青岛火车北站钢结构工程“主拱”加工制作技术

2014-08-05杜冰冰

电焊机 2014年5期

张伟，杜冰冰，王垒

(浙江精工钢结构(集团)有限公司，浙江绍兴 312030)

1 工程概况

青岛北站位于青岛市李沧区，车站建筑部分分为地上两层、地下三层，局部设置夹层。结构体系复杂，主要由大型空间钢结构站房和无柱站台雨棚组成，含拱结构、拉索结构和桁架结构及部分混凝土结构。青岛北站屋盖跨度141 m、长度超过340 m，整个青岛北站采用大跨度拱形预应力体系钢结构，空间姿态为飞鸟展翅形状，平面投影尺寸为384 m×213.79 m，最大悬挑约30 m，结构最高点44.598 m，采用立体拱架的结构型式，且主要构件均为异型截面。整体效果如图1所示。

图1 结构整体效果示意

2 主拱结构特点

青岛北站屋盖的建筑造型独特，结构采用立体拱架的形式予以实现。整个屋盖结构由10榀立体拱架组成，轴间距分别为44 m、33m、22 m。每榀立体拱架由1榀拱、2根横梁、6对V撑、16根交叉索以及2根横梁间的纵向檩条组成。两根横梁的间距一般为22 m;拱的跨度为94～141 m。

为了得到特殊的建筑效果，青岛北站屋盖结构的部分构件采用异型截面。拱由类椭圆形下弦、圆形上弦、竖腹板三部分组成;横梁由类半椭圆形下弦、矩形上弦、竖腹板三部分组成;三角形中心屋脊纵梁由两个三角形上弦、一个三角形下弦和腹板四部分组成。主拱的具体结构如图2所示。

图2 主拱具体组成结构示意

3 重点及难点分析

(1)吊装分段的划分。主拱单根最大长度76 m，最重121 t，且截面规格有所变化。分段的大小和形式直接影响工厂的加工制作以及现场的吊装，进而影响整个工程的质量与计划。因此，如何进行合理的分段至关重要，这是主拱加工制作的第一个重点。

(2)加工方案的制定。拱下弦内部空间狭小，结构复杂，焊缝密集，采用哪些工艺措施来确保零部件的组装和焊接，这是钢拱加工制作的第二个重点。

(3)下弦类椭圆结构的加工、检测。由于主拱下弦为类椭圆，如何加工下弦类椭圆结构、控制其加工精度，加工后如何检测确保加工质量是主拱制造精度控制的一大难点。

(4)各个接口质量的保证。钢拱组成结构板块较多，板材规格相对较厚，T型、十字形接头较多，焊缝密集。如何保证板材的坡口精度，控制焊接变形，确保接口间的连接质量，是主拱加工制作的质量及精度控制的第二大难点。

4 主拱的加工制作方案

4.1 分段的划分

整个屋盖结构由10榀立体拱架组成，每榀立拱南北对称，根据现场吊装设备的起吊能力，同时兼顾工厂加工和运输等因素，综合考虑后将单根钢拱沿长度方向划分为4～6段。如图3所示，取SZG－A－4进行加工制作，参数如表1所示。

图3 南区A拱分段方案

表1

4.2 分段主拱制作方案

4.2.1 分段主拱介绍

钢拱下弦类椭圆结构无法一次性成型，需将其拆分为两个弧形瓦片和一个V形瓦片或拆分为四个弧形瓦片。即将S－ZG－A－4钢拱下弦的椭圆结构分为四个加工分段、一个左端部的连接段及右端两块弧形瓦片(人孔板)，如图4所示。

图4 分段主拱

S－ZG－A－4分段钢拱下弦的左端部由于内部存在十字腹板，且左端部为两段钢拱的对接部位，为保证现在对接焊缝的可焊性，因此将左端部处600 mm的椭圆结构拆分为四个弧形瓦片(也称为人孔板)。

钢拱下弦第一段至第四段均分成2个弧形瓦片和1个V形瓦片，其中第一段内部的十字腹板逐渐变为T型板，因此在第一段下部的V型瓦片上需开一段槽。

S－ZG－A－4分段钢拱上弦为一根φ245×30的圆管，其两端开槽与十字腹板焊接。

5 主拱的加工制作及质量保证措施

5.1 余量的加放(见图5)

(1)弧形瓦片和V型瓦片均采取分段对接进行制作，长度方向不加放余量。

(2)插板在构件两端各加放20 mm余量，中间部位不加放余量。

(3)主拱上弦圆管两端应各加放20 mm余量。

图5 余量的加放

5.2 零件的放样号料

(1)当构件因材料规格限制需进行拼接时，宜先拼接，对接焊、检验、矫正合格后，再按零件尺寸进行整体画线，数控切割机下料加工。

(2)拼接钢板长度最短不得小于两倍板宽，且不得小于600 mm。

(3)本工程不等板厚对接形式较多，板厚差大于10 mm以上时均要求开设过渡坡口，不等板厚过渡比例不大于1∶2.5。同时对于削斜开破口后无过渡段的，需另行考虑，确保开设坡口后有过渡段。

(4)利用深化细化设计图纸导入到FastCAM数切排版软件中，FastCAM数切软件自动生成切割程序.TXT文件，从而提高零件在下料切割过程中的精确度。深化细化设计图与切割程序如图6所示。

图6 深化细化设计与切割程序

5.3 切割、下料

零件采用数控切割机进行精密下料，切割前将TXT文件拷入数控切割机，而后自动进行数控切割，同时根据设定的程序喷上控制线、构架线、加工线。切割后，必须对板件的切割边进行打磨，去除割渣、毛刺等物，对割痕超过标准的进行填补、打磨。

5.4 瓦片的加工制作及检验

(1)加工制作工艺。

瓦片应根据相同或近似的直径进行拟合，采用卷圆成型，然后再切割成单个V型瓦片。瓦片展开图应使图纸正面为圆管的内壁，瓦片的中心线应与圆管的轴线平行，套料部门套料时严禁更改零件图中瓦片的位置和方向。瓦片均按中心线展开，长度及宽度方向均不加放余量。对于V型瓦片，先采用卷圆成型，然后再在中间部位折弯成型(V型瓦片折弯线应在图纸中标明)，如图7所示。

配送中心在钢板上切割出瓦片的外轮廓，采用间断切割。对于V型瓦片还应在中心线(折弯线)采用喷粉划线，喷粉线作为折弯时的基准线。

图7 瓦片加工

若拟合后的瓦片难以组成一个圆，为了节省材料可采用开口卷圆(非整圆卷圆)，套料部门应在沿圆周方向两端各加放200 mm余量。考虑到瓦片切割后会产生膨胀变形，在卷圆时应适当缩小圆管直径，或者在切割前在瓦片内部加设临时支撑，如图8所示。

图8 开口卷圆

钢管卷制采用WS11－100×4000水平下调式三辊卷板机及1 500 t压力机加工成型，如图9所示，卷板机最大加工能力可达:t=100 mm，L=4 000 mm，D内≥800 mm。

图9 卷圆设备

(2)成型后的检验。

弧形瓦片与V型瓦片加工成型质量、精度的好坏直接影响主拱制作安装精度以及整体构件的质量。而且瓦片分段后，分段接口多而且长，这样对瓦片的加工精度提出了更高的要求，板件加工偏差过大，会使板件间装配间隙变化，坡口错边增大，焊接引起的拘束力增加，将产生极大的变形。为此必须严格控制加工过程中每道工序，精心测量，每片分段的精度受到保证才能更好的确保整体精度，如图10所示。