大跨度大截面鋼梁中頻熱彎加工及安裝技術

林 舒

廣州機施建設集團有限公司 廣東 廣州 510725

目前，大跨度空間結構在我國發(fā)展較為迅速，結構形式多樣。為滿足建筑造型的需要，大跨度結構廣泛采用由弧形鋼構件組合成的鋼結構形式。當下，鋼結構建筑弧形鋼梁的加工以冷彎成形為主，冷彎成形會導致構件內(nèi)部產(chǎn)生明顯的殘余應力與應變，且殘余應力水平很高[1]。鋼結構安裝方法主要有分塊安裝法、高空散裝法、整體吊裝法以及高空滑移法[2]，需要結合施工環(huán)境的復雜性、安全性和經(jīng)濟性，進行具體安裝方法的選擇。

本文依托四會市體育中心（一期）工程項目，對大跨度空間鋼結構的大跨度大截面鋼梁加工及安裝工藝進行改進，通過中頻熱彎加工工藝與建筑信息化建模深化技術相結合，并配合整體裝配式安裝工藝，有效彌補了傳統(tǒng)工藝的不足。

1 工程概況

四會市體育中心（一期）工程（圖1）位于肇慶市四會市貞山新城姚沙廣強大道旁，為一座設有5 050個座位的中型體育館，包括籃球場、羽毛球場、乒乓球場、網(wǎng)球場、門球場，是一座全民健身運動場。作為廣東省第十五屆省運會柔道、手球比賽場館，項目將對周邊的商業(yè)、文化等產(chǎn)生輻射作用，為四會市完善公共體育設施，全面發(fā)展體育事業(yè)提供基礎，對四會市未來經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

圖1 四會市體育中心（一期）工程效果圖

項目總用地面積83 317.17 m2，其中：體育館用地面積34 026 m2，建筑面積27 736.58 m2；籃球場、羽毛球場、乒乓球場、網(wǎng)球場、門球場等用地面積39 434 m2。體育館屋面高度32.7 m，地上3層，地下1層。項目主體工程于2016年8月正式動工，2017年10月開始鋼結構主受力桁架吊裝，2018年1月底鋼結構完成卸荷，目前項目已通過竣工驗收并正式投入使用。

主場館鋼結構屋蓋結構高度26.5 m，由大屋蓋、單層網(wǎng)殼和豎向支撐系統(tǒng)組成，共有2 859個構件和1 295個節(jié)點，部分構件為空間彎扭構件，節(jié)點形狀均不相同。大屋蓋采用斜交網(wǎng)格結構體系，單層網(wǎng)殼主要由彎曲箱形構件組成，彎曲構件約占鋼結構總量的40%。

在施工過程中，充分利用建筑信息化模型深化技術，改進鋼梁加工的精確度控制，優(yōu)化中頻熱彎施工工藝，以提高加工精度，保證構件的一次加工合格率，避免加工過程中產(chǎn)生過大的殘余應力及回彈變形。同時，利用大跨度弧形鋼梁整體裝配式安裝技術，減少安裝過程中臨時支墩的搭建，有效減少高空焊接工作量，提高安全性，加快安裝進度。

2 研究內(nèi)容

2.1 建筑信息化建模優(yōu)化

在施工策劃階段，首先對體育中心進行建筑信息化建模（圖2），然后對鋼結構部分進行構件拆分，之后逐步進行以下工作：

圖2 建筑信息化模型示意

1）根據(jù)創(chuàng)建的模型，對弧形鋼梁的加工進行指導。同時，結合二維施工圖紙、加工要求及加工情況，繪制弧形鋼梁大樣圖并編制弧形鋼梁加工方案。

2）對弧形鋼梁加工方案進行詳細會審，通過業(yè)主、設計方、施工方的多方協(xié)作，選擇最優(yōu)的加工方案，保證弧形鋼梁的加工精度。

3）加工人員在加工時如遇難點或疑點，直接通過建筑信息化模型與技術人員溝通，技術人員直接利用BIM模型進行技術交底。如有變更，實時更新模型數(shù)據(jù)庫，并進行變更統(tǒng)計。

4）根據(jù)實際需要，通過BIM模型對鋼梁結構工程進行進度統(tǒng)計，及時調(diào)整進度偏差，以達到跟蹤進度、控制成本的目的。

2.2 鋼梁中頻熱彎加工工藝

中頻熱彎加工工藝采用感應加熱技術對構件進行熱處理。感應加熱熱處理最初應用于工件表面淬火，20世紀70年代發(fā)展為中頻調(diào)質(zhì)，由于熱處理后的鋼構件成形質(zhì)量高，并且可實現(xiàn)熱處理的機械化和自動化，故這一技術在我國被廣泛應用[3]。通過研究，確定鋼梁中頻熱加工工藝流程如下。

2.2.1 放樣、設定模型模板

對于二維函數(shù)曲線或自由曲線的構件，在彎制之前應先設置控制點，并對控制點坐標進行詳細計算。對于單一曲率的構件，彎曲前的控制點至少為5個；對于多曲率構件或者曲率較大的構件，彎曲前的控制點應相應增加。檢查時，可以根據(jù)相對坐標對控制點進行校核。

2.2.2 加熱彎制

中頻熱彎工藝利用了交流電通過線圈后，與其產(chǎn)生磁場之間相互作用的電磁感應現(xiàn)象。首先，使用紫銅作為感應線圈的制作材料，在感應線圈的兩端通入高頻交流電，交流電采用2 500～8 000 Hz的中頻或200～300 kHz的高頻。由于電磁感應，通過線圈的交流電將在線圈兩端產(chǎn)生交變磁場，交變磁場使得工件內(nèi)部產(chǎn)生感應電流。在此過程中，電能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能使鋼梁表面的溫度升高，升溫范圍為900～1 200 ℃。之后，在高溫下對鋼梁進行彎制，同時對鋼梁表面進行淬火處理。最后，使用冷卻水或風冷對加熱區(qū)進行冷卻，使得冷卻段的溫度降低至300 ℃左右（圖3）。

圖3 鋼梁彎制現(xiàn)場

2.2.3 工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)中頻熱彎工藝僅對鋼梁局部加熱并進行彎曲而成形。通過對彎曲后的構件進行檢驗，發(fā)現(xiàn)局部加熱的彎管，其彎曲段焊管性能得到改善，但直線段性能不穩(wěn)定。針對這個問題，對傳統(tǒng)中頻熱彎工藝進行優(yōu)化研究，對弧形構件采用整體感應加熱，最終實踐結果表明，該方法能較好地改善構件直線段不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.2.4 檢驗

用超聲法測量彎曲后的壁厚。以3個測點為1組測量厚度值，測點選在彎曲弧度外側(cè)中間處，1個點在彎曲平面上，另外2個點分別在彎曲平面上、下與鋼梁中心線大約60°處。對于彎曲度超過45°的鋼梁，在其彎曲弧中部與各個切點之間的中間處，也應各增加測點進行測量。

2.2.5 熱處理

待處理構件應整齊放置在有效的加熱區(qū)內(nèi)，擺放應該保持平穩(wěn)，避免構件之間的堆積、疊壓，以防止構件變形。

當熱處理后鋼梁角度偏差超出允許值時，則采用低溫回火方法進行矯正，溫度低于該鋼種的回火溫度30 K。熱彎后，對鋼梁進行熱處理，具體要求為：對于碳鋼材料，名義厚度＞19 mm，熱處理溫度為600～650 ℃，每毫米厚度的恒溫時間為2.4 min。

2.3 弧形鋼梁安裝

2.3.1 可調(diào)式胎架設計

對于本工程而言，主要是對工廠制作的結構單元進行拼裝，胎架的形式基本相同。同時，針對主桿件及牛腿空間位置的不確定性，設計了具有可調(diào)性能的胎架。胎架具體形式如圖4、圖5所示。

圖4 拼裝胎架

圖5 架鋼墊箱

2.3.2 地面拼裝連接板設計

構件在拼裝胎架上進行拼裝時，對構件對接精度有較高要求，同時需要對焊接變形量進行嚴格控制。為滿足上述要求，對臨時連接板進行細部優(yōu)化設計。在對構件進行地面拼裝之前，在箱形梁的上、左、右翼緣各設置1塊連接用鋼板，采用螺栓進行臨時固定，如圖6所示。

圖6 典型吊裝單元臨時連接板設置示意

2.3.3 弧形鋼箱梁的吊裝定位

1）對弧形鋼箱梁進行軸線定位。先對測量控制網(wǎng)進行驗收。驗收合格后，對控制網(wǎng)軸線中心點進行引測，軸線中心點位置一般為支座位置。控制網(wǎng)軸線需要引測至支承構件上，并在支承構件上畫出標記線以便對弧形鋼箱梁進行定位。

2）對弧形鋼箱梁進行水平度復核。吊裝前在支承構件上標記中心線，同時在弧形鋼箱梁底部標記中心線。吊裝時，在支承構件所處軸線上架設測量儀器，由測量員對支承構件上的中心線和弧形鋼箱梁底部標記的中心線進行反復觀測，并對弧形鋼箱梁進行調(diào)整，直至鋼箱梁水平度符合規(guī)范要求。

3）對安裝后的弧形鋼箱梁進行中心面垂直度復核。在弧形鋼箱梁安裝就位、加固完成后，將支承構件中心線向地面投測，以該投測線作為觀測基線，通過架設在弧形鋼箱梁上的觀測儀器，反復垂直向上觀測。根據(jù)垂直度偏差值，對弧形鋼箱梁的垂直度進行調(diào)整。調(diào)整完畢后，用檁條將兩相鄰鋼箱梁進行連接，然后拆除輔助設施。

2.3.4 弧形鋼箱梁整體裝配式安裝

弧形鋼梁在地面拼裝完畢后，使用垂直運輸設備將其整體吊至設計位置處。采用整體吊裝的方法安裝鋼梁，焊接施工過程可以在地面進行，大大降低了作業(yè)難度，因此，焊接弧形鋼箱梁的焊接質(zhì)量和總體尺寸均可得到有效保證[4]。

按照結構線形要求，在地面進行胎架位置放線。在未施加最終約束的情況下，分別對端口間隙、端口錯位情況、焊接位置坡口情況、相對距離與方位等指標進行檢測。驗收合格后，對合線、中心線、水平線等進行標記，然后對其進行整體提升并拼裝（圖7）。

圖7 現(xiàn)場吊裝

3 結語

本文針對大空間多弧度箱形鋼梁施工，通過利用建筑信息化建模技術，對弧形鋼梁進行建模，優(yōu)化節(jié)點設計，保證弧形鋼箱梁加工精度；應用并優(yōu)化中頻熱彎加工工藝，改進傳統(tǒng)分塊拼裝工藝，使弧形鋼箱梁加工一次成形，避免了冷彎工藝產(chǎn)生的殘余應力及回彈變形，并且采用整體裝配式安裝體系，減少臨時支墩搭建以及高空焊接工作量，既提高了安裝精度，又加快了安裝進度。本文總結的經(jīng)驗對大空間多弧度鋼結構的施工具有一定的借鑒意義。