鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：通過(guò)對目前鋼結構制造業(yè)加工超大直徑鋼板鋼管的技術(shù)研究，引入了“鋼板自重彎管技術(shù)”的概念。提出以一定規格尺寸的鋼板自重彎曲焊接鋼管為研究對象，詳細說(shuō)明鋼板鋼管加工制作過(guò)程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)。本技術(shù)的實(shí)施，可以杜絕大型或超大型彎管設備的需求，同時(shí)可以實(shí)現多區域流水施工，大大地提高了整個(gè)工程的施工效率，從而達到降低施工成本和施工難度的目的。
關(guān)鍵詞：超大直徑；鋼板鋼管；加工制作；鋼板；自重成形；彎曲胎架
鋼鐵做為當今社會(huì )的一種可在生資源，未來(lái)我國建筑用鋼量會(huì )逐漸加大,同時(shí)鋼鐵工業(yè)會(huì )蓬勃發(fā)展,建筑鋼結構進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的嶄新階段。鋼結構的型式多樣化，鋼結構大型構件和異形構件的制作難度會(huì )越來(lái)越大，對鋼結構的加工制作和技術(shù)含量也會(huì )越來(lái)越高。新技術(shù)、新工藝、新設備的應用也會(huì )越來(lái)越廣泛。國內大型和異形建筑鋼結構的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的水平。鋼結構的設計、制作、安裝均已基本達到國際先進(jìn)水平，要求我們結合鋼結構建筑的特點(diǎn)，選用合適的鋼結構加工制作工藝，進(jìn)一步提高工程的施工效率和安全性，從而降低施工成本。
對于超大直徑鋼管的加工制作，同樣需研究出一種適合多種施工條件和環(huán)境下的加工制作工藝。為了解決這一問(wèn)題，根據加工制作鋼管的直徑和管臂厚度，沿鋼管軸線(xiàn)方向將管臂分為幾個(gè)弧形片體平面制作，立面組裝焊接?；⌒纹w平面制作時(shí)根據鋼板處于自由支承狀態(tài)時(shí)在自身重力的作用下將引起較大變形的特性，通過(guò)鋼板的自重與自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計算求法，計算鋼板在自重作用下引起的變形量是否滿(mǎn)足弧形片體的曲線(xiàn)線(xiàn)型。如果計算結果完全滿(mǎn)足自重彎曲線(xiàn)型，則無(wú)需對鋼板進(jìn)行滾壓彎曲，直接將幾塊鋼板在平面胎架上對接拼焊成大片鋼板（弧形片體展開(kāi)狀態(tài)），然后將大片鋼板垂直置于弧形片體彎曲線(xiàn)型胎架上進(jìn)行自重彎曲成形，最后在總裝胎架上依次將幾個(gè)弧形片體進(jìn)行立面拼裝焊接。
該加工制作工藝合理利用了鋼板的自有特性技術(shù)，降低了施工難度，改善結構受力，提高了施工效率，具有明顯的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。隨著(zhù)國內外建筑業(yè)的不斷發(fā)展，各種超大型鋼管工程會(huì )越來(lái)越多，大型鋼板鋼管自重彎曲成形技術(shù)將會(huì )得到廣泛應用。
1 概 述
大型或超大型鋼板卷制焊接鋼管作為一種以鋼板為原材料，采用多塊鋼板彎曲拼焊成形，在卷曲過(guò)程需采用大型或超大型專(zhuān)業(yè)卷板機。在國內外，鋼結構加工廠(chǎng)有大型或超大型卷板機數量非常有限，甚至沒(méi)有滿(mǎn)足卷制超大鋼管的卷板機，導致工程無(wú)法實(shí)施。
能夠使大直徑或超大直徑鋼板鋼管工程順利實(shí)施，對鋼板自重彎管技術(shù)進(jìn)行深入研究。以某工程中超大直徑鋼板鋼管為對象，其鋼板鋼管為規則圓柱形筒體內加橫縱向加筋肋，主要尺寸為：直徑32m，長(cháng)38m，管壁厚13mm。通過(guò)對其加工制作方案選擇、原材料采購、鋼板平面對接、自重彎曲、片體拼裝焊接、質(zhì)量驗收等各工序的綜合詳細描述，使鋼板自重彎曲成形鋼管完全符合設計要求。
圖1 鋼板鋼管外形結構(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)
2 技術(shù)特點(diǎn)
1)無(wú)需投入大型卷板機；
2)適合大型和超大型直徑鋼管制作；
3)施工面較廣，多條線(xiàn)同時(shí)流水作業(yè)，制作效率高；
4)多數鋼板采用平面自動(dòng)焊接，減少弧線(xiàn)拼裝；
5)曲成胎架支承，空間移動(dòng)定位成形，降低制作難度；
6)鋼板彎曲不需要外力，利用鋼板的彎曲性能在其自重作用下依靠彎曲胎架自然成形；
3 鋼板自重彎曲成形原理
常用彎曲零件成形的方法是利用外力作用下，強制性讓零件彎曲變形，影響原材料的性能等。鋼板自重彎曲成形原理，應用到鋼板鋼管加工制作主要分為鋼板自重彎曲曲率計算、鋼管建模放樣、鋼管片體平面拼焊、鋼管片體弧形彎曲和鋼管總拼焊接五個(gè)階段。
根據制作鋼管的直徑大小和不同厚度管壁鋼板的彎曲性能，通過(guò)自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計算方法，驗證本工程中鋼板自重狀態(tài)下的曲率滿(mǎn)足鋼管成形曲率，合理地確定鋼管軸向弧形片體劃分和劃分的部位，確保鋼管成形后的弧線(xiàn)。采用電腦三維軟件（AUTOCAD）對鋼管進(jìn)行1:1建模，將弧形鋼板展開(kāi)成平面，降低下料放線(xiàn)難度，確定每塊鋼板的規格尺寸，完成放線(xiàn)和套料工作。
參照套料圖對原材料進(jìn)行切割及編號，根據鋼板的編號在平面拼裝胎架上參照地樣控制點(diǎn)進(jìn)行弧形片體管壁的拼裝和焊接，焊接完成后拼焊軸向構件（豎向肋骨），增強管壁剛度便于吊裝。利用大型起重設備將片體管壁吊裝到弧形彎曲胎架上，利用弧形彎曲胎架的曲線(xiàn)，通過(guò)地樣點(diǎn)進(jìn)行定位，局部位置增加適當外力將管壁緊靠到彎曲胎架表面，檢查管壁彎曲成形符合要求后拼焊徑向構件（橫向肋骨）和臨時(shí)加強。利用大型起重設備在專(zhuān)業(yè)總裝胎架上按照片體先后順序逐一進(jìn)行鋼管總裝，總裝過(guò)程中使用專(zhuān)業(yè)立縫焊機（爬山虎）對兩片體的對接縫進(jìn)行施焊，同時(shí)嚴格控制每塊片體的安裝參數和焊接質(zhì)量。
（a）模具壓彎；（b）折彎；（c）拉彎；（d）滾彎；（e）輥壓
圖2 常用彎曲成形方法
圖3 鋼板自重彎曲成形方法(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)
4 鋼板自重彎管工藝流程
圖4 鋼板自重彎管工藝流程(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)
5 鋼管加工制作主要過(guò)程
5.1 計算鋼板自由狀態(tài)自重彎曲曲率
平鋼板在自重作用下產(chǎn)生變形，變形前處于同一直線(xiàn)上的點(diǎn)，變形后仍處于同一曲線(xiàn)上。若求某點(diǎn)處的橫向和縱向曲率時(shí)，可由該點(diǎn)和處同一平面內的左右兩點(diǎn)組成圓弧，計算其半徑得到。設某點(diǎn)為（x2，y2）,左點(diǎn)為（x1，y1），右點(diǎn)為（x3，y3），其中xi為橫向坐標，yi為垂向坐標，i=1～3。其值可用有限元的計算結果得到。
計算三角形邊長(cháng)：
a=[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2，
b=[(x3-x1)2+(y3-y1)2]1/2，
c=[(x3-x2)2+(y3-y2)2]1/2
三角形外接圓半徑為R=abc/4Δ，其中Δ為三角形面積：S=0.5(a+b+c)
Δ=[S(S-a)(S-b)(S-c)]1/2
由此可以求出該段圓弧曲率：
K=1/R=4Δ/abc，
K即為（x2，y2）點(diǎn)處的曲率。
由以上公式可計算出鋼板在最大撓度處節點(diǎn)的橫向曲率kmax和縱向曲率KMAX。設kmax（KMAX）隨自變量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0變化，其中T為板厚，y0為板彎曲加工的最大撓度，F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0見(jiàn)下圖所示。
圖5 參數標記圖
利用多元線(xiàn)性回歸分的方法建立kmax（KMAX）與各變量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0的線(xiàn)性組合關(guān)系式，采用最小二乘法，解得回歸系數。則有：K=A0+A1T+A2F0+A3H0+A4E0+A5G0+A6a0+A7c0+A8y0，
同時(shí)得出：U為回歸平方和；Q為殘差平方和；RA為剩余標準差；R為相關(guān)系數。
計算結果分析，應用有限元法計算平鋼板在自重用作下產(chǎn)生的彎曲，約束條件的不同，其結果將有很大的差異。
得出如下求平鋼板最大撓度處的橫向曲率公式：
kmax=-0.9763-0.2364×T+0.7198×10-3×F0+0.2442×10-4×H0-0.7904×10-3×E0-0.2388×10-4×G0+0.7533×10-2×a0-0.7446×10-2×c0+0.8772×10-2×y0，
影響平鋼板橫向曲率主要是板厚T，其次是彎曲時(shí)給定的是大撓度y0，板長(cháng)a0、c0及板寬F0。
得出如下求平鋼板最大撓度處的縱向曲率公式：
KMAX=0.4766×10-4-0.339×10-5×T+0.2×10-7×H0-0.2×10-7×E0+0.2×10-7×G0+0.3×10-7×a0-0.3×10-7×c0+0.1×10-7×y0，
對縱向曲率計算影響最大的是板厚T，其次是板的長(cháng)度和寬度。
根據鋼管壁板線(xiàn)型可以計算出y0值，同時(shí)可以計算出y0處的橫向曲率k0和縱向曲率K0。在鋼管壁板計算展開(kāi)以后，可以得到F0等幾何尺寸，應用曲率回歸公式可以計算出kmax和KMAX。
若 KMAX＞K0 kmax＞k0
則說(shuō)明鋼管壁板靠自重就可以達到縱向和橫向的曲度要求，從而不需要任何外力或鋼板卷制等加工。
5.2 鋼管弧形片體劃分
根據鋼管的結構和鋼板原材料的規格，合理將鋼管沿軸線(xiàn)方向劃分成若干個(gè)（不少于四個(gè)）弧形片體，有利于鋼管曲線(xiàn)成形，同時(shí)降低了起重能力。
圖6 鋼管弧形片體劃分
圖7 鋼管弧形片體結構(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)
5.3 弧形片體加工制作
加工制作鋼管的鋼板均為雙向定尺寸，有利于提高鋼材的利用率。按照鋼板排料圖，鋼管壁的所有鋼板先在平面拼裝胎架上對接成弧形片體展開(kāi)板，利用半自動(dòng)埋弧焊單面焊接雙面成形，使每條對接焊縫都達到100%UT。在鋼管內壁安裝所有豎向肋骨，增加了大片鋼板的剛度，便于吊裝。利用起重設備將弧形片體展開(kāi)板垂直放于彎曲胎架上表面，經(jīng)過(guò)精確調整，使每個(gè)弧形片體的線(xiàn)形符合鋼管曲率，然后安裝橫向肋骨及其它構件。
圖8 平面拼板胎架結構
圖9 鋼板對接拼焊
圖10 弧形片體轉運（平胎到彎胎）
圖11 弧形片體定位自重彎曲
圖12 橫向肋骨組焊
圖13 弧形片體彎曲成形脫胎
5.4 鋼管總裝焊接
鋼管總裝時(shí)采用大型起重設備豎向（軸向）遂片總裝方式，總裝過(guò)程中需對弧形片體設置臨時(shí)支承。單個(gè)鋼管的所有弧形片體總裝完成后利用專(zhuān)業(yè)半自動(dòng)立縫焊機（爬山虎），對弧形片體的對接焊縫進(jìn)行由上到下對稱(chēng)焊接，采用合理的焊接工藝減少鋼管變形。
圖14 弧形片體吊裝1
圖15 弧形片體吊裝2
6 結 論
本技術(shù)的應用，有利于大直徑或超大直徑鋼管的加工制作，使某些無(wú)法卷制的鋼管可以實(shí)現，同時(shí)降低了施工成本，提高了施工效率，是一項值得研究和參考的技術(shù)。
參考文獻
[1] 戴寅生 主編. 《船體外板自重彎曲有限元法研究》， 造船工藝， 2009
[2] 劉志軍 主編. 《2008全國鋼結構學(xué)術(shù)年會(huì )論文集》. 合肥 工業(yè)建筑雜志社出版， 2008
[3] 劉志軍 主編. 《2008全國鋼結構學(xué)術(shù)年會(huì )論文集》. 合肥 工業(yè)建筑雜志社出版， 2008
（中機建重型鋼結構制造有限公司，中山 528437）
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