異型變截面多腔體構件的制作方法

劉代龍，王笛，杜冰冰，闕子雄，王政，施再追，李建鋼，萬濤平，王達，沈周浩

浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江 紹興 312000

1 工程概況

西安咸陽國際機場項目建設規模僅次于北京新機場，為4F級民用國際機場，國內八大樞紐機場之一，國家“十三五”規劃中明確建設的國際樞紐之一。本工程東航站樓采用1+6的整體構型，由一個集中式主樓中央C區及六條指廊構成。航站樓平面輪廓尺寸1 242 m×832 m，總建筑面積70萬m2，分C區大廳和六條指廊，效果圖如圖1所示。

2 異型變截面多腔體柱節點

2.1 柱節點構造

本工程東航站樓C區大廳的地上屋蓋支撐柱共計112根，其中Y形柱56根。鋼柱截面從下向上，柱底位置八邊形經由鑄鋼節點轉變為上部五邊形。柱最大截面柱規格為1 800×1 400×30×50，最小截面規格1 200×880×24×40。材質為Q355B、Q355GJC、Q390GJC、局部Y形柱采用Q420GJC，鑄鋼材質為G20Mn5QT。構件整體具體布置形式如圖2所示。

圖2 上部Y形鋼柱布置圖Fig.2 Layout of the upper Y-shaped steel column

鋼柱總高約40 m，總共分為3大段。下段為八邊形，中間為鑄鋼節點，上部為五邊形。柱上部五邊形為厚板彎扭造型形式。同時，為保證機場整體外觀，本工程雨水管為內置于鋼柱內部形式。具體如圖3、圖4所示。

圖3 單根Y形鋼柱形式Fig.3 Form of single Y-shaped steel column

圖4 雨水管形式Fig.4 Rain pipe form

2.2 鋼柱重難點分析

（1）異型變截面的大型彎扭構件，截面樣式非常規形式，故構件主材板邊緣為非常規形式的直角邊，隨著彎扭構件曲度的變化，大型彎扭構件邊緣為漸變角度的斜邊。構件外部邊緣部位的準確坐標尺寸，不僅影響建筑的整體造型，同時也對構件的安裝尺寸精度起到了至關重要的作用。故針對構件邊緣位置在建模時的尺寸精度是當前控制的難點。

（2）鋼柱主體為線性彎扭板形式且造型復雜，板厚約為40 mm、50 mm左右，材質以高強鋼為主。材料本體剛性較大，成形難度大，較難得到理想效果。對于彎扭板的成形是當前制作的難點。

（3）構件八邊形與五邊形的轉換位置為鑄鋼節點。鑄鋼材質為G20Mn5QT。碳當量偏大，屬于焊接性差的材料，冷裂紋傾向較為嚴重，因此在施焊時采用合理的焊接參數是當前控制的重點。

（4）鋼柱主體均為外露形式，現場鋼柱外部無裝飾包裹。在保證尺寸精度的前提下，同樣應保證構件外部外觀質量，故要求外部焊縫均需打磨平整，焊縫打磨工作強度大，成本高，減少焊縫焊接量以及焊縫打磨量是當前控制的難點［1］。

（5）為了更好地展現機場內部的簡潔美觀，本工程雨水管均為內置于鋼柱內部。因鋼柱為復雜變截面彎扭柱，構件加工非常規形式，且落水管管壁壁厚僅2 mm，確保落水管的合理安裝順序以及安裝時的成品保護為當前控制的難點。

3 多腔體柱的制作工藝研究

3.1 彎扭板的建模尺寸定位

多腔體變截面尺寸的五邊形彎扭柱，截面樣式非常規形式，故構件主材板邊緣為非常規形式的直角邊，隨著彎扭構件曲度的變化而變化［2］，具體如下圖5、圖6所示。

圖5 變截面形式Fig.5 Form of variable cross-section

圖6 邊角變化形式Fig.6 Corner change form

構件外部邊緣部位的準確坐標尺寸，不僅影響建筑的整體造型，同時也對構件的安裝尺寸精度起到了至關重要的作用。故針對構件邊緣位置在建模時，采取以下步驟：

（1）首先將構件翼腹板伸出主材外，找出兩板之間截面方向的兩個相交點，如圖7所示。

圖7 主材板相交線Fig.7 Intersection lines of main wood plates

（2）找出單根構件單塊板端部位置的四個相交點，如圖8所示。

圖8 主材相交點Fig.8 Intersection points of main materials

（3）以四個相交點為基準點，重新再建出一塊超薄1 mm的彎扭板，如圖9所示。

圖9 輔助彎扭板Fig.9 Auxiliary bending and twisting plate

（4）輔助彎扭板與主材翼腹板相交線進行核對，對于局部偏差較大的位置進行調整。

（5）取輔助彎扭薄板與主材板的差集，將多余部分刪除，得到實際主材邊緣線。

3.2 扭板壓制

本工程扭曲鋼板主要為線性扭曲，主要為鋼柱上部的五邊形區域。所謂線性扭曲箱體的特點是腹板平直、翼緣板只扭不彎（成型后地面投影為規則矩形），有別于常規的扭曲和彎扭構件。

彎扭板件成型思路：單塊扭板結構特點為兩端部呈扭曲狀，而四條主材邊緣為直邊，板為大小頭形式，規格以500×900×40（50）為主，長度6～14 m，節點扭板的成型方式選擇對角折彎成型，扭度小的，選擇一道成形，扭度大的選擇多道折彎成形。具體如圖10所示。

基于上述思路，針對本工程的彎扭板，同時結合壓力機的參數提出以下工藝路線：

（1）針對板件規格為40 mm及以下板厚長度不大于6 m時，且折彎角度θ≤3°時，采用一道折彎成型的方式制作；3°＜θ≤6°時，采用兩道折彎成型；5°＜θ≤9°時，采用三道折彎成型；對角線第一道壓最大3°，后面每一道壓2°～3°，兩道折彎線偏移120 mm。

（2）針對板件規格為40 mm以上板厚長度大于6 m時，當折彎角度θ≤3°時，采用一道折彎成型制作，3°＜θ≤5°時，采用兩道折彎成形；5°＜θ≤7°時，采用三道折彎成形；7°＜θ≤9°時，采用四道折彎成形；9°＜θ≤11°時，采用五道折彎成形。對角線第一道壓最大3°，后面每一道壓1°～2°，兩道折彎線偏移120 mm。在同一道折彎線上，兩次壓刀重合長度達到150～200 mm之間，下刀時觀察板件狀態，有死彎趨勢時立即停止［3］。

本工程折彎板為8°～0°漸變形式，故在折彎時，針對不同區間，采用了不同的折彎道數，如圖11所示［14］。

圖11 折彎要求Fig.11 Bending requirements

3.3 鑄鋼件的焊接工藝

異型變截面鋼柱的中部轉換節點位置為鑄鋼件，材質為G20Mn5QT，根據鑄鐵碳當量計算公式［1］CE=［C+1/3（Si+P）］×100%得出鑄鐵碳當量約為0.4，焊接性能偏弱，其中碳含量為0.202，在合格臨界值附近，含碳量越高，碳當量值越大，材料更偏向于硬、脆，淬硬傾向增大，塑性存在下降趨勢，并且在高應力的作用下產生裂紋的傾向也隨之增大。材料的焊接性能也隨之降低。基于上述原因，生產前按照以下焊接參數進行了焊接工藝評定［9］。具體施焊步驟如下：

（1）焊前清理：施焊前應對坡口面及兩側進行打磨，去除表面的水、氧化皮、油污等雜質。

（3）焊前預熱：預熱溫度為200～250 ℃，預熱范圍為坡口面兩側100 mm內。

（4）焊接參數：電流250～300 A，電壓30～36 V，焊接速度300～500 cm/min。

（5）焊接位置：2G。

（6）層間溫度：200～250 ℃。

（7）采用多層多道焊，禁止擺動焊接。

采用該施焊參數，施焊后的焊接工藝評定力學性能的拉伸、彎曲、沖擊結果如表1、圖12所示。結果顯示，采用該焊接方法，可滿足施焊要求［1-2］。

表1 力學性能Table 1 Mechanical properties

圖12 力學實驗Fig.12 Mechanical experiment

3.4 雨水管的安裝工藝

本工程雨水管為內置于鋼柱內形式，且雨水管壁厚僅為2 mm。鋼結構在加工制作過程中會存在火矯、轉運、拋丸等工序。故在制作過程中對雨水管的成品保護要求較高。基于上述要求，提出以下工藝路線要求：

（1）為避免出現雨水管在后續拋丸時出現拋傷變形的情況，對于存在雨水管外露段的構件，要求將零件先轉運至涂裝車間進行拋丸除銹，其次再轉回裝焊班組進行組拼。采用散件拋丸的方法避免出現雨水管刨傷的情況［4］。

（2）對于五邊形彎扭區域，扭板在折彎后，局部位置仍然存在尺寸偏差，該位置需要采用火焰進行局部矯正。鋼板在加熱矯正過程中，易對內部雨水管造成燒傷的情況。針對該問題，要求針對五邊形彎扭柱內部的雨水管在拼裝前，包裹防火布起到保護作用。

4 多腔體柱的拼裝工藝

4.1 八邊形的拼裝工藝

針對八邊形柱的組拼主要有以下步驟：

（1）首先組拼十字柱，十字柱的組立過程主要分為三個步驟，即H型鋼的制作、T形鋼的制作及十字柱的組立。

（2）其次加裝十字柱內隔板。內隔板加裝完畢后檢查尺寸并進行施焊。

（3）將雨水管插入內隔板上的預留孔，同時采用卡扣固定焊接在鋼柱上。另外，雨水管在固定之前需包裹好保溫棉和防火棉。

（4）最后將四塊側板拼裝至構件上。四塊側板安裝時需注意坡口的加工。為減少焊接量，提高生產效率，側板在拼裝時不能采用常規側板與十字主體板的自然坡口施焊［6］。具體要求如下：

①首先要求側板主材寬度采用長邊下料，如圖13所示。

圖13 側板長邊下料Fig.13 Cutting the long side of the side panel

②其次，要求側板在拼裝前先開設坡口，再進行拼裝。坡口角度與側面主材板之間為35°［1］。具體如圖14所示。

圖14 坡口大樣要求Fig.14 Requirements for large groove

③對于主材與隔板需要熔透的位置開設塞焊孔。

（5）側板拼裝完畢后，采用多層多道焊進行施焊，施焊時注意焊腳余高不宜過高。施焊完畢后對構件外表面進行打磨平整處理［13］。

4.2 五邊形的拼裝工藝

對于上部雙枝五邊的拼裝工藝路線如下：

（1）為保證構件外輪廓尺寸，構件在拼裝前，需根據模型中不同的點位坐標對板材邊緣的斜邊輪廓進行切割加工。具體如圖15所示。

圖15 邊緣斜角割除Fig.15 Edge bevel cut

（2）根據構件圖隔板位置的剖面圖，在水平平臺上對每塊隔板位置畫出相關的投影線，如主體端口、下翼板、兩側斜腹板等重要控制部位的輪廓線或投影線，并對重要的位置打上樣沖眼［3-4］。具體如圖16所示。

圖16 地樣標識Fig.16 Site identification

（3）根據投影輪廓線及控制點放置胎架，搭設支撐桿，在保證裝配及焊接可操作性的前提下，盡量降低胎架高度；且胎架的高度采用水準儀找平，誤差在1 mm內［12］。具體如圖17所示。

圖17 搭設胎架Fig.17 Erection of a tire frame

（4）依照胎架位置，放置底板，底板就位后，將中間腹板與底板組立并焊接。在底板及中間腹板吊鉛垂線，垂線應與地樣坐標點重合。具體如圖18所示。

圖18 底板就位Fig.18 Installation of the bottom plate

（5）根據圖紙尺寸對內隔板位置進行劃線。對內隔板進行坡口加工，同時拼裝至構件上。拼裝完畢后進行全熔透施焊，并報探傷［3-4］。具體如圖19所示。

圖19 隔板拼裝Fig.19 Partition board assembly

（6）先將斜側板就位，就位后利用火工及輔助外力設備（楔釘或千斤頂），使各關鍵控制點與坐標、尺寸一一對應就位，誤差不超過2 mm；將內隔板與側板直接進行施焊，施焊后進行UT檢測。具體如圖20所示。

圖20 側板拼裝Fig.20 Side panel assembly

（7）隔板拼裝完畢后，將雨水管放置入構件內并進行固定，如圖21所示。

圖21 雨水管拼裝Fig.21 Assembly of storm pipe

（8）上板拼裝前首先對扭板進行地樣放樣檢查，確定單塊板尺寸符合圖紙要求。同時對需要與隔板熔透的位置開設塞焊孔，最后將上蓋板拼裝至構件上與主體之間施焊。

（9）對主體焊縫采用全熔透施焊，施焊時注意電流電壓控制，避免焊接變形。施焊完畢后進行回胎，對焊接變形的位置進行回胎，回胎后對主焊縫進行打磨平整處理。上述步驟完成后，對全熔透焊縫進行UT探傷。對構件外觀進行修正打磨，檢查構件尺寸，對超差部位進行校正［10］。

5 結束語

（1）通過對本工程變截面多邊形柱構造形式、加工重難點的分析，制定合理的制作工藝路線方式，在制作過程中采取有效的裝配工藝措施和焊接變形控制措施，確保了構件的加工質量，最終通過對構件的質量驗收，達到了設計預期要求。

（2）在節點施工過程中，結合實際加工情況，不斷調整完善工藝方案，并對合理化的措施進行整理，形成一套針對異型變截面多腔體構件的制作管理體系，為今后的同類構架提供了可靠的依據。