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沈阳大型钢结构旋转楼梯案例分析 

发布时间:2019/01/01
沈阳大型钢结构旋转楼梯案例分析

随着经济发展,建筑业的竞争也越趋激烈,而钢结构也因为制作周期较短,精度控制较好,易于保证质量和工期,相对混凝土自重较小,强度高,易于实现优美轻盈的造型等因素,得到了越来越广泛的关注和实际应用。

本次制作的旋转梯用于某机场的旅客过夜用房项目,项目竣工后定位为四星级酒店,旋转梯由大堂盘旋至二层平台,位置醒目,业主对造型的优美程度有很高要求,因此该旋转梯的设计亦别具一格: 净高5. 55 m,上升角度共504°,内径1 000 mm,外径2 500 mm,旋梯中部无立柱,主体断面为直角梯形箱体,箱体宽1 500 mm,内侧高600 mm,外侧高100 mm,中部有2 道加劲侧板。主体零件板厚度均为20 mm,材质为Q345B。

2 制作难点

1) 外形要求高,因旋转梯用于公共场所的关键位置。而箱体由六块钢板拼接而成,六块板的规格,螺旋半径各不相同,只能分别压制,难以保证拼接精度; 2) 焊接要求高,因旋转梯的自重及载荷只由箱体结构本身承载,而螺旋上升的封闭箱体难以保证焊缝质量,且异形厚板焊接应力大,易产生形变;3) 分段组装要求高,因旋转梯整体外观近似为5. 5 m × 5 m × 5 m 的圆柱体,而该规格超宽无法整体运输,且项目建筑部分已经完成,大型机械不能进场整体吊装。只能分段制作、运输、安装。难以保证整体精度拼装精度和结构安全。

3 深化设计

因为无法用常规手段直接放样制作,深化设计成为被项目的最大难点。通过查阅资料,利用CAD搭建线模等方式,推断4 块侧板( 箱体断面中垂直水平面的板) 可以通过卷板机卷制成型,但是顶板( 箱体断面中与水平面平行的板) 及底板,则因宽度大,异形板难以控制折弯精度等原因,无法用卷制这种常规方法加工。经过探索,我们研究出用Tekla 软件对旋梯进行三维实体建模,然后在软件内将曲面板展开,通过将顶板及底板实体模型投影到参照面

3 深化设计

因为无法用常规手段直接放样制作,深化设计成为被项目的最大难点。通过查阅资料,利用CAD搭建线模等方式,推断4 块侧板( 箱体断面中垂直水平面的板) 可以通过卷板机卷制成型,但是顶板( 箱体断面中与水平面平行的板) 及底板,则因宽度大,异形板难以控制折弯精度等原因,无法用卷制这种常规方法加工。经过探索,我们研究出用Tekla 软件对旋梯进行三维实体建模,然后在软件内将曲面板展开,通过将顶板及底板实体模型投影到参照面

3 深化设计

因为无法用常规手段直接放样制作,深化设计成为被项目的最大难点。通过查阅资料,利用CAD搭建线模等方式,推断4 块侧板( 箱体断面中垂直水平面的板) 可以通过卷板机卷制成型,但是顶板( 箱体断面中与水平面平行的板) 及底板,则因宽度大,异形板难以控制折弯精度等原因,无法用卷制这种常规方法加工。经过探索,我们研究出用Tekla 软件对旋梯进行三维实体建模,然后在软件内将曲面板展开,通过将顶板及底板实体模型投影到参照面

3. 1 用Tekla 软件搭建旋转梯的三维实体模型

Tekla 软件的劣势在于不能搭建有圆滑曲线的螺旋体,但根据“有限元”思想,将旋梯空间面离散成许多微小的三角形,只要三角形的数量足够多,其组合后的拟合曲面就能与实际曲面基本一致,达到加工所需的精度要求。设定好起始断面的坐标点,再按3°每点,均分总高及总升角,生成出旋梯的模拟轮廓,将模拟轮廓导入CAD,套入直接用CAD 样条曲线拟出的理论轮廓,经比较,模拟轮廓与理论轮廓坐标点最大差值小于1 mm,可以满足制作所需的精度要求。利用Tekla 软件自带的三角形生成器功能,按坐标点依次生成组成箱体各板的三维模型。

3. 2 展开三维模型板并进行平面下料完成旋梯的三维模型后,必须将各板展开进行平面下料,展开图的精确程度关系到实际下料的精度,进而影响整个项目的拼装精度。将曲面板展开,在利用CAD 软件建模时,可利用“先闻工具箱”等插件对CAD 实体模型进行多次模拟计算后求出。而对Tekla 软件来说,直接利用其自带的“展开平面”功能即可将曲面板展开成平面。为验证展开平面的准确性,分别利用Tekla 软件及CAD 软件搭建旋梯的1 /4 模型,再分别用各自的适配工具将三维板展开,经对比,两者展开图能完全重合。

3. 3 制作支撑胎架

根据设计数据计算得出的三维坐标,用不同高度的工字钢围搭出支撑胎架,在支撑胎架立杆间加焊支撑,保证胎架的稳定性和拼装安全。在支撑胎架组装完成,再次校核各支撑立杆是否已处于预设位置,将胎架整体牢固的约束在同一水平面上后,用全站仪进行再次校核、微调。确保胎架精度。

4 曲面板压制成型

4. 1 箱体侧板压制方法

侧板展开图为平行四边形,观察实体模型,侧板为视为“缠绕”在圆柱体外的“飘带”,围绕统一圆心及半径盘旋上升,因此,在设置好相关参数后,直接将下料后的钢板送入卷板机,即可完成侧板压制。4. 2 箱体顶板及底板压制方法箱体顶板及底板的展开图均为半径超过1 000 mm 的扇形,要加工出的实物为高标号( Q345B) 的异形( 扇形曲面) 厚板( 20 mm) ,多次利用卷板机压制时均出现不可控的偏移和打滑,完全不能精确控制压制高度。无法用卷制完成工作,只能转换思路,尝试用压制来继续进行。通过查阅资料得知,压制异形厚板在造船业运用较多,通常是搭建压制胎架,将下好料的钢板放置在胎架预定位置,用大吨位的液压机直接压制成型。制作厂缺乏大吨位的液压机,无法一次压制成型,且通过研究设计数据和三维模型得知,箱体顶板及底板的同一段成品中起始段及末端高度落差较大,直接压制也会导致钢板偏移较大。最终,探索出一种通过将异形曲面板投影在平面上,再测量各坐标点与投影平面的高差,再通过高差数据搭建压制模型,最后再分段压制的方法。1) 在Tekla 软件搭建的三维模型中,提取要压制的顶板或底板段,先利用其三个角点设置工作平面作为投影面,然后切换到投影面,标记出投影面上第四个角点的位置,投影面上四个点即为压制胎架的起始线及终末线。2) 把板上的各坐标点投影,测量、记录各坐标点与投影面的高差,作为压制胎架的参考数据。3) 按参考数据制作胎架,在胎架上固定好原料钢板,用液压机压制,并用火焰矫正减少反向变形,最终完成压制。5 箱梁整体制作安装5. 1 确定组装及分段方案受运输及安装场地条件限制,旋梯箱体需分段组装,整体为504°,需分为4 段。过程如下: 1) 对组成箱体的各板分段长度进行计算,确定每段成品箱体都形成分散错缝,减少应力集中; 2) 由于箱体空间扭曲度较大,为控制整体变型,采用先在拼装胎架上固定底板,然后在组装侧板,最后再安装顶板和盖板( 单独出厂的一小块顶板) 的方式进行组装。

5. 2 优化焊接控制整体形变

因为组成旋梯箱体的板材厚,且为外形空间扭曲面,焊接量大,难以估算残余应力,因此,需采用多种手段保证焊接质量,控制焊接变形,过程如下:

1) 预留变形余量,如,最内侧及最外侧的两块侧板围绕旋梯中心的理论半径分别为1 000 mm 及2 500 mm,在模型搭建及实际卷板压制时,将其实际半径加大3 mm,作为收缩补偿值。

2) 增强约束,按照组装顺序,确定先底板,再侧板,后顶板焊接顺序,而各板的焊接变形量不尽相同,故需增加相应支撑以保证板的相对位置与理论值一致,用夹具将底板固定在拼装胎架预设位置,然后在底板先点焊侧板,测量其相对位置满足要求后,在侧板间加焊板条支撑,再进行后续焊接。

5. 3 出厂前检验及校正在旋梯箱体组装完成后,先进行用电板加热后缓慢冷却的方式进行回火处理,最大程度消除残余应力。出厂前再对外观尺寸进行测量检查,并采用丙烷火焰法对与理论值偏差较大的位置进行校正。

5. 4 现场安装保证成品精度因为现场土建施工已经完成,大型机械无法进场,因此不能在现场组焊后整体吊装,为保证安装精度,只能现行在场地内先测后安装:

1) 以设计图为参照,以实际土建完成情况为依据,确定待安装螺旋体的安装圆心; 2) 按照既定的总旋角,旋向,结合旋梯顶部安装位置,推算出旋梯的起始安装位置; 3) 确认安装位置没有不利于安装的情况; 4) 从下往上安装旋梯主箱体,将旋梯箱体与预埋件连接,在梯段拼接位置,先焊接底板,然后焊接侧板,再将单独出厂的盖板与两侧板焊接,最后用塞焊将盖板与内部两块侧板焊接; 5) 检查旋梯主箱体的焊缝质量,校核外观尺寸,安装剩余踏步,完成旋梯现场安装。

6 结束语

在实际操作中,用Tekla 软件对非对称箱型断面旋转梯的深化有如下优势: 1) 可以一次性完成非对称截面螺旋箱体的三维建模及平面展开下料工作,经与CAD 模型交叉验证,Tekla 建模、平面展开精度高,足以满足业主对精度、外观质量的严格要求; 2) Tekla 三维模型可直接对旋梯各板分段建模,直观、精确的实现分段效果,并直接测量多道侧板与底板、顶板的拼缝位置距离,便于避开焊缝集中位置,有利于分散内应力; 3) 在顶板、底板高低位置落差大,缺乏大吨位液压机,不能卷制,也不能直接在按初始设计坐标直接压制的情况下,在Tekla 软件内直接投影至自设的参考面,再进行压制加工,既保证了加工精度,又无需依靠大吨位设备; 4) 为此类钢螺旋体深化及加工的难点提供了一个新的解决方案,对推进此类钢楼梯在现代建筑应用也有了一些帮助,降低了其深化、加工的门槛,使其有了更大的推广空间。

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