大型會展中心樹狀鋼框架的制造工藝

丁一峰

上海建工（江蘇）鋼結構有限公司 江蘇 南通 226116

1 工程概況

國家會展中心（天津）（圖1）項目東入口大廳結構形式為樹狀鋼框架結構，該部分結構是本項目鋼結構部分的重難點所在。

圖1 天津國展配套區立體效果圖

樹狀鋼框架結構由20棵相同結構的鋼結構大樹構成一片樹林的效果（圖2）。大樹的樹干部位由2個巨形變截面箱體組成“X”的造型，樹干根部尺寸為1.6 m×1.6 m，樹干頂部尺寸為0.86 m×0.86 m，高度為11 m，外形沿著樹干根部向上逐漸收縮，呈錐臺狀。樹冠部位是由4根變截面矩形柱分叉、16根矩形斜柱、水平拉梁、屋面邊框和2圈檢修馬道以及拉桿等組成的倒四棱錐臺結構，頂部最大尺寸為邊長15.3 m的正方形，此部分高度為10.36 m。大樹主體結構材質為Q355B，馬道等輔助結構材質為Q235B，總體高度約21 m。此結構為復雜空間異形結構，加之結構尺寸較大，且板材較薄，給制作、運輸、安裝帶來不少難題，下面分別針對樹干和樹冠兩部分結構的制作展開介紹。

圖2 東入口大廳處樹狀鋼框架結構

2 X形變截面箱型樹干柱的制作

2.1 樹干柱的技術要求及重難點

對于X形樹干柱而言，根據設計要求，其本體在柱底和柱頂100 mm范圍內設為節點區，要求為全熔透一級焊縫，除此之外其他部位為非節點區，本體要求為部分熔透三級焊縫。柱子本體是下粗上細的漸變結構，箱型柱內部的5個腔體都按照每隔1.5 m沿著柱身通長布置隔板，具體內部隔板形式如圖3所示。

圖3 X形樹干柱隔板焊接要求

此結構制作的難點在于本體板材厚度僅為18 mm，對柱本體尺寸精度要求及板面平整度要求較高；箱體較窄，內側凈間距僅264 mm，焊接內隔板時操作難度較大，加上隔板數量較多，隔板最薄的僅8 mm，無法使用電渣焊，難以滿足四周圍焊的要求；另外，外形尺寸是漸變的，現場接口邊較多，如何控制端口尺寸，避免錯邊，也是個難題[1-9]。

為此，采取如下措施：

1）柱本體各翼腹板在組立前應提前矯平，在專用水平胎架上完成組立，采取整體拼裝和焊接方式，特別要注意本體焊縫的焊接順序，應從中間向兩邊對稱進行分段退焊，防止產生過大變形。

2）關于內隔板焊接問題，經和設計方溝通，對中心腔體的隔板采用三面焊接、后蓋側不焊接的方法；箱體最外側腹板后蓋，采取開槽塞焊的方法，解決了外側4個腔體內隔板四面焊接的問題。

3）在組立、焊接過程中，采用設置若干支撐的方式來控制相鄰翼板間的夾角。對接處的尺寸復核可以采用標準模板法或地樣法進行控制，確保端口尺寸統一，達到通用的目的。對于上節柱下端現場焊接封堵板，應在本體全部制作完成后切割，避免接口尺寸的偏差。

2.2 樹干柱主要工藝思路

工藝思路是將X形柱的本體拆解為中間目字柱和外側2根U形柱3個部件。

1）對于中間的目字柱，先在水平的胎架上放置目字柱下翼板，以下翼板中心線為基準裝配焊接中間腔體腹板和橫隔板，組裝成U形，最后裝配焊接目字柱的外側隔板和上翼板，目字柱先組裝至此。

2）分別裝配兩側U形柱，這個U形柱應以矯正完成的目字柱為基礎，開設中心線后裝配焊接U形柱的兩側翼板和隔板，裝焊順序類似目字柱，然后以兩側對稱、分段退焊的方式完成兩側U形柱與目字柱的焊接，最后裝焊最外側的四面腹板，完成隔板塞焊。

3）首節柱帶有柱底板時，應先安裝柱底板后再裝配最外側的四面腹板。

2.3 樹干柱的改進建議

X形柱本體翼腹板較薄，而且焊接量較多，變形較大。為此，建議適當增加本體厚度，同時增加內部隔板厚度，拉大隔板間距，減少隔板數量，最外側隔板可以用電渣焊完成與外側腹板的焊接，避免大量開槽塞焊，有利于減少焊接變形，更容易保證端口尺寸。

3 倒四棱錐臺樹冠部分的制作

3.1 樹冠部分技術要求及重難點

對于樹冠部分而言，大量桿件在三維空間進行連接，各節點連接桿件必須定位準確。其焊接要求是：組成樹杈結構的各桿件本體為全熔透焊接，各相連接節點采用相貫焊接方式，焊縫質量須達到全熔透二級，各異形箱體桿件內部加勁肋與箱體要求采用開坡口熔透焊接，焊縫質量必須達到全熔透二級，內部加勁肋原則上要求四邊焊接，當無法做到四邊焊接時，可放棄一邊焊接，但是與節點相貫桿件相連接側必須焊接。

樹杈部分制作難點在于各桿件壁厚相對很薄（大部分僅8～14 mm），本體焊接要求高，變形較大，矯正難度高；樹冠部分外形尺寸巨大，受運輸條件限制，無法形成片狀發運，只能采取散件運輸方式，并且大量桿件存在空間連接關系，如何把控好相貫口的制造精度，特別是單一構件的尺寸變得尤為重要。

為此，采取如下措施：

1）關于各異形箱體桿件的加工，由于壁厚薄，除采取加襯墊窄間隙不開坡口形式完成焊接外，還要在箱體內設置若干工藝隔板，以加強箱體剛度，控制箱體外形截面尺寸，外部固定后，采取分段退焊配合外固定的方法來減少焊接變形和矯正收縮量。

2）對于各桿件相貫節點，考慮借助三維建模軟件Tekla進行相貫口放樣，根據放樣數據結果采用數控切割設備切割部分相貫口，以保證切割精度和各相貫節點的定位角度。

3）加工廠對平面結構桿件采用放地樣的方法進行制造和檢驗，確保桿件的尺寸精度。此結構立體部分都是現場焊接，對于這些桿件的就位可采用數字化測量的技術，實測桿件相貫口數據后，通過專用軟件與深化設計模型進行比對，協助吊裝過程中的精準定位，然后用輔助支撐加固后進行焊接，待焊接完成再用此方法進行復驗，保證桿件就位滿足設計要求。

3.2 樹冠部分主要工藝思路

工藝思路為：平面桿件由工廠保證精度，立體桿件在現場精確定位。

1）根據原設計圖紙以及Tekla模型完成翼板、腹板和加勁板等零件的深化放樣，細化桿件圖時應分別包含箱體4個面的平面視圖，便于工人用此圖增加余量后進行放樣，采用數控下料，確保相貫口尺寸精度。

2）下料完成之后，將各箱體本體板在地樣上加設工藝隔板進行組立裝配，并輔以工藝框架固定后完成焊接，待桿件探傷、矯正合格后返回地樣復核尺寸，割除相貫口余量。

3）4個角部的下部分叉和上部四角斜柱是整個樹冠的關鍵，可用平面預裝的方法進行控制。先布置平面胎架，按圖畫出平面組合地樣線，然后將桿件逐個按地樣就位，修正接口間隙，設置定位耳板，驗收整體尺寸，如圖4所示。樹干和下部分叉柱部分也可以用此方法。

圖4 樹冠4個角部平面預裝流程

3.3 樹冠部分的改進建議

下部分叉由4根單獨的變截面箱體組成，都要與樹干柱頂部和中間□300 mm×300 mm小立柱焊接，此部分焊接量很大，而且焊縫重疊，內應力較大。建議將下方樹干柱繼續向上延伸至與分叉箱體的上部相交，取消中間小立柱，兩側的分叉箱體直接與樹干柱外側焊接，這樣既減少了小立柱與下方柱頂一圈的4條對接焊縫，也避免了各分叉焊縫重疊的問題，剩余兩側的分叉也按此方法制作。

4 結語

本文通過對天津國展配套區項目樹狀鋼框架結構的分析，闡述了此類鋼結構制作的重難點以及控制措施，并針對在制作方面存在的問題給出了相應的建議。本文總結的相關技術措施和工藝思路可為同行在鋼結構設計、制作和安裝等方面提供一定的參考建議。