论文部分内容阅读
[摘要]针对宁夏贺兰山体育场空间曲线管桁架弯曲关键技术的加工制造特点，本文详细介绍了空间曲线桁架的曲线模拟、空间弯曲钢管加工工艺，预拼装及检测等关键技术难点，并通过实践表明，该技术高效，合理，保证了工程拼装精度，并为此类体育场馆的加工提供了一定的参考。
[关键词]空间曲线模拟；弯曲钢管加工，预拼装；
中图分类号：G47文献标识码：A文章编号：
1 工程概况
宁夏贺兰山体育场位于西夏区宁夏体育中心园区中部，占地约29.54万㎡，总建筑面积约8.892万㎡，其中体育场主体部分建筑面积约6.687万㎡。本项目规划设计4万座、8道400米标准跑道、国际标准田赛场地暨标准足球场及活动用房、商业用房、场馆管理办公、设备机房等附属用房。本项目结构形式：主体为框架结构＋钢桁架，体育场外罩棚采用空间钢桁架的结构形式，建筑造型为伊斯兰风格民族特色。
体育场钢桁架整体四分之一对称，主要由主桁架、门厅桁架区结构、区间次结构等组成，主桁架最高点标高46.5m，柱脚标高6.0m。桁架整体在空间弯扭，下部与格构柱形式埋件连接，主桁架截面为不规则四边形，主桁架杆件材质均为Q345D，其中弦杆规格有P500x15、P400x12等，腹杆规格p168x8、203x8等。次桁架及门厅桁架杆件材质均为Q345C，位于相邻两榀主桁架间，由X形桁架与系杆组成，门厅桁架呈拱形，弦杆规格有P299x10等，腹杆规格有P140x5等。
2 空间管桁架曲线模拟
体育场的主桁架整体为双向弯扭结构，上中下弦管均曲率不同，腹杆长度变化不一，体育场的次桁架单榀内四根弦杆呈空间X形，上下弦杆间有腹杆连接。次桁架间用插板连接，依次径向布置于主桁架之间。
钢结构深化设计的首要任务就是如何把多段三维空间多向弯扭的桁架弦管拟合为多段不同半径、过渡圆滑的平面曲管，同时兼顾现场吊装需求及运输长度限制等要求。同时，深化设计应考虑到施工需求，图纸按现场拼装需求把桁架水平放置，通过若干个平、剖面的表达把桁架的空间三维定位尺寸转化为了平面二维尺寸的组合。
该工程钢结构罩棚为空间钢管结构，主桁架弦杆为空间曲线，如何保证主桁架弦杆曲线的光滑是能否顺利实现建筑造型的重点。目前传统的空间曲线建模方法都是通过将空间曲线转为多半径圆弧构件而实现的，其缺点在于在各弯弧对接处过渡不圆滑，会看到明显的折角。为保证钢罩棚主桁架弦杆的光滑性，将弦杆曲线以节点为基点用样条曲线连接成一条光滑的空间曲线来替代原先的折线弦杆部分，原来的腹杆位置不调整，最后将完整的线模型制作成实体模型。
主体育场钢结构罩棚的主桁架弦杆作为空间曲线有别于普通的平面曲线，基本无几何规律可循，如何在深化图中直观地表达弦杆的空间关系将是整个钢管桁架深化设计的重点和难点。通过数学总微积分理念，将整条不规则的空间曲线等分成若干份的平面曲线，为达到外观建筑效果使曲线圆滑过渡，同时为满足加工制作的要求，经反复比对，最终确定将平面弧线段的长度确定为3m左右，这样既能保证整条主桁架弦杆的空间曲线造型的光滑性，又可以将整条空间曲线简化成若干条平面弧线，满足了加工制作的要求。
3 空间曲线管桁架弯曲钢管加工工艺
根据曲线模拟主桁架弦杆深化图可看出，沿空间弯弧弦杆方向上的各弯弧段曲率半径为6m~280.0m，根据弦杆各圆弧曲率半径及沿弦杆长度方向上的圆弧段几何上数学关系的特点，最终确定该工程空间弯曲钢管采取两种方法加工：
①对于弯弧曲率半径R≤10m的空间弯管，采取中频（热弯）弯成型加工方法；
②对于弯弧曲率半径R＞10m的空间弯管，采取油压机“两面”压弯成型加工方法。
中频弯加工，其原理是采用中频电流使钢管待弯曲段急剧升温并达到热加工温度后，在外力作用下使钢管待弯曲段按设计要求的曲率半径弯曲成形的加工方法，中频弯加工特点是：电能消耗量较大，生产效率较低，加工成本高。工程主桁架弦杆钢管的空间弯弧加工原理基本等同钢管平面弯弧，不同之处在于沿弦杆长度方向上的每一圆弧段弯弧后，在进行下一段弯弧前，需将待弯弧钢管段绕中心线按预定方向旋转一个二面角，同时变换一次转臂位置，再进行弯弧加工，依此类推，完成钢管各圆弧段的弯弧加工，使钢管空间弯弧成形；并沿空间弯管方向的各弯弧须顺滑平整过渡。
油压机“两面”压弯成型加工，是将压制模具安置于大型油压机工作平台上，调整后固定，吊上待弯弧钢管至预定位置后与模具固定；开启油压机，按钢管上的划线位置，分别进行空间弯管各圆弧投影所在平面I内位置关系线的依次压制成形；将压制后的钢管绕原中心线按给定方向（顺时针或逆时针）旋转90°，并重新调节压制模具位置，依次进行空间弯管所在平面内的各圆弧弯弧。
4.空间曲线管桁架的地面预拼装及检测
图1 桁架地面拼装图
工厂预拼装主要目的在于检验构件工厂加工能否保证现场拼装、安装的质量要求，确保下道工序的正常运转和安装质量达到规范、设计要求、能否满足现场一次拼装和吊装成功，减少现场拼装和安装误差。由于构件相互联系很紧密，若一个构件尺寸偏差会导致累积误差，为保证构件的安装空间位置，减少现场安装产生的累积误差，故必须对桁架进行工厂的预拼装，以检验构件制作的精度，及时调整、消除误差，从而确保构件现场顺利吊装，减少现场特别是高空对构件的安装调整时间，有力保障工程的顺利实施。
预拼装顺序：
（1）将桁架弦杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线和两端企口线，定位必须保证分段接口处的坡口间隙等。
（2）将桁架直腹杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线、桁架的垂直度和两端企口线
（3）将桁架斜腹杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线、桁架的垂直度和两端企口线；
预拼装质量好坏将直接影响现场吊装后的质量，测量工作的质量是钢桁架的高精度拼装的首要关键工作，测量验收应贯穿各工序的始末，对各工序的施工测量、跟踪检测全方位进行监测。根据测量結果和图纸标注尺寸对照分析，进行细部调整，确保安装数据准确无误。
5.结束语：
钢结构深化设计是工厂加工制作和现场安装的依据，其对整体钢结构工程的质量以及进度起着至关重要的作用。如何完美体现设计意图，将图纸上空间管桁架的优美曲线转换成可加工实现的具体构件考验的是深化设计和加工制作人员的智慧。工程实践证明此方法是正确、合理的，完全满足了建筑及结构的设计意图，为工程的顺利实施提供了充分的保证。
参考文献
［1］周观根，刘扬.国家游泳中心钢结构深化设计方法研究[M].结构与地基新进展，杭州：浙江大学出版社，2005.
［2］周烽，何挺，周观根.河南艺术中心钢结构深化设计技术[J].施工技术增刊，2006,12.
［3］J.A.packer，J.E.Henderson，J.J.cao 空心管结构连接设计指南[M].北京： 科学出版社出版，1997.
［4］中华人民共和国建设部.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[关键词]空间曲线模拟；弯曲钢管加工，预拼装；
中图分类号：G47文献标识码：A文章编号：
1 工程概况
宁夏贺兰山体育场位于西夏区宁夏体育中心园区中部，占地约29.54万㎡，总建筑面积约8.892万㎡，其中体育场主体部分建筑面积约6.687万㎡。本项目规划设计4万座、8道400米标准跑道、国际标准田赛场地暨标准足球场及活动用房、商业用房、场馆管理办公、设备机房等附属用房。本项目结构形式：主体为框架结构＋钢桁架，体育场外罩棚采用空间钢桁架的结构形式，建筑造型为伊斯兰风格民族特色。
体育场钢桁架整体四分之一对称，主要由主桁架、门厅桁架区结构、区间次结构等组成，主桁架最高点标高46.5m，柱脚标高6.0m。桁架整体在空间弯扭，下部与格构柱形式埋件连接，主桁架截面为不规则四边形，主桁架杆件材质均为Q345D，其中弦杆规格有P500x15、P400x12等，腹杆规格p168x8、203x8等。次桁架及门厅桁架杆件材质均为Q345C，位于相邻两榀主桁架间，由X形桁架与系杆组成，门厅桁架呈拱形，弦杆规格有P299x10等，腹杆规格有P140x5等。
2 空间管桁架曲线模拟
体育场的主桁架整体为双向弯扭结构，上中下弦管均曲率不同，腹杆长度变化不一，体育场的次桁架单榀内四根弦杆呈空间X形，上下弦杆间有腹杆连接。次桁架间用插板连接，依次径向布置于主桁架之间。
钢结构深化设计的首要任务就是如何把多段三维空间多向弯扭的桁架弦管拟合为多段不同半径、过渡圆滑的平面曲管，同时兼顾现场吊装需求及运输长度限制等要求。同时，深化设计应考虑到施工需求，图纸按现场拼装需求把桁架水平放置，通过若干个平、剖面的表达把桁架的空间三维定位尺寸转化为了平面二维尺寸的组合。
该工程钢结构罩棚为空间钢管结构，主桁架弦杆为空间曲线，如何保证主桁架弦杆曲线的光滑是能否顺利实现建筑造型的重点。目前传统的空间曲线建模方法都是通过将空间曲线转为多半径圆弧构件而实现的，其缺点在于在各弯弧对接处过渡不圆滑，会看到明显的折角。为保证钢罩棚主桁架弦杆的光滑性，将弦杆曲线以节点为基点用样条曲线连接成一条光滑的空间曲线来替代原先的折线弦杆部分，原来的腹杆位置不调整，最后将完整的线模型制作成实体模型。
主体育场钢结构罩棚的主桁架弦杆作为空间曲线有别于普通的平面曲线，基本无几何规律可循，如何在深化图中直观地表达弦杆的空间关系将是整个钢管桁架深化设计的重点和难点。通过数学总微积分理念，将整条不规则的空间曲线等分成若干份的平面曲线，为达到外观建筑效果使曲线圆滑过渡，同时为满足加工制作的要求，经反复比对，最终确定将平面弧线段的长度确定为3m左右，这样既能保证整条主桁架弦杆的空间曲线造型的光滑性，又可以将整条空间曲线简化成若干条平面弧线，满足了加工制作的要求。
3 空间曲线管桁架弯曲钢管加工工艺
根据曲线模拟主桁架弦杆深化图可看出，沿空间弯弧弦杆方向上的各弯弧段曲率半径为6m~280.0m，根据弦杆各圆弧曲率半径及沿弦杆长度方向上的圆弧段几何上数学关系的特点，最终确定该工程空间弯曲钢管采取两种方法加工：
①对于弯弧曲率半径R≤10m的空间弯管，采取中频（热弯）弯成型加工方法；
②对于弯弧曲率半径R＞10m的空间弯管，采取油压机“两面”压弯成型加工方法。
中频弯加工，其原理是采用中频电流使钢管待弯曲段急剧升温并达到热加工温度后，在外力作用下使钢管待弯曲段按设计要求的曲率半径弯曲成形的加工方法，中频弯加工特点是：电能消耗量较大，生产效率较低，加工成本高。工程主桁架弦杆钢管的空间弯弧加工原理基本等同钢管平面弯弧，不同之处在于沿弦杆长度方向上的每一圆弧段弯弧后，在进行下一段弯弧前，需将待弯弧钢管段绕中心线按预定方向旋转一个二面角，同时变换一次转臂位置，再进行弯弧加工，依此类推，完成钢管各圆弧段的弯弧加工，使钢管空间弯弧成形；并沿空间弯管方向的各弯弧须顺滑平整过渡。
油压机“两面”压弯成型加工，是将压制模具安置于大型油压机工作平台上，调整后固定，吊上待弯弧钢管至预定位置后与模具固定；开启油压机，按钢管上的划线位置，分别进行空间弯管各圆弧投影所在平面I内位置关系线的依次压制成形；将压制后的钢管绕原中心线按给定方向（顺时针或逆时针）旋转90°，并重新调节压制模具位置，依次进行空间弯管所在平面内的各圆弧弯弧。
4.空间曲线管桁架的地面预拼装及检测
图1 桁架地面拼装图
工厂预拼装主要目的在于检验构件工厂加工能否保证现场拼装、安装的质量要求，确保下道工序的正常运转和安装质量达到规范、设计要求、能否满足现场一次拼装和吊装成功，减少现场拼装和安装误差。由于构件相互联系很紧密，若一个构件尺寸偏差会导致累积误差，为保证构件的安装空间位置，减少现场安装产生的累积误差，故必须对桁架进行工厂的预拼装，以检验构件制作的精度，及时调整、消除误差，从而确保构件现场顺利吊装，减少现场特别是高空对构件的安装调整时间，有力保障工程的顺利实施。
预拼装顺序：
（1）将桁架弦杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线和两端企口线，定位必须保证分段接口处的坡口间隙等。
（2）将桁架直腹杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线、桁架的垂直度和两端企口线
（3）将桁架斜腹杆吊上胎架进行定位，定对平台上的中心线、桁架的垂直度和两端企口线；
预拼装质量好坏将直接影响现场吊装后的质量，测量工作的质量是钢桁架的高精度拼装的首要关键工作，测量验收应贯穿各工序的始末，对各工序的施工测量、跟踪检测全方位进行监测。根据测量結果和图纸标注尺寸对照分析，进行细部调整，确保安装数据准确无误。
5.结束语：
钢结构深化设计是工厂加工制作和现场安装的依据，其对整体钢结构工程的质量以及进度起着至关重要的作用。如何完美体现设计意图，将图纸上空间管桁架的优美曲线转换成可加工实现的具体构件考验的是深化设计和加工制作人员的智慧。工程实践证明此方法是正确、合理的，完全满足了建筑及结构的设计意图，为工程的顺利实施提供了充分的保证。
参考文献
［1］周观根，刘扬.国家游泳中心钢结构深化设计方法研究[M].结构与地基新进展，杭州：浙江大学出版社，2005.
［2］周烽，何挺，周观根.河南艺术中心钢结构深化设计技术[J].施工技术增刊，2006,12.
［3］J.A.packer，J.E.Henderson，J.J.cao 空心管结构连接设计指南[M].北京： 科学出版社出版，1997.
［4］中华人民共和国建设部.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.