鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文介紹了施工單位進行深圳T3航站樓項目異型曲線焊接箱型截面加強桁架工廠加工制作的特點和難點。從制作精度的控制、焊接變形的控制、焊接殘余應力的消減、防止焊接層狀撕裂的措施等幾個方面重點闡述異型曲線焊接箱型截面立體桁架制造技術。
關鍵詞：異型曲線；箱型；桁架；制作精度；焊接變形；殘余應力；層狀撕裂
深圳機場是中國的第四大機場，T3航站樓建成后將與本區域的香港、廣州、澳門及珠海機場形成一個規模宏大的珠三角機場群，將對本地區的社會與經濟產生深遠影響。T3航站樓以空氣動力學曲線為布局的屋面，既蘊涵航空工程學的最佳原理，又引發了深圳這座年輕的濱海城市所帶給人們的浪漫體驗和詩情畫意，是建筑、設計和技術融合為一的藝術珍品，不僅充滿了未來氣息，還顯示出真正的抵達之感。
圖1 深圳T3航站樓整體效果圖 (深圳機場)
1 工程概況
深圳寶安國際機場T3航站樓位于深圳市寶安區寶安國際機場擴建區域，總用鋼量約4萬t，鋼材材質主要為Q345B、Q345C和Q345GJC。本工程主要由主樓大廳和十字指廊兩個區域及登機橋組成。其中十字指廊鋼結構主要由雙層加強桁架、斜交斜放鋼管網架、V型柱、鋼拉桿、鑄鋼支座、粘滯阻尼器、TMD阻尼器等組成，屋頂大部分為規則筒殼，局部區域存在凹陷區，主要由67片帶加強桁架的斜交斜放網架組成，每榀加強桁架由四根異型曲線焊接箱型截面弦桿和若干鋼管腹桿組成，桁架端部通過鑄鋼支座直接支承在4.4m層高的異型混凝土柱上。
圖2 T3航站樓透視圖(異型曲線立體桁架)
圖3 單榀加強桁架軸測圖(深圳機場)
2 加工制作要點及難點分析
1）異型曲線焊接箱型截面弦桿翼緣板加工制作精度及彎曲過程中殘余應力的控制。
本工程加強桁架箱型弦桿由不同曲率的曲線擬合而成，為了確保整體曲線度滿足設計要求，弦桿翼緣板下料后應先進行彎曲成型加工，然后進行裝配。
翼緣板彎曲成型過程中，為了控制彎曲精度及彎曲過程中鋼板內部的殘余應力。彎曲時先采用卷板機進行卷制成型，然后采取一些適合本廠具體情況且與常規方法不同的生產工藝管理制度和工藝措施，對翼緣板彎曲成型進行精整以及殘余應力消減。實踐表明，翼緣板彎曲成型精度及成型后的各項力學性能指標均滿足相關要求，且鋼板內部的殘余應力被最大限度的均勻化。
2）異型曲線焊接箱型截面弦桿裝配精度控制。
弦桿裝配精度的高低不僅影響后續焊接質量，還直接影響構件的整體制作精度。裝配前重點檢查零件切割下料精度、腹板對接接長精度、組裝胎架精度等是否滿足要求。然后嚴格按照工藝文件要求進行裝配，裝配過程中配備專職質檢員對裝配地樣、關鍵控制點尺寸進行跟蹤檢查。嚴把過程控制關。
3）焊接殘余應力、層狀撕裂及焊接變形的消減與控制。
加工時務必使構件在自然狀態下進行裝配，切忌施加外力強制裝配固定，以避免裝配過程中零件板內部產生附加應力，同時通過焊接工藝評定、設計合理的焊接坡口及焊接順序、焊前預熱、焊后后熱、設置零時固定支撐等措施，以實現加工過程中焊接殘余應力、層狀撕裂及焊接變形的消減與控制。
3 加工制作方案分析及選擇
3.1 方案分析
本工程加強桁架由四根異型曲線焊接箱型截面弦桿及之間的連系桿件組合而成，是整個工程的主要支撐結構。因此，其制作質量的好壞直接影響到整個工程的外形特征及受力狀態，同時也極大程度的影響現場安裝的質量。單片平面桁架的腹桿及平面桁架之間的連系桿件為鋼管，工廠加工制作主要為相貫線切割。因此，加強桁架工廠加工制作的難點主要為上、下弦桿的加工制作。
3.2 方案選擇
根據加強桁架的結構特點，充分結合工地現場的吊裝要求及工廠運輸條件，在制作時首先將其劃分為六制作單元，各制作單元對接縫必須沿上、下弦弧形中心徑向設置，以保證接縫端面各板材端面均為直線。其中，第四制作單元加工時在弦桿上端加放50~100mm的嵌補余量，用以補償兩側拱段的安裝位置偏差。
圖4 加工制作單元劃分示意圖
4 加工制作關鍵工藝
4.1 余量加放要求
1）弦桿腹板寬度兩邊各減5mm，以確保全熔透焊縫有足夠的焊接間隙。
2）考慮到焊接收縮量及變形矯正，弦桿長度方向加放30mm余量。
3）每根腹桿下料長度比實際凈尺寸短5mm，以便于安裝。
4.2 零件放樣、下料與切割
1）零件放樣與號料時應根據設計圖紙及工藝要求加放焊接收縮余量、切割寬度留量及端面銑余量等；
2）工廠放樣、下料、裝配用尺應與驗收用尺核對一致；
3）所有桿件應盡量按最大長度下料，同時，為提高材料利用率，零件放樣下料時應嚴格按照工藝部門提供的套料圖進行。
4）零件下料前應仔細核對材料材質與規格，做到專材專用，不得隨意代換，若需代換，需征得原設計的同意。
5）零件切割下料后，應在每一零件的明顯部位標識（打鋼印）零件編號。
4.3 裝配與焊接
1) 首先將裝配場地清掃干凈，準備好裝配用的尺、工裝夾具、吊具、焊接工具等相關工器具，然后將加工好、待裝配的零件運至裝配場地，并將零件號與深化設計圖紙進行仔細核對，以防錯用或漏裝零件。
2) 裝配前先進行腹板對接接長，檢測合格后轉入裝配工序。
圖5 腹板對接接長實景
3） 在裝配平臺上1:1畫出弦桿的水平投影線，裝配過程中應注意保護地樣的完整性。
4） 裝配時先將下腹板在裝配平臺上與地樣進行精確定位，然后依次裝配弦桿內部勁板、下翼緣板及上腹部。
圖6 弦桿裝配實景
5） 采用CO2氣體保護焊對勁板與弦桿面板之間進行三面全熔透圍焊，焊接時根據不同板厚采用不同的焊接坡口形式及焊縫的焊道層數。
6）裝配上翼緣板，裝配方法同上。
7）弦桿裝配合格后，進行弦桿四條縱縫焊接，焊接時先采用CO2氣體保護焊打底兩道，然后采用半自動埋弧焊進行蓋面，焊接時從中間往兩側同時對稱施焊。焊后進行UT檢測。
5 構件精度檢測
弦桿制作單元外形尺寸檢測在焊縫UT檢測合格后且在弦桿端部銑平前進行。
5.1 弦桿水平方向檢測控制要素示意圖
圖7 弦桿水平方向檢測控制要素示意
5.2 弦桿垂直方向（水平度）檢測控制要素示意圖
圖8 弦桿垂直方向（水平度）檢測控制要素
6 工廠整體預拼裝
根據加強桁架自身的結構特點，擬采用立面臥式拼裝的方式進行桁架的預拼裝。
預拼前先用全站儀在預拼場地根據桁架立面圖放出單榀加強桁架的地樣，并根據地樣設置胎架。然后依次將各預拼單元的上、下弦桿吊上胎架，并通過線錘與地樣進行對正。弦桿定位合格后用全站儀根據給定坐標將腹桿中心線與弦桿表面交點在弦桿表面依次標出，然后進行桁架腹桿與弦桿之間預拼，腹桿預拼時通過線錘與地樣進行對正校核。
通過預拼檢測各控制點的尺寸偏差以及各對接端口間的錯邊與間隙情況，從而掌握構件的制作精度是否滿足設計及規范要求，同時分析偏差產生的原因，以確定導致偏差的工藝參數，以便于后續制作時及時調整。
圖9 桁架預拼實景一
圖10桁架預拼實景二
6 結 語
T3航站樓設計的主要特點，是將高質量的設計細節和實用需求完美結合，內部空間高大寬敞，旅客身臨其間，透過玻璃幕墻，四周美景一覽無遺。行云流水般的屋面設計以及變換無窮的光影空間，使得人們的旅程沐浴在繽紛之中。因此，如何保證桁架的制作精度以及預拼后桁架整體的流線型滿足設計的要求，成為本項目加工制作的難題。在項目全體技術人員的不懈努力下，成功解決了此類型構件加工過程中的精度控制、變形控制等問題。構件最終的制作質量獲得了業主、設計及監理的高度認可，也為今后類似構件的加工制作積累了經驗、奠定了基礎。
參考文獻
[1] GB50205-2001 鋼結構工程施工質量驗收規范[S]
[2] JGJ81-2002 建筑鋼結構焊接技術規程[S]
（中建鋼構江蘇有限公司，江蘇靖江 214532）
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