摘要：随着建筑钢结构行业的迅猛发展，工业厂房、体育馆、展览馆、影剧院、机场航站楼等屋盖的结构已不仅仅满足于一般的功能，而是此前提下逐步向美观、新颖、独特的方向发展，跨度越来越大，外形由单一的平面规则形状向复杂的三维空间造型迈进，工艺制作较传统制作相比难度更大。以上海世博会西班牙馆为例，针对曲面桁架的制作工艺进行简要剖析、阐述，为类似构件的加工制作起引导和借鉴作用。
关键词：钢结构；曲面桁架；制作工艺
0前言
近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，钢结构以其自身的优势在建筑中所占比例越来越大，钢管结构也取得较大的突破。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。钢管结构中的管桁架结构以其外形美观、三维空间立体效果新颖而备受人们青睐，但是由于曲面管桁架圆管管径大小不一、桁架长短不定等多方面因素导致曲面管桁架在制作过程中难度加大。在此以上海世博园西班牙场馆为例，对曲面管桁架的弯制方法及管桁架的制作过程进行剖析，为类似构件的加工制作提供参考。
1曲面管桁架弯制方法及其特点
（1）曲面桁架单根弯曲弧度的控制：利用大型水平弯管机能有效解决大弧度的圆管弯曲弧度。
（2）曲面部分桁架由于弯曲半径小、圆管长度短，利用机械弯曲无法完成，应采取自制弯曲工装设备用火焰热弯方法进行弯制。
（5）制定合理的焊接顺序及焊接工艺可以有效保证焊接质量，控制焊接变形。
较小的高效焊接方法及合理的焊接顺序，减小管桁架的焊接变形。
（3）曲面桁架的焊接热变形控制：采用热输入
（5）分段管桁架在车间分段制作和焊接，应事先进行预拼装控制及测量。
2技术控制方法
（1）曲面S型桁架的弯曲：曲率半径R≥3m时，采用弯管机冷弯成型；曲率半径R＜3 m时，采用火焰热加工成型，再辅以胎架及加工检测样板保证弯管精度。
（2）管子对接焊接后有少量焊接变形，采用氧气-丙烷火焰加热校正，温度控制在800℃以下。
（3）严格控制焊接顺序。管子壁厚10 mm采用3层焊道完成焊接，管子壁厚20 mm采用6层焊道完成焊接，要求单面焊双面成型，坡口45°预留间隙3 mm。
（4）采用六轴相贯线切割机可以有效保证相贯口的三维尺寸。
（4）对于超长构件的管桁架，由于运输原因只能工厂分段制作和焊接，现场整体合拢焊接。
（6）严格控制弯管时的火焰温度，能够有效保证弯管的弧度尺寸和热影响区的母材物理性能。
（7）自主制作一种检测模板，保证桁架预拼时的整体尺寸，有效保证现场安装的一次成功率。
3施工流程及操作要点
3.1切割下料
（1）针对图纸给定的尺寸开始相贯线切割下料，检查下料后的零部件，复核下料尺寸，如图1所示。
图1 按图纸加工下料现场
3.2弯管机圆势
按照钢管直径选择相匹配的压辊，并对压辊进行调整；按照图纸给定的尺寸和弧度，用弯管机对圆管进行圆势；在弯管过程中，利用自制模具对弯管的弧度进行检查，将弧度控制在图纸设计的公差范围之内，如图2所示。
图2 检查弯管弧度
3.3内外弦杆上胎架定位
（1）根据胎架底线制作胎架（见图3），胎架模板宜设置在两档直腹杆之间，且必须牢固，两档胎架间距不超过1.5 m，胎模高度为0.6 m，不宜过高；如果因内外弦杆的管径不同而形成高低差，须对管径较小的一侧弦杆加高胎模，以保证内外弦杆中心线水平度公差控制在±1 mm以内。
图3 胎架制作
（2）吊上内外弦杆进行定位，定对地面基线，内弦杆加以板条固定，外弦杆暂不固定，为组装斜腹杆留出活动空间，如图4所示。
图4 内外弦杆定位
（3）吊装桁架内外弦杆间的直腹杆、斜腹杆。组装斜腹杆时，因两直腹杆间的斜线尺寸已固定，而
斜腹杆两端均为相贯口，所以斜腹杆不易放入，此时须移动外弦杆以调节内外弦杆间宽度，待斜腹杆放入后，外弦杆再复位，进行点焊固定。
（4）检查组对好的桁架，主要检查曲率和各零部件之间尺寸以及整体尺寸，合格后进入焊接工序。
3.4焊接
以2010年上海世博会的西班牙展馆工程为例，本工程管桁架材质以Q235及Q345为主，焊接方法采用气保焊，焊丝为φ1.2 mm ER50-6。
对组装完工的桁架进行定位固定并焊接，焊接按先后顺序先内外弦杆对接缝、再焊直腹杆、最后焊斜腹杆，待正面焊接结束后，撤除定位并翻身进行反面焊接。焊接结束后桁架重新复位，如有变形进行火工校正，划出余量并切割，做好现场焊定位标记。
（1）钢管通过弯管机弯到一定弧面，拼装成S形管焊接，采用标准板校正符合要求后，放地样按1∶1装配S形管与直管拼装，焊接完成后要保证管子角度的正确性，平整度好坏会影响后续组装。
（2）单面焊接双面成型坡口形式。
适当切割修正管子的内口上下每一部位的坡口角度大于45°～50°，满足熔透一级焊缝的要求，装配时要对坡口内侧进行打磨，装配间隙控制在3mm，用码板点焊固定管子，以三处固定（相对等分），管子对接采用同样规格坡口45°～50°，间隙4 mm，板厚大于等于20 mm时，间隙5±1 mm；部分直管采用钢衬垫焊接，如图5所示。
图5 焊接形式
（3）管子壁厚10 mm时，采用3层焊道完成焊接（见图6a）；管子壁厚20 mm采用6层焊道完成焊接（见图6b）；单面焊双面成型，坡口45°，无钝边间隙3 mm。焊接时熔透坡口底部逐步向上匀速焊接，在准备停焊之前，焊速增快，减少填充量，使坡口停顿处形成一个大于坡口间隙的熔孔，便于在焊接部位冷态情况下重新起弧，保证反面焊缝熔透成型，确保焊接接头熔透。
图6 不同壁厚焊接
（4）对接焊缝适当修磨后，进行桁架组装。组装完全放在胎架上，保证水平基准面在尺寸校正定位后，安装水平腹杆、斜腹杆，装配形成一个刚性固定构架，随后安装柱底板。桁架栓在胎架上焊接时，为了控制焊接热变形，应先焊一侧的水平腹杆和斜腹杆，采用跳跃法，先焊1、3、5；后焊2、4、6，一侧焊完后再焊另一侧。用此焊接顺序保证最小变形量，焊接顺序如图7所示。
图7 桁架组装焊接示意
（5）完成的管子焊接24 h后进行UT检测，必须满足GB11345标准的BI级要求。
（6）对于管板焊接，法兰板是盲板，装配定位用码板固定（见图8）；全位置焊接技术难度增加，在焊接时盲板的热量需求量大，坡口前端薄容易熔化，钢管坡口和盲板熔化需要的热量不一样，在焊接时电弧中心温度和熔化金属要偏向于盲板，从打底到盖面都需要掌握此原则。焊接时运条两边停顿，盲板处要多停顿、给予充分热量，且掌握好焊丝移动速度，焊缝表面平整或焊缝中间稍内凹为佳，便于多层焊缝的层间熔透，否则焊缝中间高两边低，两侧形成夹角就容易使焊缝内部产生缺陷，探伤合格率低。
