一種空間多端頭彎扭箱型節(jié)點(diǎn)的制作工藝研究

1、 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(chéng)安Summary：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(guò)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(lèi)似工程提供參考借鑒。Key：彎扭箱型節(jié)點(diǎn);建模思路;組合折彎;精度控制：TG457.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ：1001-2003（2021）06-0041-05DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.20

2、21.06.070 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(lái)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(niǎo)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(lèi)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(guò)渡段，此類(lèi)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(jiàn)圖1），由彎扭節(jié)點(diǎn)和中間直段桿件組成（見(jiàn)圖2）。節(jié)點(diǎn)類(lèi)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

3、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(chǎng)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(zhǎng)度250450 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(jiàn)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(guò)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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)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

4、 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(guò)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250450 mm，且端口為矩形。若采用平滑過(guò)渡（見(jiàn)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(wú)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(guò)渡（見(jiàn)圖5），零件板可采取折彎?rùn)C(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(jiàn)圖6），中

5、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?rùn)C(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?rùn)C(jī)加工易形成矢彎（見(jiàn)圖7）。為避免此情況，對(duì)于板厚t25 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(guò)類(lèi)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(chē)間員工識(shí)圖困難。為此，摒棄原始采用側(cè)面剖視圖來(lái)表達(dá)折彎尺寸的方法，通過(guò)俯視圖數(shù)值法來(lái)表達(dá)折彎尺寸。新型折彎出圖方法簡(jiǎn)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

6、和向下折。此種方式尺寸清晰，圖紙出圖速度快，且車(chē)間識(shí)圖容易、測(cè)量簡(jiǎn)便（見(jiàn)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(jiàn)圖9）。（3）組合折彎順序。折彎?rùn)C(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(guò)實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)折彎線進(jìn)行折彎，再對(duì)折彎線進(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?jiàn)圖10），效果良好。（4）質(zhì)量控制。折彎板件在簡(jiǎn)易的水平胎架上進(jìn)行驗(yàn)收，采用水平儀和

7、角尺重點(diǎn)控制角部翹起的高度（見(jiàn)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(guò)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)圖來(lái)進(jìn)行定位和裝配。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(jiàn)圖12）。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(jiàn)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

8、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。胎架上打底焊接，最大程度上固定焊接結(jié)構(gòu)，減少變形。下胎焊接時(shí)，依據(jù)對(duì)稱(chēng)施焊的思路，保持焊接能量的均衡性（見(jiàn)圖14）。同時(shí)采取小的熱輸入，焊接手法上采取多層多道焊。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(chēng)焊接。下胎后以平焊為主，保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量（見(jiàn)圖15） 。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(guò)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(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)渡的方法設(shè)計(jì)多端頭箱型節(jié)點(diǎn)的制作工藝，通過(guò)深化優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件圖革新、專(zhuān)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(lèi)似工程提供借鑒有效的參考經(jīng)驗(yàn)。Reference：GB 50661-2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范S.GB 50205-202