刘玉伟 盛义山 秦雁宁
中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海201900
【摘要】：兰州奥体中心体育场项目屋盖为空间三角管桁架，桁架呈空间弯扭型，桁架主弦杆均为弯管，弯管制作尺寸精度控制、预拼方法的选择均为加工重难点。针对桁架特点，预拼复合整段弦杆的方法进行加工。经实践验证，提出的工艺方案能有效保证构件质量和制作工效，为类似钢结构制作提供借鉴。
【关键词】 管桁架 弯管制作 预拼装
1结构概况
兰州奥体中心体育场项目屋面罩棚悬挑32~47m，采用落地交叉空间悬挑桁架、出屋面桁架、树形柱支承、单层网壳结构体系组成，其中落地交叉空间悬挑桁架结构由多道弯扭三角桁架交错组合而成，桁架弯扭幅度大，桁架弦杆由三根不同扭曲程度的组成，通过腹杆组合成整体，使桁架在空间不断扭转弯曲达到建筑效果，如图1和图2所示。
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图2 落地交叉空间悬挑桁架结构效果图
落地交叉空间悬挑桁架结构体系，单榀桁架最大扭转度35°如图3所示，弯管最小半径1m，单根弦杆最大长度17.5m，圆管规格为PIP351*16、PIP450*25、PIP351*25、PIP550*32、PIP351*18，杆件材质主要采用Q355C、Q390C、Q450C材质。
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图3最大扭转桁架结构效果图
2重难点分析
（1）弯管精度控制
落地交叉空间悬挑桁架弦杆均为弯管，弯管精度直接决定现场拼装对接端头能否顺滑过度，腹杆贯口能否贴合，因此保证弯管精度是本加工的重难点。
（2）预拼装精度及进度控制
预拼装是保证构件在现场组装前的保障措施，本项目所有弦杆预拼出场，预拼体量大，工期紧张，同时又要保证预拼装的精度控制，如何选择拼装工艺提高拼装效率和精度是本加工的重难点。
3 双曲弦杆加工工艺
3.1弯管线性优化
根据原设计结构线型，将多段折线通过犀牛Rhino、AutoCAD等软件将空间结构线性拟合成顺滑曲线，所产生的双曲线形在拐点打断处理，简化双曲杆件制作难度，同时构件分段位置通过线性优化，将断点位置调整至曲率无限大处，保证构件直线对接、平滑过度、无折角现象。
3.2弯管冷弯成型
常见弯管工艺分为两类：一类采用依靠模具贴合素材表面受力进行弯曲加工，如拉弯成型、压弯成型等，另一类利用模具与管材相对运动过程中施加瞬时压力实现塑性加工，如滚弯成型[1]。本项目根据弯管半径大小和施工需求，采用常见的压弯成型方法制作弯管，弯弧半径界定为大于22D(D为圆管直径)可进行有效弯曲。压弯成型方法首先根据不同规格和半径大小制作半包式模具所示，半包式压模需与圆管外壁贴合，弯管能使圆管受力均匀，减小局部受力较大产生变形。
3.3冷弯施工工艺流程
项目使用的弯管机械靠模和压膜的开档尺寸为2.2 m，最大液压顶推1200KN。
1）弯管前准备 根据弯管数据计算出弦长为1.2m弯弧内最大弦高值N，在根据N值调整压模的弯曲弧度和调节限位器数值；
2）选取控制面 根据切管起弧点确定贯口和弯弧方向，在弯管弯弧面通过水平角尺设置一条弦长控制点；
3）分段标记 将弯管等分并做好标记，小于6m中间分两段，6m~12m分四段，长度越长分段数量适当增加，增加控制点保证弯弧尺寸的精确；
4）多段压弯 将钢管放置于压弯模具间，逐步调节液压机顶推压膜将钢管抱紧，确保弯弧面垂直于地面，然后液压机通过压模传力给钢管使钢管弯曲，在弯弧过程中用1.2m长靠杆测量靠杆端头与外壁的间隔数值，当数值数据符合N值要求后在此范围弯弧两侧画线标记，如图7所示，卸载液压装置，钢管移动至下一段进行顶弯；
5）弯管尺寸测量 使用棉线依据弦长控制点拉出弦长，复核弦长和各分段点的弦高，保证弯弧尺寸控制在±5mm内。
3.4弯管注意事项
在弯管过程中，由于管材使用的材质不同，塑性能力有所不同，越高强度下的管材其塑性越差，改变管结构固有状态也就越难，为更有效使其状态稳定改变，在施压过程中，逐级增加顶推，并停留3-5秒间歇期，保证弯管塑性稳定。顶推弯管成型过程处于弹塑性状态下，卸载顶推力时会存在一个弯曲相反的回弹力，使弯管趋于原状态，导致弯管产生弧度偏差，为减小回弹带来的偏差，弯管时超出弯弧尺寸，弥补回弹偏差值。根据弯管施工记录，形成回弹修正数值表如表1。
表1回弹修正值表
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表中数据根据为多次弯管实验数据平均值
通过回弹修正值的数据得出以下结论：
①直径越大，回弹修正值就越大；
②同种规格材质强度越高修正回弹值越高，但影响不大；
③变曲回弹值跟壁厚的影响不大，但弯曲半径影响较大，半径越大，回弹修正值就越高；
3.6热弯工艺
落地交叉空间悬挑桁架结构在悬挑段和落地段交接位置，弯管半径小于22D，此部分的弯管构件采用热弯工艺制作，热弯构件管径为PIP351*16材质Q355C,热弯采用中频电磁加热600℃，循环水冷却，通过牵引杆控制弯管半径。
3.7双曲杆件制作与预拼
依据双曲杆件的弯弧数值大小，结合加工场地情况，采用整段弦杆预拼装，单曲杆件对接双曲的方式一次性完成制作和预拼工作，大大提高加工的效率。首先确定弦杆的主要控制点，其次在CAD模型中依据控制点的位置进行合理布置胎架，胎架的平面尺寸尽可能满足多数杆件的尺寸要求，便于胎架循环利用，最后根据CAD模型确定拼装弦杆的定位坐标，出具具体的拼装控制图。
坐标胎架图及控制点选取示意图
预拼制作工艺流程:
1）根据胎架图将HM194*150*6*8型钢连接在一起，形成宽7m间隔3m一档的牢固简易胎架，水平仪调节胎架水平高度，胎架降低高度简化拼装措施设置，提高了拼装速率，同时增加控制点数量保证拼装的精确度；
2）以胎架的长矢边为基准线，进行控制点的放样，通过间隔固定的档距放出对应位置的距离，在放样上提高了效率，同时精度也得到保障。
3）在固定简易胎架上采用灵活的靠板和垫块调节弦杆切面控制坐标，将弦杆姿态控制到位。
4）整段弦杆复核完成后对双曲构件进行焊接，弦杆构件间做好对接标记，便于现场方便拼接高效准确，完成焊接和预拼标记后下胎。
4结束语
1)通过施工过程的探究，解决了此类管桁架的弯管加工制作技术难题，根据原模型拟合和Tekla软件深化，简化了管结构的施工难度，降低了施工成本，对以后类似管桁架的弯管制作有指导意义。
2)弯管冷弯成形通过分段施弯，多段检测控制，半包式压模等工艺，保证弯管弦高和玄长尺寸精度。
3)合理采用预拼装工艺，简化复杂措施，提高拼装效率，保障出场构件质量满足现场施工需要。
参考文献
[1]徐智伟. 高强钢矩形截面管弯曲成形研究[D].哈尔滨工业大学,2014.
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