一、前言
近年来随着国家政策的导向钢结构在建筑中越来越多的被使用, 同时钢结构以其良好的造型能力及安全性受到了现代社会的追捧, 一批批造型独特、结构复杂、施工难度大、科技含量高、极具挑战性的标志性建筑由此而产生。此类项目也受到钢结构公司的青睐, 以向社会展示其独特、高超的加工能力。本项目集酒店、写字楼、会展、酒店式公寓及高端商业于一体, 占地面积为26666平方米, 总建筑面积为25万平方米, 高度358米 (其中地上88层、地下3层) , 项目总投资30亿元。以六边形“中国窗”作为主题元素, 蜂巢似的建筑外形造型新颖独特, 是世界建筑史上一次大胆的尝试和创新。曾打出“北京有鸟巢, 天津有蜂窝”的口号, 被评为世界未来最具特色十大建筑。
二、项目难点及方案选择
(一) 项目加工难点
本项目在楼层角部的平面转角处水平梁采用弧形梁过渡、垂直支撑采用箱型弯扭截面, 箱型支撑腹板的空间投影曲率近似于平面梁 (最后深化设计时采用了弯扭板件) , 翼缘板为弯扭板件。我司加工范围为本项目地下室部分, 在出地面处与地上第一节连接时, 角部垂直支撑牛腿为箱型弯扭件 (见图一) , 牛腿板厚100mm, 材质Q420GJC-Z25 (符合GB/T19879-2015、GB/T 5313-2010) , 材料板厚且强度高。此项目构件难度在于图纸如何清晰的标识, 空间点如何精确的控制, 构件尺寸及扭曲面如何控制, 高强度厚板如何成型等。
(二) 、高强度厚板弯扭板件成型方案的确定:
1、方案一:卷制成型法
使用传统卷板机对板件进行初步卷制, 成型后采用火焰加热进行曲线调整。本方案的缺点在于卷制板的线性与设计线性差别太大, 后期火焰校正工作量大, 过多的加热将导致材料性能的变化, 后期无法进行材料的整体热处理, 最终将导致潜在的结构安全风险。
2、方案二:无模成形设备压制成型法
采用“鸟巢”项目使用过的无模成形技术。无模成形是以计算机为主要手段, 利用多点成形或增量成形的方法, 实现板料的无模具塑性成形的先进智能化制造技术。无模多点成形是利用高度可调节的数控液压加载单元 (设备见图二) 形成离散曲面, 来替代传统模具进行三维曲面成形的方法, 实现板料的无模具塑性成形的先进智能化制造技术。是一种多点压延加工技术 (工艺过程见图三) 。
本技术的优点在于压制一次成型, 与模型中弯扭构件的线性度高吻合, 成型后无需再进行火焰调整线性。但超出了国内现有的配套无模成形设备加工能力, 目前国内配套设备的最大能力为厚度80mm (Q345B) 。本方案无法满足本项目板件成型。
图三:弯扭成型工艺
3、方案三:压力机对角压弯法
考虑到本项目弯扭板件的弯扭角度较小, 采用压力机压弯法是以板的一条对角线为压弯线, 其余二面的夹角为压弯角, 采用平面压弯 (以直代曲) 的办法来满足空间要求。本压弯法的板面非圆滑过渡, 在感官上比上述二法相差较大, 经与业主说明情况及沟通, 业主同意采用本办法进行制作。
三、弯扭件制作图纸
(一) 、导出空间板件图
从模型中导出弯扭板件零件图, 以三点为平面, 第四点的平面外坐标 (Z向) 值见图四:
(二) 、对空间板展开下料图
因为板的压弯角度非常小, 压弯时板厚方向对下料尺寸的影响可忽略不计, 采用投影法钢板进行展开, 翼缘板在端头方向加长15mm做焊接收缩及端铣余量, 腹板宽度方向在下料时已扣除坡口间隙按净尺寸进行下料见图五。
(三) 、压弯成型图
根据成型后的平面外坐标值, 在CAD中按照以对角线为压弯基准线, 以对角线投影后二面形成的夹角为折弯角进行弯制 (如图六) 。
注意事项:
(四) 、组立图
1、组立基准的确定
结合后工序 (端铣) 的需要, 组立时基准采用端铣面作为坐标基准, 即端铣面垂直于地面, 以箱型截面端部的翼缘板一个点作为原点, 翼缘板边作为Y向, 腹板边作为Z向, X向由ZY向获得, 获得的坐标系作为其他点的基准坐标系, 确定点的相对三维坐标值。
2、弯扭件组立图见图七及组立坐标见表一
四、弯扭板压制
弯扭板采用3500T的压力机进行压制, 压制过程中注意多次压制, 每次压制产生小角度变形, 每次抬起上刀后使用检查模板进行角度检查 (图八) , 避免造成角度过压。
五、弯扭件组立工艺过程
(一) 采用三维坐标法搭建组立胎架, 具体步骤如下:
1、用一块较厚 (20mm以上) 作为平台, 平台务必要水平;并在平台上画出二维坐标线, 如下图九:
2、依据组立图中的XY坐标在平台上进行放样, 在平台上用样冲进行标记并写上对应点号, 放样坐标尺寸误差控制在±3mm范围内, 如下图十:
3、依据板件250的Z向坐标 (点号3、4、9、12) 设置胎架, 胎架的高度可根据实际需要整体抬高, 对于胎架的高度尺寸误差控制在±2mm范围内;如下图十一:
至此组立用基础胎架搭建完毕。
(二) 、压弯板的组立流程及精度控制
组立前前需对每张压弯板尺寸进行检验, 检验合格后方可进行组拼。组拼流程如下:
1、将板件250上胎架并进行固定;如下图十二:
2、装配端头板, 注意按照坐标要求端头板是垂直于大地;如下图十三:
3、依据二侧腹板 (板件246、板件247) 上部坐标装配腹板, 将坐标尺寸误差控制在±3mm范围内, 采用线锤掉线与坐标点进行复核方式, 需要务必注意保持接口端的尺寸, 与下翼缘板进行点焊, 并加上适当的支撑防止位置变动及保证安全;如下图十四:
4、盖上翼缘板 (板件248) , 将坐标尺寸误差控制在±3mm范围内, 采用线锤掉线与坐标点进行复核方式, 特别注意控制接口端的尺寸, 对于与垂直支撑连接点的尺寸误差控制在±3mm范围内, 对于与现有钢柱的接口尺寸误差控制在-5~0mm范围内;如下图十五:
六、弯扭件的焊接
焊接采用CO2气体保护焊打底, 埋弧焊盖面, 焊接过程中务必注意控制预热温度、层间温度及后热温度, 防止高强钢的裂纹产生。焊接完成后再次上胎架进行复胎, 调整各坐标点符合图纸及验收要求。完成后转入下一道端铣工序。
七、弯扭件的端铣
端铣前, 采用弯扭件组立时的下翼缘四点及端铣面四个点的坐标, 作为端铣胎架的基准坐标搭建端铣胎架, 然后将弯扭件放置在胎架上, 采用端铣机进行端面铣。如右图:
八、结论:
采用以上技术措施的严格控制, 使得本项目的弯扭件尺寸得到了有效控制。通过采用卷制成型、无模成形及压弯成形等成形方法, 结合三维坐标法进行弯扭件的组立制作, 能够得到弯扭件控制点精度及弯扭曲线与设计的高度吻合。特别是无模成型法更能高效加工独特的结构造型, 可以在行业中类似项目中借鉴使用。
摘要：通过本项目高强度厚板弯扭件精度的制作分析及实践控制, 对弯扭件的加工工艺进行了研究, 总结了弯扭件加工的全过程控制工艺方法, 使弯扭件的尺寸及线性得到了有效保证, 从而保证了项目的顺利进行, 并拓展了弯扭构件的加工方案。
关键词：高强度厚板,弯扭成型,三维坐标图,制作工艺
参考文献
[1] 刘子祥戴为志.国家体育场“鸟巢”—钢结构工程施工技术.化工出版社, 2011.
[2] 戴为志等.建筑钢结构焊接工程应用技术及案例.化工出版社, 2016.
[3] GB/T19879-2015《建筑结构用钢板》
[4] GB/T5313-2010《厚度方向性能钢板》
[5] GB50661-2011《钢结构焊接规范》