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北京夹具工装加工定制大跨度异形伞状不锈钢结构群

时间:2022-08-19 09:04:52 点击:14次

摘要:江苏省园艺博览会未来花园植物园采用不锈钢作为主体结构,上覆盖透明的亚克力板,并有照明、水景等。42个伞柱状结构单元构成其主体不锈钢结构,每个伞状结构单元为外切圆直径21米的正12边形,伞单元总覆盖面积约15000平方米,表面4K镜面。不锈钢作为大型建筑结构材料使用属于国内首例,本篇文章总结了不锈钢伞状结构施工的关键技术,供后续类似不锈钢结构项目施工参考。

关键词:异形钢结构、伞状结构,不锈钢结构,4K镜面。

公司是一家集精密机械零部件加工,北京不锈钢零件加工,北京钛合金加工各类工装夹具、治具、非标设备设计制造以及冲压模具、注塑模具、橡胶模具加工的专业厂家,是中国模具协会会员企业。

图1 伞状树平面图

图2 伞状树立面图

1.工程概况

未来花园植物园主体结构采用S31603不锈钢材料,整体结构形式为伞壳结构,共有42把伞连成一体,不锈钢结构表面4K镜面,造型视觉富有冲击力,国内乃至世界范围内均无类似案例。伞状结构中不锈钢杆件形式有矩管、椭圆管、异形渐变椭圆管。结构形式独特、新颖,国内无类似结构标准和案例供参考。钢结构工程中有新材料、新型构件和节点等应用。

图3 伞状树效果图

2.项目特点、难点

1)本项目采用的S31603不锈钢材料为奥氏体不锈钢,具有热导率低、线膨胀系数大、无磁性、耐腐蚀等特性。奥氏体不锈钢导热系数大约只是低碳钢的一半,而线膨胀系数很大,焊接后接头部位会产生较大的焊接内应力,表现为容易出现焊接裂纹和焊接局部收缩。

2)伞状不锈钢结构群横向长度348米,***终效果要求是整体不留温度收缩缝,整体的热胀冷缩量非常大,温度应力显著,施工中的温度应力是施工分析模拟的重点研究对象。要求施工过程中假设的初始温度情况下伞状结构之间的施工应力***小。需要分析考虑设置合理的施工过程中的温度收缩缝,预留的温度收缩缝需要在合理的温度情况下进行合拢。

3)不锈钢结构焊接收缩变形量大,需要通过分析计算进行安装焊接顺序模拟,计算分析出***合理的杆件安装焊接顺序,实现焊接施工过程中产生的杆件内部应力不大于设计的使用要求,同时又能有效控制杆件的焊接变形量。

4)本项目位于废弃的矿坑中,地况复杂,矿坑地势高低起伏,需要充分合理的考虑施工机械设备及路线选择。

5)因不锈钢结构上部为覆水屋面,需要保证覆水屋面的平面度,对结构整体精度要求就非常高,不但要重视其空间******位置精度,更需******控制各施工环节中杆件安装的相对精度,以保证后续安装定位的准确性。

6)项目采用满堂的格构柱和脚手架,造成视野不通透,在矿坑内无法实施测量,需要将全站仪架设在辅助高架或者矿坑边缘位置,并需要高空架设仪器和棱镜,安装测量难度大。

7)伞状不锈钢结构既做为结构件又做为装饰件的项目。加工工艺复杂,加工精度及表面效果要求高。不锈钢构件加工涉及到圆管多曲相贯线切割、厚板折弯、大截面厚方管折弯、激光切割、拼焊、4K抛光等多个复杂的加工工艺。构件的加工精度会直接影响伞状树的拼装精度和外观效果,甚至影响42棵树整体体系结构安全。

8)对焊缝焊接质量验收标准要求高,大量的现场焊缝要求为一、二级焊缝。焊接焊缝要求打磨、抛光后几乎看不出来有焊缝的痕迹。

3.施工关键技术和工序

3.1施工模拟与试验

1)施工模拟包括了施工现场地况、路网、主体钢结构、施工器械的BIM动态施工模拟,以及施工过程中主体钢结构施工应力的仿真分析模拟。做到合理高效的制定人员、机械投入计划,并有效控制施工过程安全质量,确定施工过程监测测点及监测内容。

图4  BIM施工模拟

a 单颗伞状结构杆件安装有限元仿真计算分析

b 整体伞状结构有限元仿真计算分析

图5 有限元仿真计算分析

2)钢结构工程中有新材料、新形构件和节点应用时,采用设计分析与试验验证方式是国内工程中通行方式,也是后续各种审查和专家论证时的必要技术条件。试验***终目的是和设计分析、相关规范共同构成完整设计,达到结构安全且经济、施工可行方便,同时也要满足建筑效果。基于以上原因不锈钢结构需要做相应的试验。

不锈钢结构承载力试验共分为三部分:

(a)1:3 整体承载力试验;

(b)1:1 局部节点承载力试验;

(c)变截面异形椭圆交叉管承载力试验。

图6 试验验证

3.2专家论证

项目属于国内不锈钢材料在建筑钢结构领域的首次使用,无类似施工案例参考,施工方法具有一定的特殊性,因此组织相关专业技术人员制定专项施工方案,并对施工方案进行专家论证。

《不锈钢结构技术规程》 CECS 410:2015,针对不锈钢施工验收所规定的内容并不详尽,因此专门编制了《未来花园不锈钢结构施工质量验收标准》,并进行了专家论证。

图7 专家论证

3.3下料加工

伞状树因其特殊的外观要求,所有结构均没有现成的型材可供使用,所有型材均有不锈钢钢板加工而成,主要为板变圆、圆变方、圆边椭圆等,其主要工序如下图:

图8 型材加工

不锈钢型材加工完成后开始结构加工,主要包括:下料、拼装、焊接、矫正、打磨抛光等工序。用先进的设备依据三维模型数控下料加工避免人工放样,按照工艺参数严格控制焊接、打磨工艺,开发构件定位、定形尺寸的模具把复杂异形的构件标准化装配。

图9 构件加工定位工装

3.5现场安装

现场安装焊接顺序:树柱→主肋ZL→外环杆件WH→次肋CL→外环交叉杆WX→中环交叉杆ZX→ 内部斜杆NX。

图10  不锈钢伞状结构安装步骤

3.6支撑塔架及脚手架安装

支撑塔架主要为不锈钢伞状结构安装时,结构未形成完整的受力体系,根据midas软件施工模拟分析计算施工过程中***易变形、***薄弱的点位,布置相应的支撑塔架,为伞状结构安装的杆件提供一个稳定的支撑,同时因为伞状结构形状复杂,采用盘扣式脚手架搭设时灵活性更大些,更能结合结构特性作出适应性的变化。

图11支撑塔架及脚手架搭设立面图

3.7测量

测量控制网应遵循先整体、后局部,高精度控制低精度的原则建立。测量控制网的基准点要选在通视条件良好、安全、易保护的地方。相应等级基准点的埋设要不能低于《工程测量规范》的要求。测量控制网建立后要做好测量控制网协同维护工作。

本工程平面控制网分二级布设,******级四边形边角网作为整体控制,第二级主轴线控制网直接用于施工放样。

由于两个基准点都位于矿坑顶部的路面上,在矿坑中进行测量时,可采用后方交会法。方便伞状树测量,对建站位置基本无要求,能够自由建站;对建站地面无要求,不需要进行设站点的硬化与固定。可同时多个全站仪进行建站测量,同时开展工作,加快测量进度。

图12  矿坑基准点位布置

3.9不锈钢结构焊接

伞状不锈钢结构焊接主要采用GTAW+GMAW结合的方式进行。异形构件无法在焊缝根部设置衬垫,通过GTAW打底,有效确保焊缝根部成型质量;采用GMAW焊接中间层,提高焊接成型效率;采用GTAW盖面,控制焊缝余高及表面成型质量,减少后续打磨抛光工作量。

图13  结构焊接及检测

3.10表面打磨抛光

打磨抛光工艺流程:表面检查→(焊缝及两侧)粗磨→半精磨→精磨→抛光→擦亮。

打磨抛光质量控制:

1)材质表面不允许有杂质点、沙孔;

2)后道工序须消除前道工序打磨痕迹;

3)制定成品保护方案,避免产品二次受损,不允许有夹伤、压痕、碰伤、擦花。

图14  表面打磨抛光

3.11健康监测

本项目的伞柱状结构采用不锈钢作为主材,且结构造型新型,不仅作为植物园罩棚的支承结构,还承载自重和亚克力板上部水荷载,施工过程的安装方案也较为复杂。伞柱状结构空间定位难度大,施工过程复杂,结构施工过程中的主要受力构件与一些关键部位的内力、位移等参数的变化情况以及结构卸载期间的受力状态是否与初始设计相符,是否仍处于容许范围以内,成为一个不可忽视的问题。这就要求本工程在施工阶段对钢结构关键构件的应力应变、结构位移进行监测。

图15 施工过程中监测布置及监测结果曲线

4.注意事项

1)不锈钢结构杆件的加工、安装精度应符合设计、规范要求,构件出厂前应进行构件的预拼装,运输过程中要对杆件做好成品保护。

2)不锈钢焊接收缩变形量大,焊接工人应严格按照焊接工艺评定中规定的参数施焊,严格控制焊接电流、电压和焊接速度。焊工需经考试合格后持证上岗。

3)不锈钢杆件在出厂前应进行打磨、抛光处理,以减少现场打磨抛光的工作量,现场安装、焊接完成后需要对所有构件进行二次打磨抛光,以避免不同时期打磨抛光造成的表面明显色差。

4)温度收缩缝处理应严格控制在25±2度的情况下闭合施焊,旁边放置测温计进行温度监测。若一天中25±2度的时段内未完成闭合施焊,应停止施焊,待第二天继续在25±2度的时段完成施焊。

5.结语

伞状树不锈钢结构施工过程中通过BIM模拟施工工况进行组织施工;通过midas软件进行全过程的施工仿真分析计算;对结构的关键控制部位进行施工过程的健康检测;梳理了质量控制关键点,并在施工过程中进行重点把控,伞状不锈钢结构的安装精度、焊接质量、表观效果得到良好的控制。并编制形成了不锈钢结构施工的验收标准和不锈钢结构焊缝探伤标准。为不锈钢作为主受力结构在建筑工程中的推广应用奠定相关技术基础。

作者简介

1、 王兆东、员浩阳、贾连军,南京筑新建筑工程有限公司

2、 罗仁轶,中国建筑第八工程局有限公司总承包公司

参考文献

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中国建筑股份有限公司,中建钢构有限公司. 钢结构工程施工规范:GB50755-2012 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

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张建亮. 树状结构形态分析与工程应用[D] .哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

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武岳,张建亮,曹正罡. 树状结构找形分析及工程应用[J] .建筑结构学报,2011(11):162-168.

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杨石杰. 长沙南站大型树状柱施工技术[J] .建筑施工,2010(6):517-519.

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林晖,吴杰,陈海洲,等. 双枝不等重大型树状结构的旋转提升法研究[J] .施工技术,2015,44(18):177-122.

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