单层大跨度网壳结构空心六棱柱节点制作技术.docx

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单层大跨度网壳结构空心六棱柱节点制作技术

单层大跨度网壳结构空心六棱柱节点制作技术

摘　要：

在大跨度网壳钢结构中常出现空间多面体节点,其中空心六棱柱节点较一般多面体节点更为复杂,制作难度也偏大。

提出在结构设计阶段和深化设计阶段即进行节点的全面优化,在工厂加工阶段对制作工艺进行优化,采用数控下料、坐标控制组拼的制作工艺,并创新辅助工装措施,制作全工序采用表格化程序监控,有助于实现复杂节点的批量化加工制作。

在提高工作效率的同时,保证了项目制作质量达标。

关键词：

六棱柱节点；批量制作；优化

近几年来钢结构制作技术不断成熟,各种形式的钢结构在建筑领域中应用越来越广泛。

随着国内空港车站、体育场馆、文化设施等大跨度空间结构建筑的大量建设,出现了很多复杂的结构节点形式,而在这些节点的制作过程中,装配及焊接精度要求高、焊接难度大,耗费工时巨大,有待从制作技术上寻求突破与创新[1-4]。

1　工程概况

某项目总建筑面积为44.63万m2,地处澳门,执行英标规范。

建成后将成为澳门最具特色的标志性高档酒店建筑群。

其中天幕钢结构形式为单层网壳连拱大跨度结构体系。

屋盖南北长约135.8m,南侧宽约45m,北侧宽约74m。

几何形态呈3个波峰和2个波谷。

结构部分形式见图1。

图1　天幕钢结构示意

天幕单层网壳钢结构是由1430个节点和4360根变截面钢梁组成,其中1330个节点为空心六棱柱结构,占所有节点的93%。

由于空间结构特殊性,每个棱柱节点外型虽然遵循了空心六棱柱的一致性特征,但其尺寸大小、内部定位及整个节点空间定位均不相同。

钢梁节点主要连接形式见图2。

图2　六棱柱节点示意

由于每个节点的各异性,本项目设计阶段考虑将空心六棱柱节点的形式定为板拼式焊接节点,单个节点由外环、内核、上下盖板和加劲肋4个部分组成,每个节点含42个零件板,组拼焊缝共计48道。

由于每个节点的设计板厚差异明显。

单个节点质量最小的仅67kg（对应直径410mm）,最大的则达到3240kg（对应直径1400mm）,见图3。

图3　六棱柱节点零件示意

2　制作难点分析

六棱柱结构形式见图4。

图4　六棱柱结构形式

根据六棱柱节点的结构形式,其加工制作难点如下。

1）单个节点制作难度大,主要表现为：

a.单个节点零件多,且节点内部空间小（节点高度300～800mm,节点直径410～1100mm）,有限的空间内容纳了大量零件板。

b.焊缝重叠多,焊接应力大、焊接变形难于控制且焊缝质量要求高。

对焊接程序的控制带来很大的挑战。

c.外观处理难度大,截面及夹角小,喷砂、油漆需要细致的控制。

d.加工精度要求高。

每个节点在六个面上均需要与钢梁进行连接,其中工厂完成主方向2根钢梁的连接,另外4根在现场完成。

六棱柱节点的制作需要保证相当高的定位精度,才能同时保证其在6个方向上与钢梁的准确对接。

2）由于1330个节点在外形尺寸、内部定位及节点重量上各不相同,对传统的流水线加工制作有很大的挑战[5]。

3　制作技术要点

3.1　制作优化

3.1.1　设计优化

在设计阶段即考虑对加工制作进行合理的优化,统计每一个六棱柱节点的高度、半径信息,在深化设计阶段优化内核空间定位。

确保内核在满足设计要求的前提下有足够的组拼、焊接空间[6]。

3.1.2　工艺优化

通过焊接工艺优化,将外环工字板由两道焊缝组拼完成优化为一道焊缝,且焊接位置由端部移至中部。

使每个节点优化减少6道制作焊缝的同时,避开了焊缝重叠区,减少了焊接热变形的影响[7]。

工艺优化示意见图5。

a—原设计；b—工艺优化后。

图5　设计工艺优化示意

a—K字头板中性面顶点编号；b—Q字头板接触面顶点编号。

注：

1~12为坐标编号。

图6　坐标控制法示意

为实现六棱柱节点的批量化流水加工,引入坐标控制法解决不同节点在组拼工序的非共性问题。

以坐标法控制每块节点板的定位,确保节点内的大量零件板组拼定位尺寸精确和统一。

深化设计阶段,预先在深化图纸中标示出每个节点关键控制点的局部坐标和全局坐标。

单节点组拼阶段,图纸中的局部坐标系统可以方便快速地提供控制点间的相对定位数据。

而在组合件的拼装测量阶段,则以图纸中的全局坐标系统为指导,对每个节点的关键位置进行准确的空间坐标定位。

坐标控制法示意见图6以及表1、表2。

表1　Q字头板坐标定位　mm

编号1（X,Y,Z）2（X,Y,Z）3（X,Y,Z）4（X,Y,Z）Q-119496,9,10100,1,37060,80,37060,80,10Q-119651,86,1052,86,370-36,93,370-26,92,10Q-1195-39,98,10-45,89,370-100,10,370-105,1,10

表2　K字头板坐标定位　mm

编号1（X,Y,Z）2（X,Y,Z）3（X,Y,Z）4（X,Y,Z）K-31850,4,1050,-4,370126,-4,370126,-4,355K-125128,42,1028,41,37071,105,37071,105,355K-853-14,48,10-45,89,370-100,10,370-50,116,355

3.1.3　工装措施研发

针对六边形节点独特的造型造成的焊接空间受限,各阶段焊接均需要合适的焊接位置,针对截面及夹角太小,以及外观处理难度大的难题,研制针对六棱柱节点的Y形焊接工装措施,确保大部分焊缝焊接时均处在最舒适的操作位置,保证焊接可控、外观质量合格,见图7。

图7　工装措施示意

3.2　制作流程确定

3.2.1　单个节点制作流程

为验证节点制作的可行性及优化措施的适用性,在节点正式加工前进行单个六棱柱节点的工序试造,实践证明:

在分级组拼与分级焊接的合理制作程序控制下,加工精度控制、焊缝重叠热变形等问题得到了解决。

对于实现六棱柱节点加工制作扫清了障碍。

制作工艺流程见图8。

a—内外环下料组拼；b—二次组拼封盖板；c—药芯焊丝焊接。

图8　制作工艺流程

3.2.2　制作质量控制措施

根据试作情况,在正式加工阶段,采用数控切割下料保证零件板的加工精度,采用局部坐标法对节点拼装进行坐标定位保证安装精度,焊接阶段采用实心焊丝打底和药芯焊丝盖面相结合保证焊缝外观达标。

全过程的工序采用下料、拼装、外观尺寸检查表,无损检测表,喷砂、油漆检查记录整套质检体系。

以完整无缝的质量管控措施配合先进的制作方法,实现节点制作的顺利推进。

经过分析节点外观尺寸检查表,相关数据不仅满足了《2011年钢结构作业守则》的要求。

且精度控制上偏差远小于《2011年钢结构作业守则》中“截面尺寸和偏差容限”的要求,外观尺寸检查结果见表3。

表3　外观尺寸检查结果　mm

项目节点编号L1L2L3设计值实际偏差设计值实际偏差实测值标准值（L2/4）结果1A2-18C3b-01199+11060+0269265.0通过2A2-18C3d-01200+1900+1229225.0通过3A2-19C2b-0600+1450+1116112.5通过4A2-19C2d-0440+1458+1119114.5通过5A2-21C11b-0430+1528+1137132.0通过6A2-21C11d-0450+0546+1140136.5通过………………………

注：

L1为节点高度；L2为节点外六棱柱最大直径；L3为外边板与内隔板最小间距。

3.2.3　预拼修正流程

为确保六棱柱节点空间定位可控,采用必要的工厂预拼装措施实现组合件尺寸的精确性[8]。

严格按照标准作业手册施工,确保出厂前六棱柱节点和钢梁空间准确对位。

预拼修正流程见图9。

a—搭设胎架;b—组拼测量;c—工厂组拼;d—局部校正。

图9　预拼修正流程

3.2.4　批量化制作流程

根据前期成功优化及试作经验合理拟定各分项加工流程,确定钢板下料→内核组拼→外环组拼→主体组拼→盖板/劲板组拼→检测探伤→喷砂油漆→合格出厂的合理制作工序,在分级组拼工序中穿插分级焊接工序。

不仅很好地保证了单个节点的加工质量,而且实现了节点在批量化制作过程中的质量控制。

批量化制作流程见图10。

图10　批量化制作流程

3.2.5　最终制作达标

经过完整的PDCA质控程序,六棱柱节点各项指标参数获得工程各方的一致好评,工厂加工呈现出批量制作的良好局面。

单层大跨度网壳结构空心六棱柱节点制作技术顺利实施。

4　结束语

空心六棱柱节点制作技术不仅实现了本项目单层大跨度网壳结构的复杂节点从设计理论到最终成形的成功跨越。

也从实践角度证明了复杂节点通过加工优化方法也可以采用传统的组拼焊接工艺进行批量化/流水线加工制作。

在确保质量符合严格的BS5950—1中Part6《钢结构材料和工艺规范》的同时尽可能兼顾了效率优化,相对缩短了制作周期。

该技术不仅在本项目中成功获得应用,对于未来其他同类或者类似工程的加工制作可起到借鉴作用。

参考文献

[1]　BS5950—1　StructuralUseofSteelworkinBuilding.BSI,2000[S].

[2]　彭达材.钢结构作业守则[R].香港:

香港屋宇署,2011.

[3]　JGJ7—2010　空间网格结构技术规程[S].

[4]　陈昕,沈世钊.网壳结构的几何非线性分析[J].土木工程学报,1990（3）：

47-57.

[5]　中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京：

中国计划出版社,2002.

[6]　王娜,陈昕,沈世钊.网壳结构弹塑性大位移全过程分析[J].土木工程学报,1993

（2）：

19-28.

[7]　JGJ81—2002　建筑钢结构焊接技术规程[S].

[8]　莫莉.钢网壳屋盖吊装及局部整体提升施工技术[J].钢结构,2006,21（5）：

79-80.