. 2011.

[3] GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范[S]. 2001.