浅谈钢结构窄板构件防变形制作方法

浅谈钢结构窄板构件防变形制作方法

张芯瑜

攀钢集团工程技术有限公司修建分公司四川攀枝花617000

摘要：随着我国建筑要求的不断提高，建筑外形美观越来越受到重视，伴随着建筑形式的多样，结构形式也变得更加复杂，空间弯扭异形钢结构应用也越来越广，给钢结构制作厂家带来了巨大挑战。其中大跨度钢结构因其美观的外形设计，越来越受到设计师和业主的青睐，其中飘带等窄板类钢结构也越来越受到广泛的应用。但因其独特的结构形式，使其在制作过程中遇到不少困难，尤其是其在制作过程中的变形控制是制作的重难点。基于此，本文主要对钢结构窄板构件防变形制作方法进行分析探讨。

关键词：钢结构；窄板构件；防变形；制作方法

1、典型弧形构件介绍

我司承接制作过某项目钢结构，其中有一类构件为长箱体弧形构件，如图1‐1，在构件制作过程中，需采用开设单边坡口的窄板做弧梁的挡板，该弧形挡板零件长度近20米，但宽度不足200mm，并且仅开设单边坡口，如处理不当会导致零件板会向开坡口一侧弯曲。此外，弧梁构件上下翼板及腹板均为异型板，需数控下料切割，数控切割枪头仅有一个，若采用以往的方式下料，即按零件外轮廓连续切割，直至走完零件外轮廓，由于构件较长，零件板也较长，切割完的部分就失去了边缘约束，随火焰切割进行，切割边缘会发生热收缩，经过一段较长的路径积累，零件就会发生明显弯曲变形。

零件板发生变形后，在校正的过程中要用到热矫和重压等方法，耗时，耗能，费人工，且效果不好，窄板校正极为困难，弯曲严重的零件甚至只能作报废处理，由此带来了巨大的经济损失。为了提高加工效率，节省加工成本，并能保证加工质量，技术施工人员在加工过程中总结经验，分析同类零件变形原因后，总结出一系列的防变形切割的方法——利用夹具约束窄板及改变异型板切割顺序，成功的将单边坡口窄板的变形控制及数控长异型板的变形控制减小到了最小，大大提高了车间加工的效率，降低了加工成本。

2、制作方案确定

制作前我司专门对该类构件的制作方法进行了讨论，确定了针对窄板和长异型零件板制作的施工方法。

方法一：采取用夹具胎架夹持窄板，再对窄板开设单边坡口，避免出现开设坡口过程中由于板条较窄，受热变形，使零件外形尺寸超差的现象。如按常规的方法对窄板开设坡口，将使窄板出现完全变形的现象。

方法二：采用数控间断切割的方法对长异型零件板进行下料，避免出现连续切割过程中，约束带逐渐减小，零件板受热发生变形，最终使零件外形尺寸超差的现象。如按常规方法，即数控连续切割法对长异型零件进行切割下料，零件板受热变形发生微小变形，当变形量经过较长路径的积累，会使零件发生明显变形。

3、方案实施

利用夹具胎架夹持窄板后开设单边坡口这一方法的原理非常简单，即利用夹具的约束作用，限制窄板切割过程发生变形。在切割窄板单边坡口时，利用夹具夹住窄板后进行切割，夹具与大板或胎架相连，利用大板或胎架的大刚度来约束窄板，防止窄板在切割过程中发生弯曲变形。

采用数控间断切割的方法对长异型零件板进行下料这一方法的原理是利用零件未切割段来约束切割完部分的变形。在长异型零件板数控下料过程中，为防止零件板出现累积热变形的情况，放弃以往数控连续切割的方法，采取新的数控程序切割路线，以间断切割方式对零件板进行下料。即火焰切割枪头每行走切割1m，沿边缘线空程行走10cm，再继续切割，周而复始，直至切割枪头行走完零件外轮廓，然后采用半自动火焰切割将剩余的多段10cm约束段切割，此时长异型零件板下料完毕。

4、制作工艺流程及步骤

窄板单边开设坡口工艺流程步骤：

1）采用直条切割机进行零件板下料；

2）将零件板固定于支撑下料胎架上。

3）在支撑下料胎架上，采用半自动切割机切割零件板单边坡口。

长异型零件板数控下料工艺流程步骤：

1）采用CAD软件将弧形板以1：1比例放样于虚拟钢板上。

2）采用数控软件将CAD排版文件转换成数控程序G代码。

3）数控火焰切割机按G代码进行切割

4）采用半自动切割机切割未断开部分

5）检查弧形零件板外形尺寸

5、效益分析

1)按照方法一对窄板进行单边坡口的开设，可有效防止零件因坡口面单边受热，导致零件弯曲现象的发生，由此可减少用于零件矫正的气体费用和人工费用，同时减少构件制作的时间，节能高效地完成构件制作。

2)按照方法二对长异型板件进行数控下料，可有效防止数控切割过程中零件变形的现象发生，同时可省下用于零件矫正的气体和人工，减少构件制作时间，促进工厂产能提升。

3)可避免零件变形过大导致报废的现象。一块长10m，宽0.3m，厚20mm的零件板不约束进行开设单边坡口或常规数控下料异型零件不合理，导致变形过大而报废，所造成的损失为：6000×(10000×300×20×7.85/109)=6000×0.471=2826元

2826元这仅仅是一块零件板报废的材料损失，而施工方法不合理所导致的零件报废数量是成批的，所造成的损失是巨大的。因此，如按照本方法介绍的方法进行施工，可获得的效益是非常明显的。

6、构件焊接变形的火焰矫正方法

变形矫正通常采用的方法有机械矫正和火焰矫正法。用机械矫正方法如前所述，采用压力机、专用矫正机、千斤顶等，在此不作探讨。针对火焰短矫正法，结合在施工中掌握的一些经验进行探讨。焊后易产生的变形如前所述，主要有四种情况，掌握焊接顺序要领，可以克服一些变形，但由于种种原因不可完全避免，加工完毕后，往往都需要进行矫正这一工序。钢结构的旁弯、拱度、翼板下挠、翼板倾斜等均可用火焰进行矫正。

采用火焰矫正的原理与焊接变形的原理相同，只是反其道而用之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生变形，构件被局部加热后，依靠加热区的膨胀与收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。用火焰加热矫正构件时，一定要让构件处于自由状态，一些自重较大的构件加热后要用吊具提起离开平台，以免自重产生的摩擦力阻碍变形，影响短矫正效果。采用火焰矫正法，20m长的钢柱其侧向弯曲和起拱量可以矫正在6mm之内，翼板下挠度可控制在2mm内，远远低于规范要求。但是用火焰矫正，在实际施工中很难定量地确定加热部位、加热温度、时间、区域长度等，主要靠积累经验，因此，在准备矫正构件时，要选择有一定矫正经验的人员担任此项工作，并且人员要相对固定。

利用火焰矫正方便快捷，但必须注意几项基本要领，否则会事倍功半。首先加热温度要掌握好，一般控制在650℃～850℃之间，温度太低效果不明显，温度太高易使材质发生变化;要掌握在不同环境和不同气温情况下的加热温度;变形量较大的构件一次加热不能完全清除变形时，应错开原来的加热点进行第二次加热矫正，采取合理的矫正顺序，先矫正翼板不平、倾斜，再矫正侧向弯曲和起拱;矫正过程中要经常用靠弯尺、细钢线、水准仪等检查矫正情况，防止矫枉过正，产生新的变形量。

7、结语

随着钢结构行业的发展，各种新颖结构形式为不断出现，在面对各种新颖的构件形式时，不能因循守旧地按老套路，旧方法进行施工，可能获得的效益并不高，如能开辟新方法，新工艺，将会使企业获得更好的效益。

参考文献：

[1]郑江.复杂刚性钢结构施工过程力学模拟及计算方法研究[D].西安建筑科技大学，2011.

[2]刘红波.弦支穹顶结构施工控制理论与温度效应研究[D].天津大学，2011.