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135.8 m,南侧宽约45 m,北侧宽约74 m。几何形态呈3个波峰和2个波谷。结构部分形式见图1。
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图1 天幕钢结构示意
天幕单层网壳钢结构是由1 430个节点和4 360根变截面钢梁组成,其中1 330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
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设计板厚差异明显。单个节点质量最小的仅67 kg(对应直径410 mm),最大的则达到3 240 kg(对应直径1 400 mm),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：
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a.单个节点零件多,且节点内部空间小(节点高度300～800 mm,节点直径410～1 100 mm),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1 330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。
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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
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单层大跨度网壳结构空心六棱柱节点制作技术
