異型變截面多腔體構(gòu)件的制作方法

劉代龍，王笛，杜冰冰，闕子雄，王政，施再追，李建鋼，萬濤平，王達(dá)，沈周浩

浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000

1 工程概況

西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模僅次于北京新機(jī)場(chǎng)，為4F級(jí)民用國(guó)際機(jī)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)八大樞紐機(jī)場(chǎng)之一，國(guó)家“十三五”規(guī)劃中明確建設(shè)的國(guó)際樞紐之一。本工程?hào)|航站樓采用1+6的整體構(gòu)型，由一個(gè)集中式主樓中央C區(qū)及六條指廊構(gòu)成。航站樓平面輪廓尺寸1 242 m×832 m，總建筑面積70萬m2，分C區(qū)大廳和六條指廊，效果圖如圖1所示。

2 異型變截面多腔體柱節(jié)點(diǎn)

2.1 柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

本工程?hào)|航站樓C區(qū)大廳的地上屋蓋支撐柱共計(jì)112根，其中Y形柱56根。鋼柱截面從下向上，柱底位置八邊形經(jīng)由鑄鋼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樯喜课暹呅?。柱最大截面柱?guī)格為1 800×1 400×30×50，最小截面規(guī)格1 200×880×24×40。材質(zhì)為Q355B、Q355GJC、Q390GJC、局部Y形柱采用Q420GJC，鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT。構(gòu)件整體具體布置形式如圖2所示。

圖2 上部Y形鋼柱布置圖Fig.2 Layout of the upper Y-shaped steel column

鋼柱總高約40 m，總共分為3大段。下段為八邊形，中間為鑄鋼節(jié)點(diǎn)，上部為五邊形。柱上部五邊形為厚板彎扭造型形式。同時(shí)，為保證機(jī)場(chǎng)整體外觀，本工程雨水管為內(nèi)置于鋼柱內(nèi)部形式。具體如圖3、圖4所示。

圖3 單根Y形鋼柱形式Fig.3 Form of single Y-shaped steel column

圖4 雨水管形式Fig.4 Rain pipe form

2.2 鋼柱重難點(diǎn)分析

（1）異型變截面的大型彎扭構(gòu)件，截面樣式非常規(guī)形式，故構(gòu)件主材板邊緣為非常規(guī)形式的直角邊，隨著彎扭構(gòu)件曲度的變化，大型彎扭構(gòu)件邊緣為漸變角度的斜邊。構(gòu)件外部邊緣部位的準(zhǔn)確坐標(biāo)尺寸，不僅影響建筑的整體造型，同時(shí)也對(duì)構(gòu)件的安裝尺寸精度起到了至關(guān)重要的作用。故針對(duì)構(gòu)件邊緣位置在建模時(shí)的尺寸精度是當(dāng)前控制的難點(diǎn)。

（2）鋼柱主體為線性彎扭板形式且造型復(fù)雜，板厚約為40 mm、50 mm左右，材質(zhì)以高強(qiáng)鋼為主。材料本體剛性較大，成形難度大，較難得到理想效果。對(duì)于彎扭板的成形是當(dāng)前制作的難點(diǎn)。

（3）構(gòu)件八邊形與五邊形的轉(zhuǎn)換位置為鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT。碳當(dāng)量偏大，屬于焊接性差的材料，冷裂紋傾向較為嚴(yán)重，因此在施焊時(shí)采用合理的焊接參數(shù)是當(dāng)前控制的重點(diǎn)。

（4）鋼柱主體均為外露形式，現(xiàn)場(chǎng)鋼柱外部無裝飾包裹。在保證尺寸精度的前提下，同樣應(yīng)保證構(gòu)件外部外觀質(zhì)量，故要求外部焊縫均需打磨平整，焊縫打磨工作強(qiáng)度大，成本高，減少焊縫焊接量以及焊縫打磨量是當(dāng)前控制的難點(diǎn)［1］。

（5）為了更好地展現(xiàn)機(jī)場(chǎng)內(nèi)部的簡(jiǎn)潔美觀，本工程雨水管均為內(nèi)置于鋼柱內(nèi)部。因鋼柱為復(fù)雜變截面彎扭柱，構(gòu)件加工非常規(guī)形式，且落水管管壁壁厚僅2 mm，確保落水管的合理安裝順序以及安裝時(shí)的成品保護(hù)為當(dāng)前控制的難點(diǎn)。

3 多腔體柱的制作工藝研究

3.1 彎扭板的建模尺寸定位

多腔體變截面尺寸的五邊形彎扭柱，截面樣式非常規(guī)形式，故構(gòu)件主材板邊緣為非常規(guī)形式的直角邊，隨著彎扭構(gòu)件曲度的變化而變化［2］，具體如下圖5、圖6所示。

圖5 變截面形式Fig.5 Form of variable cross-section

圖6 邊角變化形式Fig.6 Corner change form

構(gòu)件外部邊緣部位的準(zhǔn)確坐標(biāo)尺寸，不僅影響建筑的整體造型，同時(shí)也對(duì)構(gòu)件的安裝尺寸精度起到了至關(guān)重要的作用。故針對(duì)構(gòu)件邊緣位置在建模時(shí)，采取以下步驟：

（1）首先將構(gòu)件翼腹板伸出主材外，找出兩板之間截面方向的兩個(gè)相交點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 主材板相交線Fig.7 Intersection lines of main wood plates

（2）找出單根構(gòu)件單塊板端部位置的四個(gè)相交點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 主材相交點(diǎn)Fig.8 Intersection points of main materials

（3）以四個(gè)相交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，重新再建出一塊超薄1 mm的彎扭板，如圖9所示。

圖9 輔助彎扭板Fig.9 Auxiliary bending and twisting plate

（4）輔助彎扭板與主材翼腹板相交線進(jìn)行核對(duì)，對(duì)于局部偏差較大的位置進(jìn)行調(diào)整。

（5）取輔助彎扭薄板與主材板的差集，將多余部分刪除，得到實(shí)際主材邊緣線。

3.2 扭板壓制

本工程扭曲鋼板主要為線性扭曲，主要為鋼柱上部的五邊形區(qū)域。所謂線性扭曲箱體的特點(diǎn)是腹板平直、翼緣板只扭不彎（成型后地面投影為規(guī)則矩形），有別于常規(guī)的扭曲和彎扭構(gòu)件。

彎扭板件成型思路：?jiǎn)螇K扭板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為兩端部呈扭曲狀，而四條主材邊緣為直邊，板為大小頭形式，規(guī)格以500×900×40（50）為主，長(zhǎng)度6～14 m，節(jié)點(diǎn)扭板的成型方式選擇對(duì)角折彎成型，扭度小的，選擇一道成形，扭度大的選擇多道折彎成形。具體如圖10所示。

基于上述思路，針對(duì)本工程的彎扭板，同時(shí)結(jié)合壓力機(jī)的參數(shù)提出以下工藝路線：

（1）針對(duì)板件規(guī)格為40 mm及以下板厚長(zhǎng)度不大于6 m時(shí)，且折彎角度θ≤3°時(shí)，采用一道折彎成型的方式制作；3°＜θ≤6°時(shí)，采用兩道折彎成型；5°＜θ≤9°時(shí)，采用三道折彎成型；對(duì)角線第一道壓最大3°，后面每一道壓2°～3°，兩道折彎線偏移120 mm。

（2）針對(duì)板件規(guī)格為40 mm以上板厚長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，當(dāng)折彎角度θ≤3°時(shí)，采用一道折彎成型制作，3°＜θ≤5°時(shí)，采用兩道折彎成形；5°＜θ≤7°時(shí)，采用三道折彎成形；7°＜θ≤9°時(shí)，采用四道折彎成形；9°＜θ≤11°時(shí)，采用五道折彎成形。對(duì)角線第一道壓最大3°，后面每一道壓1°～2°，兩道折彎線偏移120 mm。在同一道折彎線上，兩次壓刀重合長(zhǎng)度達(dá)到150～200 mm之間，下刀時(shí)觀察板件狀態(tài)，有死彎趨勢(shì)時(shí)立即停止［3］。

本工程折彎板為8°～0°漸變形式，故在折彎時(shí)，針對(duì)不同區(qū)間，采用了不同的折彎道數(shù)，如圖11所示［14］。

圖11 折彎要求Fig.11 Bending requirements

3.3 鑄鋼件的焊接工藝

異型變截面鋼柱的中部轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)位置為鑄鋼件，材質(zhì)為G20Mn5QT，根據(jù)鑄鐵碳當(dāng)量計(jì)算公式［1］CE=［C+1/3（Si+P）］×100%得出鑄鐵碳當(dāng)量約為0.4，焊接性能偏弱，其中碳含量為0.202，在合格臨界值附近，含碳量越高，碳當(dāng)量值越大，材料更偏向于硬、脆，淬硬傾向增大，塑性存在下降趨勢(shì)，并且在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋的傾向也隨之增大。材料的焊接性能也隨之降低?；谏鲜鲈?，生產(chǎn)前按照以下焊接參數(shù)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定［9］。具體施焊步驟如下：

（1）焊前清理：施焊前應(yīng)對(duì)坡口面及兩側(cè)進(jìn)行打磨，去除表面的水、氧化皮、油污等雜質(zhì)。

（3）焊前預(yù)熱：預(yù)熱溫度為200～250 ℃，預(yù)熱范圍為坡口面兩側(cè)100 mm內(nèi)。

（4）焊接參數(shù)：電流250～300 A，電壓30～36 V，焊接速度300～500 cm/min。

（5）焊接位置：2G。

（6）層間溫度：200～250 ℃。

（7）采用多層多道焊，禁止擺動(dòng)焊接。

采用該施焊參數(shù)，施焊后的焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能的拉伸、彎曲、沖擊結(jié)果如表1、圖12所示。結(jié)果顯示，采用該焊接方法，可滿足施焊要求［1-2］。

表1 力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties

圖12 力學(xué)實(shí)驗(yàn)Fig.12 Mechanical experiment

3.4 雨水管的安裝工藝

本工程雨水管為內(nèi)置于鋼柱內(nèi)形式，且雨水管壁厚僅為2 mm。鋼結(jié)構(gòu)在加工制作過程中會(huì)存在火矯、轉(zhuǎn)運(yùn)、拋丸等工序。故在制作過程中對(duì)雨水管的成品保護(hù)要求較高?；谏鲜鲆螅岢鲆韵鹿に嚶肪€要求：

（1）為避免出現(xiàn)雨水管在后續(xù)拋丸時(shí)出現(xiàn)拋傷變形的情況，對(duì)于存在雨水管外露段的構(gòu)件，要求將零件先轉(zhuǎn)運(yùn)至涂裝車間進(jìn)行拋丸除銹，其次再轉(zhuǎn)回裝焊班組進(jìn)行組拼。采用散件拋丸的方法避免出現(xiàn)雨水管刨傷的情況［4］。

（2）對(duì)于五邊形彎扭區(qū)域，扭板在折彎后，局部位置仍然存在尺寸偏差，該位置需要采用火焰進(jìn)行局部矯正。鋼板在加熱矯正過程中，易對(duì)內(nèi)部雨水管造成燒傷的情況。針對(duì)該問題，要求針對(duì)五邊形彎扭柱內(nèi)部的雨水管在拼裝前，包裹防火布起到保護(hù)作用。

4 多腔體柱的拼裝工藝

4.1 八邊形的拼裝工藝

針對(duì)八邊形柱的組拼主要有以下步驟：

（1）首先組拼十字柱，十字柱的組立過程主要分為三個(gè)步驟，即H型鋼的制作、T形鋼的制作及十字柱的組立。

（2）其次加裝十字柱內(nèi)隔板。內(nèi)隔板加裝完畢后檢查尺寸并進(jìn)行施焊。

（3）將雨水管插入內(nèi)隔板上的預(yù)留孔，同時(shí)采用卡扣固定焊接在鋼柱上。另外，雨水管在固定之前需包裹好保溫棉和防火棉。

（4）最后將四塊側(cè)板拼裝至構(gòu)件上。四塊側(cè)板安裝時(shí)需注意坡口的加工。為減少焊接量，提高生產(chǎn)效率，側(cè)板在拼裝時(shí)不能采用常規(guī)側(cè)板與十字主體板的自然坡口施焊［6］。具體要求如下：

①首先要求側(cè)板主材寬度采用長(zhǎng)邊下料，如圖13所示。

圖13 側(cè)板長(zhǎng)邊下料Fig.13 Cutting the long side of the side panel

②其次，要求側(cè)板在拼裝前先開設(shè)坡口，再進(jìn)行拼裝。坡口角度與側(cè)面主材板之間為35°［1］。具體如圖14所示。

圖14 坡口大樣要求Fig.14 Requirements for large groove

③對(duì)于主材與隔板需要熔透的位置開設(shè)塞焊孔。

（5）側(cè)板拼裝完畢后，采用多層多道焊進(jìn)行施焊，施焊時(shí)注意焊腳余高不宜過高。施焊完畢后對(duì)構(gòu)件外表面進(jìn)行打磨平整處理［13］。

4.2 五邊形的拼裝工藝

對(duì)于上部雙枝五邊的拼裝工藝路線如下：

（1）為保證構(gòu)件外輪廓尺寸，構(gòu)件在拼裝前，需根據(jù)模型中不同的點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)板材邊緣的斜邊輪廓進(jìn)行切割加工。具體如圖15所示。

圖15 邊緣斜角割除Fig.15 Edge bevel cut

（2）根據(jù)構(gòu)件圖隔板位置的剖面圖，在水平平臺(tái)上對(duì)每塊隔板位置畫出相關(guān)的投影線，如主體端口、下翼板、兩側(cè)斜腹板等重要控制部位的輪廓線或投影線，并對(duì)重要的位置打上樣沖眼［3-4］。具體如圖16所示。

圖16 地樣標(biāo)識(shí)Fig.16 Site identification

（3）根據(jù)投影輪廓線及控制點(diǎn)放置胎架，搭設(shè)支撐桿，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(zhǔn)儀找平，誤差在1 mm內(nèi)［12］。具體如圖17所示。

圖17 搭設(shè)胎架Fig.17 Erection of a tire frame

（4）依照胎架位置，放置底板，底板就位后，將中間腹板與底板組立并焊接。在底板及中間腹板吊鉛垂線，垂線應(yīng)與地樣坐標(biāo)點(diǎn)重合。具體如圖18所示。

圖18 底板就位Fig.18 Installation of the bottom plate

（5）根據(jù)圖紙尺寸對(duì)內(nèi)隔板位置進(jìn)行劃線。對(duì)內(nèi)隔板進(jìn)行坡口加工，同時(shí)拼裝至構(gòu)件上。拼裝完畢后進(jìn)行全熔透施焊，并報(bào)探傷［3-4］。具體如圖19所示。

圖19 隔板拼裝Fig.19 Partition board assembly

（6）先將斜側(cè)板就位，就位后利用火工及輔助外力設(shè)備（楔釘或千斤頂），使各關(guān)鍵控制點(diǎn)與坐標(biāo)、尺寸一一對(duì)應(yīng)就位，誤差不超過2 mm；將內(nèi)隔板與側(cè)板直接進(jìn)行施焊，施焊后進(jìn)行UT檢測(cè)。具體如圖20所示。

圖20 側(cè)板拼裝Fig.20 Side panel assembly

（7）隔板拼裝完畢后，將雨水管放置入構(gòu)件內(nèi)并進(jìn)行固定，如圖21所示。

圖21 雨水管拼裝Fig.21 Assembly of storm pipe

（8）上板拼裝前首先對(duì)扭板進(jìn)行地樣放樣檢查，確定單塊板尺寸符合圖紙要求。同時(shí)對(duì)需要與隔板熔透的位置開設(shè)塞焊孔，最后將上蓋板拼裝至構(gòu)件上與主體之間施焊。

（9）對(duì)主體焊縫采用全熔透施焊，施焊時(shí)注意電流電壓控制，避免焊接變形。施焊完畢后進(jìn)行回胎，對(duì)焊接變形的位置進(jìn)行回胎，回胎后對(duì)主焊縫進(jìn)行打磨平整處理。上述步驟完成后，對(duì)全熔透焊縫進(jìn)行UT探傷。對(duì)構(gòu)件外觀進(jìn)行修正打磨，檢查構(gòu)件尺寸，對(duì)超差部位進(jìn)行校正［10］。

5 結(jié)束語

（1）通過對(duì)本工程變截面多邊形柱構(gòu)造形式、加工重難點(diǎn)的分析，制定合理的制作工藝路線方式，在制作過程中采取有效的裝配工藝措施和焊接變形控制措施，確保了構(gòu)件的加工質(zhì)量，最終通過對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量驗(yàn)收，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

（2）在節(jié)點(diǎn)施工過程中，結(jié)合實(shí)際加工情況，不斷調(diào)整完善工藝方案，并對(duì)合理化的措施進(jìn)行整理，形成一套針對(duì)異型變截面多腔體構(gòu)件的制作管理體系，為今后的同類構(gòu)架提供了可靠的依據(jù)。