一種空間多端頭彎扭箱型節點的制作工藝研究

杜冰冰 闕子雄 王笛 馮林濤 楊旺 胡誠安

摘要：某工程鋼結構屋面采用大跨度箱型懸挑結構體系，由大量節點及附屬桿件組成，節點端頭均為彎扭結構，相關加工制作經驗較為缺乏。闡述了該節點關鍵工藝技術的創新及應用，通過結構優化、革新組合折彎工藝、強化異型構件裝配焊接質量控制，減少了整個屋面的彎扭結構數量，實現了高效制作和高精度控制，為類似工程提供參考借鑒。

關鍵詞：彎扭箱型節點;建模思路;組合折彎;精度控制

中圖分類號：TG457.2 ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）06-0041-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.07

0 ? ?前言

隨著鋼結構行業技術的突飛猛進，造型設計越來越受到業主和設計的青睞，其中雙曲面結構設計是實現造型的有效途徑，并在鳥巢、深圳灣體育中心、珠海歌劇院等典型工程中得到了工程驗證。此類彎扭構件彎曲曲率較小，節點均為平直構件組成，節點與節點之間采用彎扭過渡段，此類構件有較為成熟的制作經驗，但是針對節點采用彎扭段的大曲率彎扭結構，目前還缺少具體的加工制作經驗[1-5]。

1 概述

某工程屋面整體結構外觀呈現一種波浪曲面（見圖1），由彎扭節點和中間直段桿件組成（見圖2）。節點類型主要有十字型節點、米字型節點、Y字型節點和T字型節點，多端頭彎扭箱型節點的數量達2 000個。

1.1 多端頭彎扭米字型節點

文中以米字型節點為例，闡述工藝制作思路及質量精度控制措施。該米字型節點現場與10個構件相連接，其中7個箱型牛腿端頭有彎扭段，彎扭段長度250～450 mm，每個牛腿翼板、腹板至少存在2道折彎，其中一道為斜角折彎（見圖3）。

1.2 制作重難點

（1）整個屋面為波浪形曲面，建模過程中如何減少異型構件的數量和難度，使節點之間的構件為常規箱體（可流水線作業），且使端口為矩形，便于現場對接，此為深化的難點。

（2）彎扭板件數量較大，折彎道次多，如何做到彎扭板件快速出圖、識圖簡單、成形便捷精準，此為制作的重難點之一。

（3）彎扭節點結構復雜，如何通過拼裝、焊接的工藝措施保證質量精度，此為制作的重難點之二。

2 深化設計

2.1 設計思路

結構優化：為減少整個屋面結構的異型程度和數量，將屋面鋼梁方向調整集中化，采取短異型箱型梁或節點端頭過渡進行轉化，從而使相連接的箱型鋼梁為常規直構件，且連接端口設置為矩形。

2.1.1 組合折彎形式彎扭

多端頭彎扭箱型節點彎扭段集中在端頭250～

450 mm，且端口為矩形。若采用平滑過渡（見圖4）的彎扭進行設計，鋼結構行業現有的設備無法保證在端面為直線的情況下完成平滑彎扭成型。在滿足結構設計的條件下，采取組合折彎的方式達到彎扭過渡（見圖5），零件板可采取折彎機進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

（1）多端頭夾角較小的情況下（見圖6），中間位置板件在折彎時，折刀同時會接觸兩側板件，因此要求兩邊板件連線a與折彎線相距應小于折彎機下模槽口的1/2。

（2）部分板件折彎角度較大，折彎位置設置在端頭，采用折彎機加工易形成矢彎（見圖7）。為避免此情況，對于板厚t≥25 mm和折彎角度大于5°的板件，將折彎位置向內平移100 mm以上。

2.2 零件圖出圖方法

深化設計從未出過類似板件的零件圖，完全采用坐標點出圖工作量巨大且車間員工識圖困難。為此，摒棄原始采用側面剖視圖來表達折彎尺寸的方法，通過俯視圖數值法來表達折彎尺寸。新型折彎出圖方法簡介：以中間區域為水平基準，各個端頭空間高度與中間水平位置做差，折彎角度標記在折彎線附近，正負數值分別代表向上折和向下折。此種方式尺寸清晰，圖紙出圖速度快，且車間識圖容易、測量簡便（見圖8）。

3 節點制作工藝

3.1 板件折彎精度控制

（1）下料準備。

方向標識：零件圖中設置板件正面標識，此種板件套料不可鏡像，數控下料時將正面標識移植到板件上。

（2）折彎尺寸數值移植。

根據板件正面標識的位置，確認板件與折彎圖紙的方向，將圖紙尺寸移植到板件上（見圖9）。

（3）組合折彎順序。

折彎機上配有紅外線定位，每一道折彎完成均對角度進行檢查。經過實驗，首先對折彎線①進行折彎，再對折彎線②進行折彎，此順序折彎精度高，第二道折彎對第一道折彎影響較小（見圖10），效果良好。

（4）質量控制。

折彎板件在簡易的水平胎架上進行驗收，采用水平儀和角尺重點控制角部翹起的高度（見圖11）。

3.2 構件裝焊質量精度控制

（1）拼裝精度控制。

本節點空間結構復雜，僅憑構件圖難以表達尺寸，需通過空間三維坐標點圖來進行定位和裝配。

①繪制地樣、搭設胎架。根據構件的俯視投影尺寸，在水平鋼板胎架上繪制節點投影線、關鍵尺寸控制點并打上樣沖眼，根據坐標點搭設胎架（見圖12）。

②分步拼裝。將構件主體放置在胎架上，調整兩端口的尺寸，然后進行定位焊接（見圖13）。構件在胎架上進行打底焊接，之后下胎將構件翻身，采用平焊位置進行填充蓋面，盡可能減小焊接變形引起的尺寸偏差。焊接完畢后進行隱蔽報驗和UT探傷，最后再回胎對尺寸進行復核調整。

在胎架上依次裝配其他牛腿，尺寸檢查合格后在胎架上進行打底焊接。然后下胎進行焊接，依次循環至所有板件均裝焊完成。

（2）焊接精度控制。

控制原則：堅持焊接變形控制為主、兼顧焊接位置的方針，根據拼裝順序制定相應的焊接順序。

①胎架上打底焊接，最大程度上固定焊接結構，減少變形。

②下胎焊接時，依據對稱施焊的思路，保持焊接能量的均衡性（見圖14）。同時采取小的熱輸入，焊接手法上采取多層多道焊。

③焊接位置選擇：胎架上采取橫焊打底，節點主體兩側對稱焊接。下胎后以平焊為主，保證焊縫內部質量（見圖15） 。

④小夾角部位焊接。本工程牛腿之間小夾角部位非常多，大部分通過折彎已經進行規避，但是個別牛腿之間的夾角還存在最小35°的情況，常規從外側無法做到全熔透。針對該情況，采用牛腿散拼的方式裝配，小夾角板件根部留2 mm間隙，外側封底焊，然后從內側進行焊接（見圖16）。

（3）質量驗收。

節點整體焊接完畢后，根據《鋼結構工程施工質量驗收標準》的要求，質檢員在胎架上對空間尺寸、外觀進行檢驗（見圖17）。

4 結論

以某屋面鋼結構箱型節點制作加工0為例，敘述了采用組合折彎取代弧形彎扭過渡的方法設計多端頭箱型節點的制作工藝，通過深化優化設計、零件圖革新、專項折彎工藝、拼裝工藝、焊接工藝等措施，實現了質量的精度控制，為類似工程提供借鑒有效的參考經驗。

參考文獻：

GB 50661-2011，鋼結構焊接規范[S].

GB 50205-2020，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

戴為志，高良.建筑鋼結構工程焊接技術及實例[M].北京：化學工業出版社，2010.

程登，張發榮，李正，等.彎扭菱形箱型桁架制作工藝研究與應用[J].電焊機，2020， 50（11）：71-78.

GB50755-2012，鋼結構工程施工規范[S].