大跨度厚板波形腹板梁的制作工藝

杜冰冰，闕子雄，王 濤，陳 輝，張建平，張金輝

(浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江 紹興 312000)

0 前言

波形腹板與傳統結構相比節約用鋼量約20%，同時由于結構設計的美觀，在經濟性能和美觀方面越來越受到業主及設計者的青睞。但是波形腹板在國內的應用較少，在建筑鋼結構領域更是鳳毛麟角，尚無規模化施工方面的經驗。

以煙臺潮水機場工程中波形腹板梁的大規模應用為例，詳細介紹波形腹板的精確成型和波形腹板梁的制作工藝，為該項新技術的推廣提供一定的技術參考。

1 基本介紹

1.1 工程概況

煙臺潮水機場是在建的大型國際機場(見圖1)，鋼結構工程主要分為航站樓、指廊和登機橋。總用鋼量近1萬t。其中B區航站樓和A、C區指廊的屋面均采用波形腹板梁，總重達5 500 t，構件特點是波形腹板厚板多截面規格大、組裝成型精度控制要求高。

圖1 煙臺潮水機場整體效果

目前波形腹板的常用波形主要有折線形、正弦曲線、矩形、梯形等，本工程采用梯形波形，共700型和1400型兩種型號，具體如表1所示。

1.2 重難點介紹

(1)本工程是波形腹板梁在建筑鋼結構領域的大規模應用，特別是機場工程，安全性能及建筑美觀要求均較高，國內尚無較為成熟的施工經驗。

(2)波形腹板梁截面大，多為變截面折彎型構件，端部又采用高強螺栓連接，如何合理的安排裝配焊接順序以防止變形從而保證構件的尺寸精度要求，是加工制作過程中控制的重點之一。

表1 波形腹板梁參數介紹(單位mm)

(3)使用的鋼板厚度大，最厚達80 mm，焊接難度大，如何減少焊接收縮變形、保證焊接質量是制作過程中控制的重點之一。

(4)波形腹板的展開及制作是本工程的關鍵，根據不同的波形如何確定展開系數、波形腹板模壓成型的缺陷防治措施、波形腹板的變形控制措施等是考驗本工程的難點。

2 波形腹板的成型工藝及控制要點

2.1 波形腹板的成型工藝

波形腹板的成型采用冷成型，成型工藝分為模壓法和沖壓法(折彎法)。模壓法又分為無牽制模壓法和普通模壓法。

普通模壓法:利用液壓機與波形近似斷面的模具進行一次成型的方法，如圖2所示。

圖2 普通模壓法

無牽制模壓法:在同一橫斷面上同時不超過兩個受壓牽制區，且模壓時兩側鋼板不受牽制，可自由伸縮的模壓方法，如圖3所示。

圖3 無牽制模壓法

沖壓法(折彎法):利用折彎機多次反復折壓或成型的方法，如圖4所示。

圖4 沖壓法

本工程的波形腹板板厚小于等于14 mm，根據設計要求的波形，在工程開始前首先進行波形腹板的試制。經過反復試驗不斷調整模具，最終確定波形腹板成型主要采用普通模壓法成型(見圖5)，轉角半徑確定為15t，展開系數為1.08。

圖5 普通模壓法成型機

在此工藝設計和模具裝配條件下制作的波形腹板，避免了傳統冷成型過程中所產生的缺陷和質量通病，如邊部波浪、角部裂紋、角部皺褶、縱向彎曲、扭曲等。

2.3 波形腹板整形控制措施

成型后的波形腹板采用專用的標準鋼平臺、工裝設備進行整形或采用機械整形矯正，以滿足波形腹板的尺寸和整體結構要求，不得采用錘擊等其他人工方法，如圖6所示。

圖6 波形腹板的整形矯正

構件矯正一般采用冷矯，冷矯時環境溫度不得低于－12℃，矯正后的鋼材表面不得有超過標準要求的凹坑和其他損傷。熱矯時溫度應控制在600℃ ～800℃，嚴禁過燒，矯正后構件應緩冷，降至室溫之前不得錘擊鋼材工件或用水急冷。

2.4 波形腹板防止變形控制措施

波形腹板矯正合格后為了防止吊裝和運輸時產生變形，應采用以下措施進行防治變形控制:

(1)焊接吊耳，避免吊鉤傷及母材，如圖7所示。

圖7 焊接吊耳

(2)焊接加固桿，保證吊裝時腹板不產生嚴重的變形，如圖8、圖9所示。

圖8 焊接加固桿

圖9 加固桿應用實例

2.5 波形腹板的尺寸允許偏差

波形腹板的尺寸允許偏差符合規范《組合結構橋梁用波形鋼腹板》(JT/T 784－2010)的要求。

3 波形腹板梁的制作工藝及技術控制要點

波形腹板梁的結構特點及對應的加工制作方法的分析對比如表2所示。

表2 加工制作方法分析對比

本工藝主要以H型波形腹板梁的加工制作為例，詳細介紹波形腹板梁的制作工藝及其質量控制。

3.1 臥式拼裝法

(1)繪制地樣基準線。

根據構件的實際投影尺寸，按照1∶1的比例繪制地樣投影線。如主體端口、折彎點、下翼板等重要控制部位輪廓線，并采用水準儀抄平，偏差不得大于1 mm，如圖10所示。

圖10 繪制地樣基準線

(2)搭設胎架。

根據地樣位置搭設胎架，波形腹板的胎架采用H鋼，檢查合格后進行定位焊接，如圖11所示。

圖11 搭設胎架

(3)波形腹板組裝定位。

將下料拼接合格后的波形腹板及連接端板進行定位，采用線錘檢查，如圖12所示。

圖12 波形腹板組裝定位

(4)翼板組裝定位及其尺寸檢測。

根據波形腹板位置結合地樣裝配兩側翼板，要求翼板與腹板的垂直度偏差為b/200，且不大于3 mm。翼緣板裝配前應首先劃出中心線及波形腹板位置線，裝配時保證波形腹板的中心線與翼緣板的中心線偏差不大于2 mm。對于翼板端部定位點及中間部位連接端板定位點采用吊線錘方式進行檢查，與地樣偏差不大于3 mm，合格后對翼板和波形腹板進行定位點焊，定位焊的焊腳大小為4～6 mm，長度為40～60 mm，間距為300～500 mm，如圖13、圖14所示。

(5)側板及其附屬零部件的裝配。

根據連接端板確定側板位置，根據側板確定檁條定位板位置，如圖15所示。

圖13 繪制腹板位置線

圖14 翼板組裝定位

圖15 附屬零部件裝配

(6)尺寸整體檢查。

主要控制尺寸如表3所示，成品如圖16所示。

表3 關鍵尺寸控制要求

3.2 立式拼裝法

根據構件的結構形式將其分為三個單元:單元一、單元二、單元三。每個單元采用立式拼裝法單獨制作，然后再將三個單元采用臥式拼裝法進行整體組立和焊接。翼板斷開位置距折彎點應大于200 mm以上，如圖17所示。

(1)繪制基準線。

首先劃出翼緣板中心線、波形腹板位置線、端部基準線、連接端板位置線，裝配時保證波形腹板的中心線與翼緣板的中心線偏差不大于2 mm，如圖18所示。

圖16 H型波形腹板梁成品

圖17 單元劃分示意

圖18 繪制基準線

(2)裝配波形腹板。

波形腹板定位采用定位卡馬，裝配時保證腹板與翼板的垂直度偏差不大于b/200，且不大于3 mm，腹板中心線與翼板中心線偏差不大于2 mm。當波形腹板較寬時可采用臨時斜撐對腹板進行加固。檢查合格后對翼板和波形腹板進行定位點焊，如圖19所示。

(3)裝配上翼板。

翼板裝配參照第2點要求，如圖20所示。

(4)三單元合攏拼裝。

采用臥式拼裝法進行三個單元的合攏，具體流程及尺寸精度控制詳見3.1臥式拼裝法，如圖21所示。

圖19 裝配波形腹板

圖20 裝配上翼板

圖21 三單元合攏

4 技術要點及注意事項

4.1 波形腹板的展開系數及轉角半徑

根據普通模壓法成型方法及本工程波形特點，轉角半徑確定為15t，展開系數為1.08。

4.2 波形腹板的定位

波形腹板變形大，定位困難，怎樣確保腹板中心線的平行度是班組在制作時應重點控制的內容之一。班組在制作時采用臨時卡馬進行固定，然后使用鍥塊從一端向另一端進行位置調整。波形腹板與翼緣板的定位采用三線標識定位，即波谷波峰兩條位置線應完全與腹板中心線均布對稱，確定波形腹板與翼緣板垂直度合格后采用斜向支撐進行加固，防止扭曲變形，如圖22所示。

圖22 波形腹板定位及固定

4.3 焊接變形控制措施

焊前清理焊接區域的氧化皮、鐵銹等雜物，采用CO2氣保焊小電流焊接。焊接時應雙人對稱施焊，并采用分段退焊的方法減少變形，重點預防產生扭曲變形。

4.4 箱型波形腹板梁的防止扭曲控制措施

箱型波形腹板梁規格為2 000×1 000×6×40，箱體截面大，翼緣板厚而腹板較薄，構件最大長度達15 m，箱體在翻轉、吊裝及運輸過程中極其容易產生扭曲變形，因此加工時在箱體內部設置“剪刀撐”進行剛性加固，箱體每隔2～3 m加設一道，離端部200 mm位置必須加設一道，如圖23所示。

圖23 剪刀撐加固防扭

4.5 箱型波形腹板的對稱裝配

裝配時應保證兩側波形腹板沿中心線對稱，做到波峰與波峰對稱、波谷與波谷對稱，如圖24所示。

4.6 波形腹板現場對接處及拐角處的節點處理

圖24 箱型波形腹板的對稱裝配

由于構件的形狀多樣、長短不一，波形腹板在現場對接處和拐角處無法確定是否處于中心位置，采用常規的對接接頭難以滿足工程的要求，因此在波形腹板的端部設計端部連接板，有效地保證了對接要求，如圖25所示。

圖25 端部連接板的設置

5 結論

以波形腹板梁在煙臺潮水機場工程中的應用為例，詳述了波形腹板的成型工藝、缺陷防治措施、防治腹板變形的控制措施及腹板的矯正，通過對H型波形腹板梁的兩種裝配制作工藝、技術要點及其質量檢測的闡述，形成了一套較為完整的波形腹板梁的整體制作工藝方案。通過工程的實踐證明，本套波形腹板梁的整體制作工藝方案是成功的，同時為波形腹板梁在建筑鋼結構領域的大規模成熟化應用樹立了成功的工程典范，對今后該項新技術的推廣應用提供了一些經驗。

［1］GB 50205－2001，鋼結構施工質量驗收規范［S］.

［2］GB 50661－2011，鋼結構焊接規范［S］.

［3］JT/T 784－2010，組合結構橋梁用波形鋼腹板［S］.

［4］戴為志，高 良.鋼結構焊接技術培訓教程［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［5］劉子祥，戴維志.國家體育場鳥巢鋼結構工程施工技術［M］.北京:化學工業出版社，2011.

［6］CECS 291:2011，波紋腹板鋼結構技術規程［S］.