一種樹狀形態(tài)仿生柱樹杈焊接節(jié)點(diǎn)制作新技術(shù)
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作者：鄭曉敏
仿生建筑已成為一種新時(shí)代潮流，鋼結(jié)構(gòu)作為仿生建筑的載體運(yùn)用非常廣泛，其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有別于其他材料類型的建筑，既要考慮建筑美觀又要兼顧承載能力。因此仿生節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更復(fù)雜，外觀要求也更高，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。
1 工程概況
廣州宏城廣場鋼結(jié)構(gòu)天幕工程為“薄殼形態(tài)”的空間仿生建筑；其屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用管材相貫的方式分層勾勒出雙魚戲水造型，整體效果如圖1所示。其支撐結(jié)構(gòu)體系采用管材組成的三維伸展“樹狀形態(tài)”的仿生柱，支撐體系平面布置如圖2所示。
本工程的仿生柱與傳統(tǒng)的仿生樹主干不同。傳統(tǒng)的仿生柱由樹干、樹權(quán)鑄鋼節(jié)點(diǎn)和樹枝組成。而本工程仿生柱樹權(quán)采用全焊接節(jié)點(diǎn)，較傳統(tǒng)的鑄鋼樹權(quán)節(jié)點(diǎn)更加貼近樹的形態(tài)，更加輕盈。但是為滿足傳力要求，全焊接樹杈節(jié)點(diǎn)內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，加勁板縱橫交錯(cuò)，同時(shí)在拉應(yīng)力較大區(qū)域還設(shè)置了加強(qiáng)板，因此，全焊接樹權(quán)節(jié)點(diǎn)較鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制作工藝復(fù)雜。
2仿生柱樹權(quán)焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及制作難點(diǎn)
仿生柱樹權(quán)節(jié)點(diǎn)為空間三維異形節(jié)點(diǎn)，樹權(quán)節(jié)點(diǎn)支管根部截面ɸ351×30（徑厚比11.7）、彎曲半徑750mm，與十字板及中心圓棒相貫焊接連于樹形主干上，支管背部加設(shè)一雙曲蓋板，如圖3所示。
仿生柱樹權(quán)焊接節(jié)點(diǎn)制作的關(guān)鍵控制點(diǎn)如下。
1)樹權(quán)節(jié)點(diǎn)支管為小徑厚比圓管，彎管后內(nèi)壁受壓變厚、外側(cè)受拉變薄，彎管后的壁厚尺寸精度控制是施工重點(diǎn)。
2)目前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)無弧形圓管相貫線切割設(shè)備，弧形支管相貫口無法采用數(shù)控切割；而弧形支管的相貫口截面大、曲率小，包絡(luò)圖制作工藝也無法進(jìn)行包裹切割，弧形圓管相貫口的切割是制作難點(diǎn)。
3)支管背部雙曲蓋板為空間三維曲面，存在兩個(gè)方向的弧度，一為半圓弧，一為彎圓弧，且端口為相貫口；常規(guī)制作方法無法完成雙曲蓋板的空間曲面成型。
4)弧形支管匯交于樹形主干，各支管相貫角度位置各異，選擇合理的制作工藝、確保各端口之間的相對(duì)位置尺寸、實(shí)現(xiàn)相貫焊縫的全熔透厚板焊接是制作的重點(diǎn)。
3 仿生柱樹杈焊接節(jié)點(diǎn)制作關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)“由難及簡”原則，仿生柱樹權(quán)焊接節(jié)點(diǎn)的制作確定為先支管制作成型后整體拼裝。
3.1 小徑厚比圓管中頻熱彎質(zhì)量控制
支管彎圓成型采用中頻熱彎工藝，在感應(yīng)圈中通人中頻電流加熱鋼管，加熱溫度控制在900℃以內(nèi)，當(dāng)鋼管溫度升高到塑性狀態(tài)時(shí)，在鋼管后端用機(jī)械推力推進(jìn)，進(jìn)行彎制，彎制出的鋼管用冷卻劑迅速冷卻。
3.1.1 圓管彎曲壁厚控制要點(diǎn)
圓管彎曲后，外弧側(cè)受拉減薄、內(nèi)弧側(cè)受壓增厚。為保證彎管最小壁厚，必須控制彎圓減薄率，以提高結(jié)構(gòu)抗力，如圖4所示。
依據(jù)上述理論分析，壁厚為30mm的圓管熱彎后，外弧壁厚將減薄30×190/0=5.7mm，而設(shè)計(jì)要求彎圓后管壁最薄≥26mm。因此實(shí)際彎圓時(shí)，選擇規(guī)格為ɸ351×32圓管，以保證外弧側(cè)壁厚要求。實(shí)際彎圓測得數(shù)據(jù)為27. 1mm，與理論分析相符。
3.1.2 熱彎后母材力學(xué)性能保證控制要點(diǎn)
熱彎溫度對(duì)母材性能有重大影響，母材加熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)范溫度之內(nèi)，最高溫度不超過900℃。熱彎溫度采取設(shè)備自控和人工監(jiān)測雙重手段進(jìn)行控制，即通過設(shè)置設(shè)備最高加熱溫度并人工采用測溫槍進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫監(jiān)控。圓管彎管完畢后，隨機(jī)抽取1根進(jìn)行拉伸、彎曲及沖擊試驗(yàn)。
3.1.3 外形尺寸精度控制要點(diǎn)
彎管的外形尺寸精度控制一方面是工廠嚴(yán)格按照操作工藝進(jìn)行作業(yè)，設(shè)定合理的彎管參數(shù)，并在加工過程中進(jìn)行跟蹤測量和參數(shù)微調(diào)；另一方面進(jìn)行100 %尺寸放樣檢查，禁止出現(xiàn)扭曲、弧度尺寸超標(biāo)的情況。
3.2弧形圓管異形相貫口切割技術(shù)
弧形圓管為管板相貫，相貫位置線處于2個(gè)平面或多個(gè)平面上�；诖颂攸c(diǎn)制定了弧形圓管板相貫口高精度手工切割工藝，解決此類異形相貫口制作的問題。
3.2.1工藝原理
以其中一相貫平面為水平基準(zhǔn)面，其與圓管的相交面輪廓線即為空間相貫曲線，反映在立面上即為一水平線，實(shí)際加工時(shí)劃出三點(diǎn)定位點(diǎn)，而后采用彈線的方式標(biāo)識(shí)出相貫位置線，如圖5所示。對(duì)于與中心圓管相貫部分，采用包絡(luò)圖的方式進(jìn)行劃線。
3.2.2工藝流程
1)深化零件 深化零件時(shí)應(yīng)繪出體現(xiàn)相貫平面處于水平面的剖視圖；如存在2塊相貫板平面，需2個(gè)剖視圖。給出放樣尺寸，使工人能對(duì)異形相貫圓管進(jìn)行定位，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)后相貫平面平行于地面。相貫彎管深化零件如圖6所示。
2)尺寸放樣依據(jù)深化零件圖進(jìn)行放樣，端頭三點(diǎn)與地面放樣點(diǎn)重合。
3)劃出相貫位置線標(biāo)識(shí)定位點(diǎn)，而后采用彈線方式彈出相貫位置線；每個(gè)相貫口依據(jù)此方式重復(fù)劃線。
4)相貫口切割 沿所劃的相貫線位置線切割相貫口。切割完畢后，進(jìn)行坡口加工及坡口面打磨。
3.3雙曲相貫蓋板壓制技術(shù)
支管背部雙曲相貫蓋板為空間三維曲面，存在兩個(gè)方向的弧度，一為半圓弧，一為彎圓弧，且端口為相貫口。
3. 3.1 雙曲蓋板的深化展開
把雙曲蓋板Ⅳ等分，量取每段截面的弧長，然后逐段擬合，得到高度近似的展開圖（見圖7）。
展開圖要點(diǎn)如下：①每段相貫線至少有3點(diǎn)，等分不夠時(shí)，需增加展開點(diǎn)；②必須增加相貫線折點(diǎn)位置，為展開圖每段相貫線起點(diǎn)或終點(diǎn)。
3.3.2 雙曲蓋板展開要點(diǎn)
1)按展開圖進(jìn)行數(shù)控切割下料。
2)采用折彎機(jī)折彎將零件折成瓦片狀，并采用卡模進(jìn)行弧度檢測。
3)蓋板折彎成瓦片后，采用模具進(jìn)行壓彎制作。根據(jù)蓋板的規(guī)格和彎曲半徑制定相應(yīng)模具。其中存在直段的蓋板，需按照零件圖尺寸，預(yù)先劃出分界線。壓制完畢后，抽樣檢查，確認(rèn)無誤后即可批量加工。
3.4節(jié)點(diǎn)立體空間裝配技術(shù)
根據(jù)樹杈節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合“先主干后外圍”裝配原則，首先進(jìn)行樹形主干的裝配焊接，再采取立體空間裝配工藝進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的整體組立，通過空間坐標(biāo)確定主干與支管之間的相對(duì)位置。
1)繪制地樣根據(jù)節(jié)點(diǎn)水平投影尺寸，在拼焊平臺(tái)上繪制節(jié)點(diǎn)地樣投影線，包括樹形主干投影、各支管端頭投影等重要部位輪廓線，標(biāo)示出關(guān)鍵尺寸控制點(diǎn)，并打上樣沖眼，如圖8所示。圖8中◆為關(guān)鍵控制點(diǎn)。
2)主干裝配 以底板中心十字線為基準(zhǔn)，依次裝配相關(guān)零配件，如圖9所示。
3)整體裝配樹形主干平臺(tái)就位，依序進(jìn)行弧形加勁板、支管的定位。定位時(shí)，搭設(shè)胎架控制支管空間角度，吊鉛垂線控制端頭關(guān)鍵控制點(diǎn)地樣位置的吻合，并根據(jù)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”坐標(biāo)檢驗(yàn)各個(gè)支管控制點(diǎn)之間的尺寸偏差，最后焊接雙曲蓋板，如圖10所示。
3.5 相貫線全熔透焊接
本工程要求支管與十字加勁板、中心圓鋼之間相貫焊縫為全熔透焊縫，確保全熔透焊縫及變形控制要點(diǎn)如下。
1)支管與十字加勁板、中心圓鋼之間相貫焊縫的焊接質(zhì)量要求高，且受內(nèi)部空間和弧形圓管相貫線所限，無法采用雙面焊或加鋼墊板單面焊，采用焊縫背面加柔性陶質(zhì)襯墊的CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行相貫線焊縫的全熔透焊接。
2)弧形支管組裝完畢后從其端部加入陶質(zhì)襯墊，然后采用氣刨的方式沿相貫口二次開設(shè)全熔透坡口（見圖11）。從側(cè)部到根部區(qū)域焊縫坡口角度應(yīng)圓滑過渡。
3)焊接變形控制 樹權(quán)節(jié)點(diǎn)為空間三維異形節(jié)點(diǎn)，焊后變形難以火焰矯正，制作時(shí)按以下焊接順序進(jìn)行施焊：①先進(jìn)行支管相貫焊縫打底焊接，拘束構(gòu)件整體尺寸，而后焊接支管半圓瓦片與貫穿加勁板之間的焊縫，最后進(jìn)行相貫焊縫填充及蓋面焊接，如圖12所示；②支管半圓瓦片與貫穿加勁板之間焊縫應(yīng)對(duì)稱施焊，焊接時(shí)將構(gòu)件取下胎架并放置于平焊或橫焊位置，首先對(duì)一側(cè)焊縫進(jìn)行打底焊接，待熔深達(dá)到t/3時(shí)將構(gòu)件翻身，把另一側(cè)焊縫焊
滿，最后再將構(gòu)件翻身焊接未完成的焊縫。
4結(jié)語
以宏城廣場天幕工程仿生柱樹權(quán)節(jié)點(diǎn)加工制作為例，詳述了仿生柱樹權(quán)節(jié)點(diǎn)的小徑厚比圓管中頻熱彎質(zhì)量控制技術(shù)，弧形圓管相貫線切割技術(shù)和雙曲相貫蓋板壓制技術(shù)等工藝，同時(shí)通過立體空間裝配技術(shù)、相貫線全熔透焊縫實(shí)施及變形控制等形成了一套適合仿生柱樹權(quán)節(jié)點(diǎn)的制作技術(shù)，為后續(xù)類似節(jié)點(diǎn)的制作和零部件的加工提供借鑒與參考。
5[摘要]以廣州宏城廣場天幕工程“樹狀形態(tài)”仿生柱樹杈焊接節(jié)點(diǎn)為例，闡述了小徑厚比圓管中頻熱彎質(zhì)量控制技術(shù)、弧形圓管相貫線切割技術(shù)、雙曲相貫蓋板壓制技術(shù)等工藝成型技術(shù)；同時(shí)介紹了與之配套的節(jié)點(diǎn)立體空間裝配技術(shù)和相貫線全熔透焊縫變形控制技術(shù)。
