首都機場航站樓梭形鋼管柱加工制作工藝介紹及設(shè)計方法

首都機場航站樓梭形鋼管柱加工制作工藝介紹及設(shè)計方法劉濤鄧科趙明祥劉娟孫思斌李曉舟弓劍鄧科中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，中國北京，100010摘要：介紹了首都機場航站樓梭形鋼管柱的加工制作方法。研究了梭形截面鋼管柱的破壞機理并給出了彈性屈曲和彈塑性失穩(wěn)的設(shè)計公式。關(guān)鍵詞：梭形鋼管柱，加工制作，彈性屈曲，彈塑性失穩(wěn)（一）．工程概況：首都國際機場新航站樓（T3B、T3A）屋頂為雙曲面外形，呈飛行體狀。南北方向長約955m，東西方向?qū)?73m。在航站樓的指廊和主體連接處，設(shè)置一道溫度縫，將整個航站樓屋頂分為三部分。屋頂主體采用空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，大部分為標準抽空三角錐網(wǎng)殼，局部為三角錐網(wǎng)殼。另外為配合屋頂邊緣的曲邊形式和內(nèi)部屋頂?shù)倪B接過渡，設(shè)置了邊桁架OT3B屋頂由124根梭形焊接鋼管柱支撐，航站樓東西兩側(cè)外緣以及北面兩側(cè)支承屋頂?shù)匿撝蛲鈧?cè)傾斜，柱直徑由下至上逐漸變小，立面成梭形效果，其余鋼柱采用直立梭形柱。鋼柱高度隨建筑曲面變化。如圖1所示。（二）．梭形鋼管柱加工、制作1.錐形筒體的加工用于本工程的厚板筒體卷制采用本公司定制的數(shù)控水平下調(diào)式三輥卷板機。加工前必須對外形尺寸進行復(fù)測保證正確，否則會造成接頭錯位，同時畫出兩端加工壓頭需要的中心線和加工線，加工線在鋼板兩端300mm之內(nèi)每隔20mm布置一道。鋼管筒體的加工流程如圖2所示。圖1航站樓內(nèi)部透視根據(jù)筒體、錐體直徑制作壓模并安裝，采用800噸油壓機進行鋼板兩端部壓頭，鋼板端部的壓制次數(shù)至少壓三次，先在鋼板端部150mm范圍內(nèi)壓一次，然后在300mm范圍內(nèi)重壓二次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后用樣板檢驗，切割兩端余量后坡口。圖2筒體加工制作流程圖圖2筒體加工制作流程圖壓頭質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到筒體的卷制質(zhì)量，所以為保證加工質(zhì)量，尤其是橢圓度要求，壓頭檢驗用樣板必須使用專用樣板，樣板要求用2?3mm薄鋼板制作，且圓弧處必須上銑床加工，從而保證加工質(zhì)量。將壓好頭的鋼板吊入三輥軋卷板機后，必須用靠模式拉線進行調(diào)整，以保證鋼板端部與軋輥成一直線，防止卷管后產(chǎn)生錯邊，然后按要求徐徐軋制，直至卷制結(jié)束，軋圓允許偏差如下表1所示：表1軋圓允許偏差縱縫對口錯邊允許偏差W1.5mm管端橢圓度允許偏差W2mm管端的平整度允許偏差W2mm2．筒體的焊接、組對把卷好的筒體吊入拼裝胎架上進行縱縫的拼接，拼接時應(yīng)注意板邊錯邊量和焊縫間隙另外定位焊時不得用短弧焊進行定位，定位前用火焰預(yù)熱到120~150°C,定位焊長度不小于60mm，間距300mm左右，定位焊條用3.2,焊縫高度不大于8mm,且不得小于4mm。拼接后檢查管口橢圓度、錯邊等，合格后提交檢查員驗收，并作好焊前記錄。.筒體縱縫焊接筒體縱縫焊接在專用筒體焊接中心滾輪胎架上進行，筒體內(nèi)外側(cè)均采用埋弧焊焊接。焊接順序為先焊內(nèi)側(cè)，后焊外側(cè)面。內(nèi)側(cè)焊滿2/3坡口高度后進行外側(cè)碳弧氣刨清根，并焊滿外側(cè)坡口，再焊滿內(nèi)側(cè)大坡口，使焊縫成型。焊前裝好引熄弧板。.焊前預(yù)熱對于35mm以上鋼板焊接前必須對焊縫兩側(cè)100mm范圍內(nèi)進行預(yù)熱,預(yù)熱采用電加熱板,預(yù)熱溫度100?150C，加熱時需隨時用測溫儀和溫控儀測量控制加熱溫度，不得太高。.筒體分段組對焊好單節(jié)筒體后進行對接組成一個完整的構(gòu)件。筒體的對接在專用接長胎架上完成，如圖3所示。

筒體拼接胎架示意圖筒體拼接胎架示意圖底端圖3筒體對接分段筒體對接前對每個小段節(jié)必須進行校正，特別是橢圓度必須校正好。相鄰管節(jié)拼裝組裝時，縱縫應(yīng)相互錯開30°，如圖4所示。并必須保證兩端口的橢圓度、垂直度以及直線度要求，符合要求后定位焊，定位焊要求同縱縫焊接要求。底端1 M1 f11￡611i1ii1!i15i Iiiii141 3； 21A—A縱縫縱縫：1、3、5成一直線縱縫：2、4、6成一直線圖4縱縫錯開示意圖各段筒體拼接后在所有筒體上彈出0°、90°、180°、270°母線，并用洋沖標記,以便檢查四根中心線的直線度、水平度。.筒體環(huán)縫焊接同樣，將拼接好的筒體吊入滾輪焊接胎架上用埋弧焊進行環(huán)縫的焊接，焊接要求同縱縫要求。3．測量驗收錐形柱拼裝完成后，必須對其拼裝精度進行測量驗收，測量指標主要有兩端口的橢圓度、兩端的垂直度、兩端口的平面度、整體直線度和整體撓度。測量兩端口的橢圓度時，用鋼尺在直徑方向測量不能少于6個點；兩端的垂直度用線垂測量；兩端口的平面度，采用劃線交叉測量，交叉處間隙不大于1mm；整體直線度采用拉線

法測量；整體撓度采用水平儀測量。各指標控制偏差如下表所示鋼管裝焊公差要求內(nèi)容允許偏差（mm）直徑偏差±2鋼管長度±3管口圓度2.5管面對管軸的垂直度2彎曲矢高2對口錯邊2（三）．梭形鋼管柱屈曲分析梭形鋼管柱在我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中尚無成熟的設(shè)計方法，國內(nèi)很多學者對其彈性屈曲性能及大撓度彈塑性極限承載性能進行了分析研究。鄧科博士在其博士論文中對梭形鋼管柱的彈性屈曲和大撓度彈塑性極限承載性能進行了迄今為止最詳細最系統(tǒng)的理論研究【1】，并提出了梭形鋼管柱的簡化設(shè)計方法。1．理論分析模型在軸心壓力荷載作用下，一個兩端鉸接完整的梭形鋼管柱破壞模式如圖5所示。其第一階屈曲模態(tài)為單波形的對稱失穩(wěn)，第二階屈曲模態(tài)為雙波形對稱失穩(wěn)。首都機場T3B鋼管柱底部固接，頂部鉸接，因此對這種類型的柱子進行彈性屈曲分析和彈塑性極限承載能力分析時均可以采用圖6所示的理論分析模型。（a）第一階屈曲模態(tài) （b）第二階屈曲模態(tài)圖5梭形柱彈性屈曲模態(tài)示意圖IIII圖6梭形柱理論分析模型2．梭形鋼管柱的彈性屈曲梭形鋼管柱的彈性屈曲荷載可以通過對實心圓形梭形柱的彈性屈曲荷載計算公式進行修正得到。對于一個如圖6所示的實心圓形梭形柱，其截面慣性矩沿軸線按四次方關(guān)系變化，平衡微分方程見公式（1）d2wEkx4 +Pw=0 公式（1）dx2帶入邊界條件求解可得彈性屈曲荷載：4K2EjITP= 「 公式（2）crl2上式中K為屈曲系數(shù)，根據(jù)公式（3）求得tanK=--K 公式⑶Y使用公式（3）求解屈曲系數(shù)將非常不方便，根據(jù)公式（3）得到的數(shù)值解擬合得到公式（4）可以很方便的求解屈曲系數(shù)。K=t y~ 公式（4）1+Q+0.85301Y〉1公式（4）與公式（3）求得的結(jié)果對比如圖7所示。由圖可知，公式（4）結(jié)果和公式（3）非常接近，具有較高的精度。

圖7公式（4）與公式（3）結(jié)果對比兀若計1—11,卩= ，則公式（2）可寫為：eff 01 2KPcr2a)兀2Pcr2a)其中，I為等效慣性矩，卩是梭形圓鋼柱的計算長度系數(shù)。eff可以看到，式（2a）與普通的等截面軸心受壓柱的計算公式是相似的，只是等截面柱的慣性矩是常數(shù)，而梭形圓鋼柱的慣性矩沿軸線是變化的，需要取跨中和端部慣性矩乘積的平方根作為等效慣性矩I，同時還需引入卩來對計算長度作出修正。eff綜上所述，計算梭形圓鋼柱的屈曲荷載P時可以將其看成等截面柱，取慣性矩為等效cr慣性矩I存，柱長為卩l(xiāng)。eff計算長度系數(shù)卩的擬合公式為：^=—=-1+6+0.85301丫丄」…公式⑸2K23．梭形鋼管柱的彈塑性失穩(wěn)為綜合考察梭形薄壁圓鋼管柱的彈塑性穩(wěn)定極限承載能力，采用大撓度彈塑性板殼單元對不同幾何參數(shù)的梭形薄壁鋼管柱進行參數(shù)分析，通過其荷載位移曲線觀察不同參數(shù)構(gòu)件的破壞模式。分析過程中材料為理想彈塑性，彈性模量E=206X103N/mm2，屈服應(yīng)力/=235yN/mm2,采用理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，不考慮材料的強化段，如圖8所示。分析過程中考慮幾何初始缺陷的影響，由于分析過程中中忽略板件局部失穩(wěn)的影響，因此只對構(gòu)件施加正弦半波形狀的整體初彎曲，初彎曲的幅值1/500，l為柱長，如圖9所示。由于目前尚無梭形薄壁圓鋼管柱殘余應(yīng)力分布模式的試驗數(shù)據(jù)，因此本文的分析結(jié)果不考慮殘余應(yīng)力的影響。

圖8理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線zzz/z//圖9整體初始缺陷分布梭形薄壁圓鋼管柱彈性屈曲荷載的近似計算可以采用公式（圖8理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線zzz/z//圖9整體初始缺陷分布梭形薄壁圓鋼管柱彈性屈曲荷載的近似計算可以采用公式（2a）進行。將上式兩端均除以端部截面積A°，則屈曲應(yīng)力的表達式為：bcr兀2EIAa0九2eff公式(6)其中九〃為等效長細比effa M九= . 公式（7）定義等效穩(wěn)定系數(shù)：P9f 公式（8）effAf01.00.80.6妙0.40.21.00.80.6妙0.40.2°'°0 20 40 60 80 100120140160180九ef圖10梭形薄壁圓鋼管柱的等效穩(wěn)定系數(shù)

通過大撓度彈塑性有限元分析可以得到具有不同幾何參數(shù)的梭形薄壁圓鋼管柱的等效穩(wěn)定系數(shù)與等效長細比九“之間的關(guān)系如圖10所示。圖中d0梭形鋼管柱端部直徑。作eff eff 0為對比，圖中還給出了a類柱子曲線。由圖可知，對于柱端截面較小的梭形薄壁圓鋼管柱,9f與a類柱子曲線吻合較好。但是當柱端截面較大時，梭形薄壁圓鋼管柱的等效穩(wěn)定系數(shù)ff則落在a類柱子曲線的上方。這是因為柱子曲線是根據(jù)具有初始缺陷的等截面柱發(fā)生極值點失穩(wěn)而確定的，等截面柱的破壞形式都是因為柱跨中存在最大彎矩，塑性區(qū)從此處開始并逐步擴展最終使整根構(gòu)件失去承載能力。對于柱端截面較小的梭形薄壁圓鋼管柱，增加柱跨中截面外徑時梭形柱的失穩(wěn)模式與等截面柱類似，最大應(yīng)力出現(xiàn)在柱跨中截面，然后塑性區(qū)不斷擴展最終導致構(gòu)件失去承載能力。對于柱端截面較大的梭形薄壁圓鋼管柱，略微增加柱跨中截面外徑便使得構(gòu)件達到極值點時幾乎整個柱身的應(yīng)力都達到屈服強度極限，破壞模式與等截面柱相比有了較大差別。因此在長細比相同時，梭形柱的承載能力要高于等截面柱。綜上所述，本文建議采用a類柱子曲線作為梭形薄壁圓鋼管柱的穩(wěn)定設(shè)計曲線，偏于安全。4．梭形柱整體穩(wěn)定設(shè)計方法設(shè)計梭形薄壁圓鋼管柱時，先進行整體穩(wěn)定驗算，根據(jù)跨中截面和端部截面的外徑得到楔率Y，由公式（5）得到計算長度系數(shù)卩，將跨中截面與端部截面的慣性矩乘積的方根*TT作為等效慣性矩I，再根據(jù)公式（7）得到等效長細比九，查a類柱子曲線得到01effeff穩(wěn)定系數(shù)9，則整體穩(wěn)定驗算公式為：NWf 公式（9）申A0縱上所述，梭形鋼管柱整體穩(wěn)定分析流程如圖11所示。圖11整體穩(wěn)定驗算步驟（四）．小結(jié)由本文論述可以得到以下結(jié)論，供工程技術(shù)人員參考。（1）梭形鋼管柱筒