上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术资料.pdf

Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． ２ ０ １ ０（１ １） ，Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５，Ｎ ｏ ． １ ３ ９ 上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术 顾拥军 董庄勇 （ 浙江大地钢结构有限公司，杭州 ３ １ １ ２ １ ５） 摘 要： 世博轴阳光谷是由矩形截面杆件构成的单层网壳结构， 此种结构无论构件的制作还是安装难度都非常大， 因此在施工过程中应用了多种特殊机械设备和施工技术介绍了阳光谷施工过程中应用的关键技术 关键词： 网壳；节点；弯扭；测量 Ｋ Ｅ Ｙ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｏ Ｆ Ｓ Ｔ Ｅ Ｅ Ｌ Ｓ Ｔ Ｒ Ｕ Ｃ Ｔ Ｕ Ｒ Ｅ Ｃ Ｏ Ｎ Ｓ Ｔ Ｒ Ｕ Ｃ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｓ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ Ａ Ｉ Ｅ Ｘ Ｐ Ｏ Ｓ Ｕ Ｎ Ｖ Ａ Ｌ Ｌ Ｅ Ｙ Ｐ Ｒ Ｏ Ｊ Ｅ Ｃ Ｔ Ｇ ｕ Ｙ ｏ ｎ ｇ ｊ ｕ ｎ Ｄ ｏ ｎ ｇ Ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｙ ｏ ｎ ｇ （Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｄ ａ ｄ ｉ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ，Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ １ ２ １ ５，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） Ａ Ｂ Ｓ Ｔ Ｒ Ａ Ｃ Ｔ：Ｔ ｈ ｅ Ｅ ｘ ｐ ｏ Ｓ ｕ ｎ Ｖ ａ ｌ ｌ ｅ ｙ ｉ ｓ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ａ ｔ ｔ ｉ ｃ ｅ ｄ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｕ ｓ ｅ ｓ ｒ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｓ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｍ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ｓ ． Ａ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ｙ ｌ ｅ ｉ ｓ ｏ ｆ ｂ ｉ ｇ ｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ ｂ ｏ ｔ ｈ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｎ ｙ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｎ Ｖ ａ ｌ ｌ ｅ ｙ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． Ｋ Ｅ Ｙ ＷＯ Ｒ Ｄ Ｓ：ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ａ ｔ ｔ ｉ ｃ ｅ ｄ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ；ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ－ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ；ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ 第一作者： 顾拥军， 男，１ ９ ６ ７年出生， 工程师。

Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ：ｇ ｕ ｙ ｊ ３ ６ ９＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 收稿日期：２ ０ １ ０－０ ７－０ ７ １ 工程概况 ２ ０ １ ０年上海世博会世博轴上错落有致地分布 着６个特征标志性很强的阳光谷， 以满足地下空间 的自然采光， 阳光谷顶端与膜结构顶蓬相连， 是世博 轴的标志性建筑之一（ 图１） 阳光谷结构体系均为 三角形网格组成的单层网壳钢结构， 网壳单元由节 点和杆件组成， 每个单元面层铺设有三角形玻璃幕 墙 图１ 世博轴阳光谷效果 每个谷体型不一， 其中４号谷为旋转对称体， 其 余均为轴对称体每个阳光谷高度均为４ １ ． ５ｍ ， 谷 底部最大直径约２ ０ｍ， 顶部最大直径约９ ０ｍ ６个 谷总面积为３ １ ５ ０ ０ｍ ２， 共有杆件３ ０ ７ ３ ８根、 节点 １ ０ ３ ４ ８ 个， 杆件大多采用焊接箱型截面（ 部分为实心 矩形截面） ， 截面高度范围为１ ８ ０～５ ５ ０ｍｍ， 宽度为 ６ ０～１ ２ ０ｍｍ， 杆件长度为１ ． ０～３ ． ５ｍ； 节点大都为 多牛腿焊接箱体（ 部分为多牛腿实心铸钢件） ， 杆件 和节点材质为Ｑ ３ ４ ５－Ｂ ２ 工程特点和难点 ２ ． １ 制作特点和难点 节点采用弯扭牛腿型节点， 也就是方管汇交的 节点区由钢板焊接而成， 其中节点区的上翼缘板与 下翼缘板采用整体下料， 牛腿区段的上下翼缘板均 为弯扭板件， 从牛腿端口到节点核心区平滑过渡， 腹 板保持平面不弯扭。

图２为节点的牛腿编号示意 图２ 节点的牛腿编号 整个阳光谷没有一个节点的几何参数是相同 １５ 顾拥军， 等： 上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术 钢结构 ２ ０ １ ０年第１ １期第２ ５卷总第１ ３ ９期 的， 如何精确地制作出１万多个各不相同的节点是 阳光谷钢结构制造中最难的部分 ２ ． ２ 安装特点和难点 阳光谷为不规则的单层网壳空间结构， 且上半 部分为大悬挑结构， 平面外刚度相对较弱， 同时杆件 与节点的对接全部为全熔透一级焊缝， 这对现场测 量定位、 整体结构稳定、 现场焊接变形的控制要求很 高； 在焊接完成后如何从由支撑承载为主过渡到完 全由自身结构承载也是一大难点 ３ 制作关键技术应用 阳光谷钢结构制作中各个节点是核心部件， 工 艺最为复杂， 难度也最大节点的整个加工工艺可 大致分为２ ８道工序（ 图３） ， 其中翼板数控弯扭成型、 回火去应力处理、 四维数控端铣、 三维坐标仪测量等 ４道工艺是常规钢结构加工行业内很少应用且科技 含量非常高的技术工艺， 这些工艺也是阳光谷节点 加工的关键技术尤其是数控弯扭成型、 四维数控 端铣这两道工艺是专门针对本工程研制开发的， 三 维坐标仪测量在常规建筑钢结构行业内也鲜有应 用。

节点制作难点及针对的关键技术归纳如下： １）如何高效率实现节点牛腿上下翼板的精确 弯扭— — —采用数控弯扭机加工关键技术； ２）如何消除节点中大量焊缝产生的残余应 力— — —采用回火炉消应力关键技术； 图３ 制作工艺流程 ２５ 施工技术 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． ２ ０ １ ０（１ １） ，Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５，Ｎ ｏ ． １ ３ ９ ３）如何保证牛腿的长度和端面的角度与设计 要求相符— — —采用四维数控端面铣切关键技术； ４）如何检测成品节点每个牛腿几何参数与设 计要求相符— — —采用三维坐标仪测量关键技术 ３ ． １ 翼板数控弯扭机加工关键技术 此道工艺是节点制造最富创新的技术之一， 整 套工艺和相关机械设备完全是根据阳光谷节点研制 开发的， 特别是其中的数控钢板弯扭机在国内属首 创下面详述其具体技术工艺 ３ ． １ ． １ 弯扭前准备 １） 根据下料前数控切割机所标识的中心点及定 位孔坐标， 划钻定位孔 ２） 在翼缘板定位工作台上， 以上、 下翼缘板的定 位孔（ 定位孔误差不大于０ ． ５ｍｍ） 为基准， 用Ｕ型 对位装置， 对牛腿上、 下翼缘板进行定位， 并组装中 心加强板。

翼板与隔板组焊后如图４所示 图４ 翼板隔板组焊 ３） 中心加强板与上、 下翼缘板焊接固定后， 要以 上翼缘板的上平面为基准面测量各端面与上翼缘板 的相关尺寸以及上、 下翼缘板的等高度（ 等高度误差 不大于０ ． ５ｍｍ） ４） 尺寸控制要求： 中心加强板与上、 下翼缘板的 垂直 误 差 不 大 于 １ °，中 心 定 位 孔 误 差 不 大 于 ０ ． ５ｍｍ， 等高度误差不大于０ ． ５ｍｍ ３ ． １ ． ２ 弯扭工艺 １） 弯扭的核心设备为专门针对本工程研发的数 控钢板弯扭机 ２） 调整数控扭弯机夹头的中心位置， 并测量校 正扭曲机横梁两侧与工作平面的零点位置， 要求扭 曲机横梁两侧实测误差不大于０ ． ０ ５ｍｍ ３） 将上、 下翼缘板对位工件与数控翼缘板扭曲 夹持台夹紧， 用直角尺调正Ｕ型工作台使上下翼缘 板对位工件垂直， 锁紧工件 ４） 移动工件夹具， 使上翼缘板１号牛腿翼缘板 插进弯扭夹头内１ ０ｍｍ调整好左右夹持块以及 上下夹持块， 使其位于居中位置控制翼缘板的扭 曲横梁的垂直度， 继而夹紧夹持头， 数控将记录上下 调整后的数据， 以便计算机自动给予补偿 ５） 点燃氧气－乙炔烘枪， 对需扭弯的牛腿在翼 缘板根部上、 下表面３ ０～５ ０ｍｍ 范围进行同步加 热， 加热温度要控制在７ ０ ０～８ ０ ０ ℃， 整个加热区呈 均匀的暗红色时， 方可启动数控扭曲机进行扭曲加 工， 如图５－图７所示。

图５ 烘枪弯扭部位加热 图６ 弯扭中的部件 图７ 弯扭好的部件 ６） 开启数控扭弯机控制器， 让扭弯机对１号牛 腿翼缘板进行自动扭弯扭曲成型２ｍ ｉ ｎ后方可松 开夹紧工具 ７） 扭曲后的尺寸控制要求： 翼缘板分度角为 ±０ ． ５ °、 俯仰角为±１ ． ５ °、 扭转角为±１ ． ５ °、 高度为 ±１ｍｍ、 宽度为±１ｍｍ ３ ． ２ 节点回火炉消应力关键技术 由于节点内外焊缝较多， 且比较集中， 焊后残余 应力的消除也将作为一个关键工序采用回火来消 除焊后残余应力， 回火采用加热炉形式 回火工艺： ５ ０ ０℃为４ｈ ， 保温１ｈ ； ６ ５ ０℃为３ｈ， ３５ 顾拥军， 等： 上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术 钢结构 ２ ０ １ ０年第１ １期第２ ５卷总第１ ３ ９期 保温１ ． ５ｈ；７ ０ ０℃为２ｈ， 保温１ ５ｈ， 再炉冷温度 控制曲线如图８所示 图８ 温度控制曲线 ３ ． ３ 四维数控端面铣切关键技术 此道工艺是节点制作最为精密的一道工序， 端 面精加工的精度直接关系到节点牛腿端面的角度参 数和牛腿的长度， 整套工艺和相关机械设备也完全 是根据阳光谷节点研制开发的， 如图９所示。

图９ 四维数控端面铣床 具体技术工艺如下： １） 对已焊接好的节点进行检测， 检测时将节点 放置于工作平台上的测量夹具上， 用千斤顶调整好 上翼缘的基准， 分别对各个牛腿的控制点进行检测 ２） 将测量结果与图纸提供的牛腿铣削前的坐标 值进行比较， 以判定该节点是否合格并用划针划 出控制点的加工线 ３） 在检测合格后， 上四轴数控端面铣床进行铣 削加工， 如图１ ０所示 图１ ０ 端铣后的节点 ４） 铣削后的质量控制要求： 分度角为±０ ． ５ ° ， 俯 仰角为±０ ． ５ °， 长度为±０ ． ５ｍｍ ３ ． ４ 三维坐标仪测量 采用了三维坐标测量仪， 对节点做最后的精确 测量， 以确定弯扭后上下翼板的几何参数、 端铣前后 节点几何参数、 精度是否符合设计要求， 如图１ １、 图 １ ２所示仪器测量精度为Ｅ＝（１ ． ５～２ ． ８）＋３ ． ０Ｌ／ １ ０ ０ ０，Ｌ单位为ｍｍ，Ｅ单位为μｍ 图１ １ 弯扭件三坐标测量 图１ ２ 端铣后节点三坐标测量 具体测量步骤如下： １） 三维坐标测量仪对节点精确测量必须在洁净 无尘的室内进行， 测量室室温在（ ２ ０±２）℃ ２） 清洁节点表面和三维坐标测量仪工作台表 面， 安装夹具， 检查三维坐标测量仪的工作电压及气 压状态是否正常。

３） 将被测量节点的定位孔对准安装夹具定位销 轴， 安装至夹具上， 下方用３个支撑千斤顶支撑 ４） 按测量要求对各牛腿的控制点一一测量， 最 后用专用软件来处理数据， 以确定被测量节点的几 何精度 ４ 安装关键技术应用 阳光谷安装工艺主要简分为９道工序（ 如图１ ３ 所示） ， 其中脚手架支撑系统。