蔡枫
(常州第一建筑集团有限公司，江苏 常州 213000)
［摘要］以上海闸北区体育中心工程环梁安装为例，针对空间构件零件放样难度大、不对称异型截面的构件焊接变形大等技术难点进行分析，制定专项解决措施，满足了大体积异型钢箱梁加工的技术要求。
［关键词］钢结构;异型钢箱梁;焊接;变形控制
闸北区体育中心位于上海闸北区中部，总建筑面积71 291.17m2(计入体育场面积约为87 544.17 m2)，包括体育中心主体建筑(含综合体育馆、全民健身馆、室外体育场、北部社区文化活动中心、学生体质健康检测中心、地下室)和辅助建筑单体(如锅炉房等)(见图1)。
图1 闸北体育中心鸟瞰图
闸北体育中心钢结构是由一节钢柱、二节钢柱、环梁、主桁架、环桁架、径向桁架和斜桁架组成的复杂空间桁架结构。钢材材质Q345B，钢柱采用焊接箱形截面，最大截面为 φ800×800×30× 30，最小截面为 φ700×500×16×20，柱顶标高27.044～36.660m。环梁采用焊接异型箱体截面，截面高度1 300mm，翼缘板宽800mm，板厚32mm，梁顶标高9.800m。管桁架采用方管和圆管截面，方管截面最大 φ350×150×12×16，最小为 φ60 ×4;圆管截面最大φ402×16，最小φ60×3.5。钢结构整体重达2 452t。整个闸北体育中心钢结构工程涵盖的钢结构形式多样，节点连接繁杂，施工难度大。
图2 钢结构整体模型
在环梁的加工中遇到一些加工工艺上的难点，就其中重要的难点问题简述如下。
1)环梁腹板平面展开放样问题 首先常规的箱形截面通常为矩形或方形，而本工程采用的是平行四边形;其次环梁在长度方向带有一定半径的弧度(见图3)。以上2点特征出现在同一根钢梁里，使得钢梁的腹板形成空间异型曲面。
闸北体育中心主体钢结构造型独特、结构新颖(见图2)。主次桁架纵横交错，形成由中心向四周发散的网状结构。其中环梁作为本工程钢结构重要的承重单元，承担了将屋顶管桁架荷载传递给底部混凝土柱的重要连接作用。环梁承受荷载大，质量要求高，确保其加工质量是整个工程的重要环节。整个工程环梁重约336t，整体按环形四周连续布置。钢梁的截面采用不规则箱形截面，钢梁平面内存在弧度。常规放样方法不适用，必须拓宽思路，寻找新的放样解决方法。
图3 环梁断面及俯视图
2)环梁上短柱头定位组立问题 本工程整体结构分布呈放射线形状，没有规则的定位轴线，相关柱梁连接角度均为空间异面夹角。钢梁定位的基准点难确定，钢柱上短柱头的角度方向定位难捕捉。如何准确快速定位相关零件，保证构件整体尺寸精度也是一个难点(见图4)。
图4 带小柱头的环梁示意
3)异型钢箱梁的焊接变形控制问题 常规箱形钢梁焊接和变形控制已经有了成熟的施工措施。本工程的箱形曲梁的外形特点导致现有的箱梁加工流水线无法使用，必须采用专用的焊接工艺和施工措施控制焊接变形，曲梁的尺寸精度控制难度较高。
3.1 工艺流程(见图5)
3.2 特殊工艺措施
3.2.1 环梁腹板平面展开放样
本工程采用三维建模软件Tekla Structures整体建模，环梁的腹板通过模型显示为空间异型曲面，利用Tekla自带的二维图绘制功能无法将其平面展开，放样难度大。
常用的构件表面展开方法有作图法、计算法、系数法、程序法、计算机辅助绘图法。通过理论分析和多次试做论证，最终确认采用Rhinoceros软件放样。
1)利用Tekla Structures创建整体钢结构模型，包含环梁及其安装节点。
2)将环梁模型数据按照DWG或DXF格式输出。
3)利用Rhinoceros读取环梁模型数据。
图5 环梁加工工艺流程
4)在Rhinoceros中利用环梁现有模型创建需要平面展开的环梁腹板。5)利用展开命令将环梁腹板展开成平面图形。6)将展开后的环梁腹板平面图形以DWG或DXF格式输出。
7)在AutoCAD中读取展开后的平面图形，绘制零件下料图。
3.2.2 环梁上短柱头定位组立
从整体结构看，支撑钢柱落在整个边环梁上，故环梁上短柱头的定位精度对上部钢结构影响大，要求高。依据以往工程经验，必须采用专用胎架+激光全站仪进行精确定位组立，才能确认满足尺寸定位要求。
1)箱形环梁和箱形短柱头单体完成焊接 依据展开放样后的外形尺寸进行翼缘板、腹板的下料，上专用胎架将箱形环梁拼装到位，组立焊接。
2)转换坐标输出控制点三维坐标 在三维模型中将环梁两端部放水平，并以此面为基准面确定新坐标零点建立坐标系。然后将柱头顶部和根部角点在新坐标系下的坐标值一一捕捉出来，作为后续组立安装控制的依据(见图6)。
图6 环梁三维坐标定位示意
3)利用激光全站仪进行短柱头的空间定位。在胎架上将环梁就位后，依据三维模型转化出来的控制点三维坐标，将短柱头在环梁上进行定位，并利用激光全站仪和铅垂等工具进行检验和调整，定位完毕后进行焊接。
3.2.3 异型钢箱梁焊接变形控制
本工程环梁采用焊接异型箱体截面，截面高度1 300mm，翼缘板宽800mm，板厚32mm，属于大型钢构件，焊接变形控制难度大，焊接质量要求高，变形后矫正极为复杂。对于这种大型不对称构件，焊后构件的挠度变形控制很重要，依据类似经验及焊缝相对中性轴的位置，确定焊接工艺参数。利用公式如下:
式中，L为构件长度，I为构件的惯性矩，A为焊缝的面积，Du为焊缝相对于中性轴的距离。
针对工程实际情况，结合上述挠度分析，确定采用平衡焊接法和反变形控制法。
1)平衡焊接法 通过经验公式计算，找出对焊接变形影响最大的焊缝，通过调整焊接工艺顺序减小焊接产生的有害变形(见图7)。
图7 平衡焊接法
按挠度计算公式计算，焊缝A1，A3焊接完成后会引起箱形构件挠曲变形63mm。为了减少挠曲变形，依据计算结果，制定焊接工艺顺序如下:①4条焊缝采用CO2气体保护焊打底焊2道;②采用埋弧焊焊接焊缝A2，A4至焊脚尺寸20mm;③采用埋弧焊完成A1，A3的焊接;④焊接A2，A4至计算所得尺寸。
采用上述焊接工艺焊接相近尺寸的钢箱梁20余根，构件的挠曲变形公差值控制在±5mm范围内，减少变形矫正工作量，提高了工作效率。
2)反变形控制法 根据经验数据和公式计算得出焊缝焊接引起变形量，焊接前在焊件上相反方向设置一定的变形，焊接时焊接变形与反变形相互抵消，减少后续矫正，确保焊接构件尺寸(见图8)。
图8 反变形控制法
反变形焊接工艺顺序如下:①箱形构件4条主脚焊缝(A1、A2、A3、A4)进行定位焊和CO2气体保护焊焊打底焊;②用埋弧焊同向对称焊接主脚焊缝至1/3坡口深度;③对箱形构件翼缘板外伸部分在压力机上利用专业模具设置一定量的反向变形;④用埋弧焊焊接主脚焊缝至坡口平齐。
经过2个多月施工，箱形环梁按期完成车间加工进场吊装。正是由于前期选用工艺合理，并采取多种质量保证措施，通过现场安装检验，一次安装合格率达95.4%，确保了整个工程的施工进度和质量。实践结果证明，本工程采用的环梁加工工艺能够有效解决空间异型钢箱梁的加工难题。
参考文献：
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［作者简介］蔡 枫，工程师，E-mail:13606126075@139．com
［收稿日期］2016-06-18
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