青島火車北站鋼結(jié)構(gòu)工程“主拱”加工制作技術(shù)

張 偉，杜冰冰，王 壘

(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)(集團(tuán))有限公司，浙江 紹興 312030)

1 工程概況

青島北站位于青島市李滄區(qū)，車站建筑部分分為地上兩層、地下三層，局部設(shè)置夾層。結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，主要由大型空間鋼結(jié)構(gòu)站房和無柱站臺雨棚組成，含拱結(jié)構(gòu)、拉索結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)及部分混凝土結(jié)構(gòu)。青島北站屋蓋跨度141 m、長度超過340 m，整個青島北站采用大跨度拱形預(yù)應(yīng)力體系鋼結(jié)構(gòu)，空間姿態(tài)為飛鳥展翅形狀，平面投影尺寸為384 m×213.79 m，最大懸挑約30 m，結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)44.598 m，采用立體拱架的結(jié)構(gòu)型式，且主要構(gòu)件均為異型截面。整體效果如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)整體效果示意

2 主拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

青島北站屋蓋的建筑造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)采用立體拱架的形式予以實(shí)現(xiàn)。整個屋蓋結(jié)構(gòu)由10榀立體拱架組成，軸間距分別為44 m、33m、22 m。每榀立體拱架由1榀拱、2根橫梁、6對V撐、16根交叉索以及2根橫梁間的縱向檁條組成。兩根橫梁的間距一般為22 m;拱的跨度為94～141 m。

為了得到特殊的建筑效果，青島北站屋蓋結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件采用異型截面。拱由類橢圓形下弦、圓形上弦、豎腹板三部分組成;橫梁由類半橢圓形下弦、矩形上弦、豎腹板三部分組成;三角形中心屋脊縱梁由兩個三角形上弦、一個三角形下弦和腹板四部分組成。主拱的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主拱具體組成結(jié)構(gòu)示意

3 重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

(1)吊裝分段的劃分。主拱單根最大長度76 m，最重121 t，且截面規(guī)格有所變化。分段的大小和形式直接影響工廠的加工制作以及現(xiàn)場的吊裝，進(jìn)而影響整個工程的質(zhì)量與計(jì)劃。因此，如何進(jìn)行合理的分段至關(guān)重要，這是主拱加工制作的第一個重點(diǎn)。

(2)加工方案的制定。拱下弦內(nèi)部空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫密集，采用哪些工藝措施來確保零部件的組裝和焊接，這是鋼拱加工制作的第二個重點(diǎn)。

(3)下弦類橢圓結(jié)構(gòu)的加工、檢測。由于主拱下弦為類橢圓，如何加工下弦類橢圓結(jié)構(gòu)、控制其加工精度，加工后如何檢測確保加工質(zhì)量是主拱制造精度控制的一大難點(diǎn)。

(4)各個接口質(zhì)量的保證。鋼拱組成結(jié)構(gòu)板塊較多，板材規(guī)格相對較厚，T型、十字形接頭較多，焊縫密集。如何保證板材的坡口精度，控制焊接變形，確保接口間的連接質(zhì)量，是主拱加工制作的質(zhì)量及精度控制的第二大難點(diǎn)。

4 主拱的加工制作方案

4.1 分段的劃分

整個屋蓋結(jié)構(gòu)由10榀立體拱架組成，每榀立拱南北對稱，根據(jù)現(xiàn)場吊裝設(shè)備的起吊能力，同時(shí)兼顧工廠加工和運(yùn)輸?shù)纫蛩?，綜合考慮后將單根鋼拱沿長度方向劃分為4～6段。如圖3所示，取SZG－A－4進(jìn)行加工制作，參數(shù)如表1所示。

圖3 南區(qū)A拱分段方案

表1

4.2 分段主拱制作方案

4.2.1 分段主拱介紹

鋼拱下弦類橢圓結(jié)構(gòu)無法一次性成型，需將其拆分為兩個弧形瓦片和一個V形瓦片或拆分為四個弧形瓦片。即將S－ZG－A－4鋼拱下弦的橢圓結(jié)構(gòu)分為四個加工分段、一個左端部的連接段及右端兩塊弧形瓦片(人孔板)，如圖4所示。

圖4 分段主拱

S－ZG－A－4分段鋼拱下弦的左端部由于內(nèi)部存在十字腹板，且左端部為兩段鋼拱的對接部位，為保證現(xiàn)在對接焊縫的可焊性，因此將左端部處600 mm的橢圓結(jié)構(gòu)拆分為四個弧形瓦片(也稱為人孔板)。

鋼拱下弦第一段至第四段均分成2個弧形瓦片和1個V形瓦片，其中第一段內(nèi)部的十字腹板逐漸變?yōu)門型板，因此在第一段下部的V型瓦片上需開一段槽。

S－ZG－A－4分段鋼拱上弦為一根φ245×30的圓管，其兩端開槽與十字腹板焊接。

5 主拱的加工制作及質(zhì)量保證措施

5.1 余量的加放(見圖5)

(1)弧形瓦片和V型瓦片均采取分段對接進(jìn)行制作，長度方向不加放余量。

(2)插板在構(gòu)件兩端各加放20 mm余量，中間部位不加放余量。

(3)主拱上弦圓管兩端應(yīng)各加放20 mm余量。

圖5 余量的加放

5.2 零件的放樣號料

(1)當(dāng)構(gòu)件因材料規(guī)格限制需進(jìn)行拼接時(shí)，宜先拼接，對接焊、檢驗(yàn)、矯正合格后，再按零件尺寸進(jìn)行整體畫線，數(shù)控切割機(jī)下料加工。

(2)拼接鋼板長度最短不得小于兩倍板寬，且不得小于600 mm。

(3)本工程不等板厚對接形式較多，板厚差大于10 mm以上時(shí)均要求開設(shè)過渡坡口，不等板厚過渡比例不大于1∶2.5。同時(shí)對于削斜開破口后無過渡段的，需另行考慮，確保開設(shè)坡口后有過渡段。

(4)利用深化細(xì)化設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)入到FastCAM數(shù)切排版軟件中，F(xiàn)astCAM數(shù)切軟件自動生成切割程序.TXT文件，從而提高零件在下料切割過程中的精確度。深化細(xì)化設(shè)計(jì)圖與切割程序如圖6所示。

圖6 深化細(xì)化設(shè)計(jì)與切割程序

5.3 切割、下料

零件采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行精密下料，切割前將TXT文件拷入數(shù)控切割機(jī)，而后自動進(jìn)行數(shù)控切割，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的程序噴上控制線、構(gòu)架線、加工線。切割后，必須對板件的切割邊進(jìn)行打磨，去除割渣、毛刺等物，對割痕超過標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行填補(bǔ)、打磨。

5.4 瓦片的加工制作及檢驗(yàn)

(1)加工制作工藝。

瓦片應(yīng)根據(jù)相同或近似的直徑進(jìn)行擬合，采用卷圓成型，然后再切割成單個V型瓦片。瓦片展開圖應(yīng)使圖紙正面為圓管的內(nèi)壁，瓦片的中心線應(yīng)與圓管的軸線平行，套料部門套料時(shí)嚴(yán)禁更改零件圖中瓦片的位置和方向。瓦片均按中心線展開，長度及寬度方向均不加放余量。對于V型瓦片，先采用卷圓成型，然后再在中間部位折彎成型(V型瓦片折彎線應(yīng)在圖紙中標(biāo)明)，如圖7所示。

配送中心在鋼板上切割出瓦片的外輪廓，采用間斷切割。對于V型瓦片還應(yīng)在中心線(折彎線)采用噴粉劃線，噴粉線作為折彎時(shí)的基準(zhǔn)線。

圖7 瓦片加工

若擬合后的瓦片難以組成一個圓，為了節(jié)省材料可采用開口卷圓(非整圓卷圓)，套料部門應(yīng)在沿圓周方向兩端各加放200 mm余量。考慮到瓦片切割后會產(chǎn)生膨脹變形，在卷圓時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮小圓管直徑，或者在切割前在瓦片內(nèi)部加設(shè)臨時(shí)支撐，如圖8所示。

圖8 開口卷圓

鋼管卷制采用WS11－100×4000水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)及1 500 t壓力機(jī)加工成型，如圖9所示，卷板機(jī)最大加工能力可達(dá):t=100 mm，L=4 000 mm，D內(nèi)≥800 mm。

圖9 卷圓設(shè)備

(2)成型后的檢驗(yàn)。

弧形瓦片與V型瓦片加工成型質(zhì)量、精度的好壞直接影響主拱制作安裝精度以及整體構(gòu)件的質(zhì)量。而且瓦片分段后，分段接口多而且長，這樣對瓦片的加工精度提出了更高的要求，板件加工偏差過大，會使板件間裝配間隙變化，坡口錯邊增大，焊接引起的拘束力增加，將產(chǎn)生極大的變形。為此必須嚴(yán)格控制加工過程中每道工序，精心測量，每片分段的精度受到保證才能更好的確保整體精度，如圖10所示。

5.5 焊縫的要求

(1)瓦片之間的對接焊縫、瓦片與腹板及插板之間的焊縫、腹板與插板之間的焊縫均為全熔透一級焊縫，焊縫坡口形式如圖11所示。

(2)瓦片與腹板插板的焊縫應(yīng)采用防層狀撕裂的坡口形式，如圖12所示。

圖10 嚴(yán)格控制精度

圖11 坡口形式

圖12 坡口形式

5.6 人孔的開設(shè)要求

凡是板件兩端均標(biāo)記有現(xiàn)場焊接符號的板件均為人孔板，工廠開設(shè)坡口采用卡馬點(diǎn)焊，加設(shè)墊板，坡口角度35°，焊接間隙均為5 mm，如圖13所示。

圖13 人孔開設(shè)

左端面:瓦片 1、2、3、4、5、6 采用卡馬點(diǎn)焊;右端面:瓦片1、2、3、4 采用卡馬點(diǎn)焊。

5.7 主拱的裝焊

(1)腹板的十字裝焊如圖14所示。

十字位置焊接采用氣保焊打底，小車式埋弧焊蓋面。

(2)裝焊下弦加勁板如圖15所示。

以腹板上劃出的肋板安裝定位線安裝加勁肋，焊接時(shí)采用CO2氣保護(hù)焊進(jìn)行對稱焊接，焊后進(jìn)行局部矯正。

(3)瓦片的點(diǎn)焊定位如圖16所示。

定位焊必須由持相應(yīng)合格證的焊工施焊，所用焊接材料應(yīng)與正式焊縫的焊接材料相當(dāng)。定位焊縫與正式焊縫應(yīng)具有相同的焊接工藝和焊接質(zhì)量要求，定位焊焊縫若存在裂紋、氣孔、夾渣等缺欠，要完全清除。

(4)瓦片的焊接如圖17所示。

圖14 腹板的十字裝焊

圖15 裝焊下弦加勁板

圖16 瓦片的點(diǎn)焊定位

a.瓦片間環(huán)縫的焊接。

按焊接工藝提供的參數(shù)，用CO2氣體保護(hù)焊自一端起焊至另一端。每焊畢一層清渣，及時(shí)檢查缺陷，及時(shí)處理修補(bǔ)后方能焊下一層。

b.瓦片與腹板縱縫的焊接。

焊接瓦片與腹板之間的縱縫;其次瓦片焊接時(shí)應(yīng)使構(gòu)件處于平焊或橫焊的最佳焊接位置。

(5)上弦的裝焊如圖18所示。

上弦為φ245×30鋼管，根據(jù)十字腹板上的定位線安裝上弦鋼管，先進(jìn)行定位焊，再進(jìn)行填充焊。

(6)人孔瓦片的卡馬固定如圖19所示。

凡是板件兩端均標(biāo)記有現(xiàn)場焊接符號的板件均為人孔板，工廠開設(shè)坡口采用卡馬點(diǎn)焊牢固。

(7)吊裝耳板的裝焊如圖20所示。

吊裝耳板根據(jù)下弦表面上的定位線進(jìn)行安裝牢固。

(8)打磨、自檢、互檢矯正，如圖21所示。

鋼構(gòu)件制作過程中及完畢后，由質(zhì)量部對其進(jìn)行過程檢查和整體檢查和驗(yàn)收，檢驗(yàn)規(guī)范按《鋼結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50205－2001執(zhí)行。

5.8 焊接變形控制

由于主拱下弦瓦片為多段對接，瓦片板厚較厚(板厚50 mm)，而十字形腹板又較薄(板厚30 mm)，焊接順序或焊接工藝措施不當(dāng)極易造成很大的變形，火焰矯正較為困難，因此車間班組在裝焊時(shí)嚴(yán)格按照下述要點(diǎn)執(zhí)行:

圖17 瓦片的焊接

圖18 上弦的裝焊

圖19 人孔瓦片的卡馬固定

圖20 吊裝耳板的裝焊

(1)首先焊接瓦片的對接焊縫(環(huán)縫)，然后焊接瓦片與腹板之間的縱縫，如圖22所示。

(2)對稱施焊間斷焊接。

瓦片焊接時(shí)應(yīng)使構(gòu)件處于平焊或橫焊的最佳焊接位置，首先對一側(cè)焊縫進(jìn)行打底焊接，深度達(dá)到t/3時(shí)將構(gòu)件翻身，將另一側(cè)焊縫焊滿，最后再將構(gòu)件進(jìn)行翻身焊接未完焊縫。間斷焊接時(shí)以500 mm長度為宜。

圖21 打磨、自檢、互檢矯正

圖22 焊接次序

左端:焊縫1、2打底焊接→焊縫3、4打底焊接→翻身→焊縫1’、2’焊接→焊縫3’、4’焊接→翻身→焊縫1、2焊接→焊縫3、4焊接。

右端:焊縫1、2、3打底焊接→翻身→焊縫4、5、6焊接→翻身→焊縫1、2、3焊接，如圖23所示。

圖23 焊接工序

6 結(jié)論

闡述了青島北火車站屋蓋主拱的加工、制作等一整套加工技術(shù)。通過合理的分段，先進(jìn)的分段加工成型方法，科學(xué)的裝焊技術(shù)，切實(shí)可行的拼裝方案，節(jié)省了加工成本、減小了安全隱患，質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了現(xiàn)場安裝的順利進(jìn)行，進(jìn)而縮短了工期、降低了成本，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

(1)構(gòu)件制作精度。

實(shí)測主拱各分段的零件和主控項(xiàng)目的行為尺寸，與《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205－2001)對構(gòu)件的驗(yàn)收要求相對比，構(gòu)件的實(shí)測值在驗(yàn)收要求允許范圍之內(nèi)，構(gòu)件制作精度滿足工程需要。

(2)構(gòu)件焊縫質(zhì)量。

通過對構(gòu)件全通透焊縫的超聲波檢測，自檢一次合格率為99.5%以上。通過工藝分析抓住了影響主拱構(gòu)件的加工制作質(zhì)量的關(guān)鍵所在，通過各工序的精度控制和有效的裝配、焊接工藝及措施，確保了異形構(gòu)件的制作精度。青島北火車站的主拱構(gòu)件的成功制作是浙江精工鋼結(jié)構(gòu)公司專家和工藝人員智慧和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。

［1］JGJ81－2002.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程［S］.中華人民共和國建設(shè)部，2003.

［2］GB50205－2001.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.中華人民共和國建設(shè)部，2002.

［3］戴為志，高 良.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)及實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2010.