鋼箱型螺旋梯制作工藝

余 果

（中鐵四局鋼結構有限公司 合肥 230023）

1 工程概述

中鐵四局集團鋼結構有限公司承接合肥長江路三座人行天橋工程,其中長豐路人行天橋樓梯為鋼箱型螺旋樓梯，是本工程的一個亮點，亦是施工的重點和難點。該樓梯主體為三維空間螺旋體箱型結構，由底板、側腹板、中腹板、隔板、頂板、踏步板、踢步板、地袱擋板等構件組成，總高5.4m，外半徑3.6m，內半徑1.5m。

2 制作工藝簡介

由于本工程樓梯造型獨特，主體為復雜的箱型結構，制作加工時變形控制難，尺寸精度要求高，技術含量高。為保證工程質量，首先確立鋼箱型螺旋梯制作相關方案，為樓梯制作提供充分的理論依據。結合我公司多年鋼結構制作經驗，參考國內外類似結構的制作工藝，并組織專家召開專題會議，最終確定“以折代曲”控制外觀尺寸的思路，并制定鋼箱型螺旋梯底板、頂板數控下料工藝；側板、腹板卷制工藝等各項制作專項方案。

2.1 建立理論模型

因本工程的結構復雜，為保證工程外觀質量，首先根據“以折代曲”思路，使用AutoCAD軟件對鋼箱型螺旋梯進行1：1放樣建模[1]，如圖1所示。根據理論模型計算出螺旋梯各控制參數，為鋼箱型螺旋梯的制作提供充分的理論依據。由于箱體尺寸大，制作過程中焊縫數量多，焊接變形難以控制，制作時采用分塊分段的形式，根據理論模型，將兩級踏步作為一個節段，通過控制每一個節段的尺寸來保證整體的尺寸，以滿足外觀尺寸的要求。

2.2 建立工裝胎具

根據理論模型建立工裝胎具尺寸參數，按兩級一個節段，采用鋼管制作1:1工裝胎具，構件制作過程中通過工裝胎具靠模對關鍵點進行嚴格控制，以點保線、以線保面，以面保體，保證整體的變形在控制范圍內。

圖1 鋼箱型螺旋梯模型

2.3 下料、焊接

對于底板、頂板、隔板等曲面板的下料，通過計算機編程，數控下料機進行下料[2]，以保證每一個節段中各單元板塊外觀尺寸精度，側板、腹板進行數控下料后使用卷板機卷制成弧形。

鋼箱型螺旋梯包括底板及頂板對接焊縫、隔板環焊縫、腹板角焊縫等焊縫，施焊方式包括平焊、立焊。針對本工程焊縫數量和焊縫種類較多，施工期前制定焊接工藝卡，確定焊接坡口形式、焊材型號、焊接電流、焊接方式等焊接相關參數，用于指導車間焊接工人焊接施工，本文僅選取部分主要構件及典型焊縫作為代表對鋼箱型螺旋梯加工進行簡要說明。

鋼箱型螺旋梯底板焊接：將數控下料后底板在1:1工裝靠模，并進行點焊定位，因實際底板為三維空間曲面結構，而數控下料后底板為平面曲面形狀，靠模后底板的4個角點坐標只有3個坐標點能與工裝胎具坐標點相吻合，剩余一個角點將呈現“翹首”狀態。施工過程中可以采用千斤頂對底板“翹首”角點施壓，使 “翹首”角點達到工裝胎具坐標位置。千斤頂施壓過程中應邊施壓邊觀測底板的變形情況，應避免快速施壓，防止造成底板“翹首”區域局部變形，無法達到底板流線型的整體變形效果。施壓過程中如發現局部變形傾向，立即停止對“翹首”角點處千斤頂施壓，同時借助輔助千斤頂在“翹首”角點和已點焊定位角點中間部位施壓，使底板在變形過程中平滑過渡，達到整體流線型變形效果。“翹首”角點達到工裝胎具坐標點位置后即可點焊定位。

底板的對接焊縫采用破口熔透焊，通過4層施焊的方法，可減小焊接線能量，避免熱量集中，從而達到減小焊接變形和焊接應力的效果。為減小焊接變形，選擇焊接參數時應在保證焊接質量的前提下盡量減小焊接線能量，采用較小電流，但為了防止出現未焊透、未熔合等缺陷，焊接電流也不能過小。所以焊接時運用適當電流配合同時提高焊接速度的方法來減小焊接線能量。焊接電壓的選擇主要以焊縫成形為準，只要焊縫成形良好即可。

鋼箱型螺旋梯隔板的焊接：由于隔板的環縫、縱縫的焊接分別是橫位、立位，焊接過程中的操作難度較大。對于橫位焊接的環縫，焊接方向應從左到右，打底層焊接時焊條往運條方向前傾5°～10°，同時稍微往下傾斜10°～15°，焊接過程中應注意背面成型情況；填充和蓋面焊時，考慮到焊縫坡口較寬，采用多道焊，每層焊縫先焊下面焊道，再在每道（依次）往上壓，最上面焊道由于靠近坡口面，應減小電流，同時稍作擺動，以防止未熔合和咬邊等缺陷產生。縱縫焊接采用立位，打底焊接焊條應往下傾斜20°左右，從第二層開始，每層焊接時在焊道中間引弧，采用三角形的運條方法，由于焊接過程中采用較小的電流，所以運條至兩側坡口面時應稍作停留，防止產生未熔合[3]。

通過對鋼箱型螺旋梯底板、腹板、隔板、頂板、踢步板、踏步板、地袱擋板進行焊接，完成鋼箱型螺旋梯的焊接施工，如圖2所示。

圖2 鋼箱型螺旋梯焊接施工

2.4 下胎

鋼箱型螺旋梯焊接完成后，為防止鋼箱型螺旋梯下胎后出現反彈，對存在局部變形的部位通過火焰矯正來進行變形矯正，以消除工裝胎具及千斤頂的外力作用引起的內應力和焊接引起的殘余應力，火焰矯正時采用低溫矯正，溫度控制在500-600℃左右，主要采用線狀加熱，由兩人同時對稱操作。火焰矯正時加熱溫度不宜過高，過高會引起金屬變脆、影響沖擊韌性，同時可能造成凹陷變形。火焰矯正不應在同一位置反復加熱，加熱過程中不要進行澆水，冷卻過程中嚴禁澆水急速降溫，同時注意矯正處烤火面積在一個截面上不得過大，可以適當多選幾個截面進行矯正[4]。鋼箱梁螺旋梯下胎后軸向、徑向尺寸均未出現明顯反彈，整體變形的各項數據均在控制范圍內，內半徑最大偏差小于2.5mm，外半徑最大偏差小于3mm，下胎后螺旋線中心軸向偏差小于5mm（未考慮構件重力作用產生的撓度影響），整體外觀成形良好，如圖3所示。

圖3 鋼箱型螺旋梯制作下胎

3 結語

本工程在實踐經驗總結下，確立“以折代曲”的總體思想，通過建立理論建模，采用1:1工裝胎具靠模，保證鋼箱型螺旋梯的外觀尺寸，并通過采用合理的焊接參數、焊接方法等焊接工藝等防變形措施，鋼箱型螺旋梯的外觀成形良好。鋼箱型螺旋梯安裝后造型美觀，使得本工程成為了合肥城市建設中的一道亮麗風景，如圖4。

圖4 安裝后整體效果

[1]《建筑CAD》，任安中、姚艷紅、劉強，南京大學出版社，2011年。

[2]《數控加工工藝與編程》，王軍紅主編，北京大學出版社，2008年。

[3]《金屬材料焊接工藝》，雷玉成、陳希章、朱強主編，化學工業出版社，2007年。

[4]《焊接結構變形控制與矯正》，李占文、李樹立主編，化學工業出版社，2008年。