周胜军 史伟 董涛
中建八局钢结构工程公司 上海 200120
摘要：多管交汇空间铸钢节点结构体系制作与安装施工
关键词：铸钢件；焊接变形矫正；三维激光扫描仪
Research on the Production and Construction Technology of
Steel Castings in the Sports Center of Bengbu City
Zhou Shengjun Shi Wei Dong Tao
（Construction of eight steel structure engineering company，Shang Hai，200120）
Abstract：Production and Installation of Cast - in - place Joint Structure
of Multi - pipe Interchange
Key words：Steel castings；Welding deformation correction；3D laser scanner
1 工程概况及特点
1.1 工程概述
蚌埠市体育中心工程是安徽省第十四届省运会主场馆工程，总建筑面积约为14万平方米。建设方案中融入了“龙”的元素，体现“龙行天下 龙腾戏珠”设计理念。
体育场钢罩棚框架柱为钢骨混凝土柱。罩棚为大悬挑实腹型钢梁、三向多点支撑的圆管支撑的钢结构体系。体育场罩棚主要由径向主梁、环向联系梁和下部支撑杆件组成，径向主梁通过下部支撑杆与看台外侧钢骨混凝土柱连接，最大悬挑长度达27米。
1.2 结构体系特点及难点
（1）由于钢罩棚造型复杂，在支撑节点位置的铸钢件包含多个支管，节点是一个复杂的三维体，每个铸钢节点的安装精度都直接影响到与之相连的若干个管件，安装过程中须控制累计误差并及时进行铸钢件之间相对位置的协调和修正，制作安装和测量控制难度大。
（2）铸钢件上最多有6根Φ800圆管相交，制作过程中的空间定位困难。
（3）焊接变形大矫正难：钢梁通过铸钢件与联系圆管焊接，焊接变形大，矫正困难；
（4）焊接难：铸钢节点需要与相连的管件组对并等强焊接，焊缝大多为高空全位置焊接，且连接圆管均为Φ800圆管，且最大壁厚为50mm，焊接的质量控制是控制的重点。
典型铸钢节点三维模型：
2 复杂铸钢的制作
2.1 复杂空间结构铸钢件图纸深化
体育场空间定位复杂，铸钢节点数量多，为保证铸钢件图纸的准确性，在钢结构深化过程中，采用TEKLA公司开发钢结构BIM软件Tekla Structures，将钢结构构件进行深化，同时在模型中将铸钢件的轮廓建出来，深化精度达到0.1mm。通过将模型中的轮廓导出成为CAD三维模型，交予铸钢件深化设计单位进行下一步的深化，深化完成后再将深化好的模型导入到Tekla模型中，复核模型是否吻合，复核完成后交予厂家进行铸钢件生产。
2.2 克服多钢管交汇技术难度的节点制作施工
2.2.1钢罩棚节点深化设计将相贯交汇优化为铸钢节点
（1）钢罩棚钢梁与联系圆管连接节点最多为6根大直径厚壁钢管交汇，相贯焊接成型困难和质量不容易保证，经多次比较，并组织专家进行论证，此类型采用铸钢节点。
（2）通过三维CAD及TEKLA模型的数次“建模→校核→修改”的过程，保证钢构件图纸与铸钢件图纸的完全符合。
2.2.2改进铸钢件制作工艺保证铸钢节点质量
1、模型制作要点
（1）在CAD建模及TEKLA模型比对并取得相关参数后，制作铸钢件节点模型。
（2）采用干燥的红松制作整体实样，支管采用抽芯模结构，装配时先将尺寸线按角度或用样板将具体位置确定，通过测量弦长调整到位后固定。
（3）木模制作过程中，全部几何尺寸、拔模斜度等，必须按图检验做好记录，并经质检员、工艺员对实物复核、签字后方可投产。
2、浇筑要点
（1）采用底注式浇注系统，直浇道、横浇道、内浇道采用耐火砖管。型腔表面涂锆英粉涂料二遍，用煤油喷枪辅助烘干，以获得较高的外表质量。
（2）为减少铸件收缩阻力，降低铸造应力，防止裂纹的产生，在砂芯中间放草绳等退让性材料，提高退让性。
3、热处理工艺
（1）为提高和改善材料的力学性能，铸件进行正火热处理，以均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒。
（2）经加工和热处理后，铸钢件节点材料特性。
本工程的铸钢节点采用的材料是参照德国规范DIN7182中的铸钢材料G20Mn5N，与其连接的钢管是定量加工的Q345B直缝钢管，铸钢节点壁厚最大达100mm，钢管材料规格为：Φ219，最大壁厚为50mm。铸钢节点材料的化学成分见表一，经设计认定符合要求。
2.3 利用三维激光扫描仪对铸钢件进行尺寸复核
通过三维激光扫描仪在工厂对铸钢件外形尺寸进行扫描，扫描行程的数据转化成点云模型后与标准模型进行对比，得出误差数据，对不合格品进行矫正，避免不合格产品出厂。
图一大梁铸钢件外业扫描图图二大梁铸钢件对比分析图
3 铸钢件现场安装及焊接
3.1 克服拼装技术难点的主要措施
3.1.1拼装定位
体育场罩棚平均每榀钢梁上均有2~3个铸钢件，在地面拼装过程中为保证铸钢件各管口空间位置准确，利用两块扁铁在管口出标识出管口中心线，在正交方向上设置线锤对准地面上的轴网控制线，确保拼装过程中铸钢件定位精准。
3.1.2整根钢梁拼装精度校核
为保证钢梁及铸钢件拼装精度，在完成地面预拼装，尚未进行组焊之前，采用三维激光扫面议对拼装完成构件进行校核。
误差在允许范围之内才能进行下一步的焊接工作，误差过大需根据对比分析结果找出原因，及时进行调整，焊接完成之后进行复测，误差在允许范围内才可进行吊装。
3.2 保证铸钢节点与管件组对等强焊接措施
3.2.1组对等强焊接概况和材料要点
（1）材质：铸钢件材质为G20Mn5N，最大壁厚100mm；钢管材质为Q345B，最大壁厚50mm。
图四弧形大梁拼装对比分析图
（2）焊口形式与数量：焊缝坡口形式为戴内衬管单边坡口，共6个焊口，4个管径800mm，最大壁厚50mm；2个管径400mm，壁厚18mm。
（3）焊接方法：采用手工电弧焊接和二氧化碳保护焊。
（4）焊接材料：本次焊接使用的焊材为E5015Φ3.2~Φ4.0焊条，焊条在高温烘干箱中烘干焊接前烘培至300℃~350℃；焊条烘干次数不得超过两次。E5015熔敷金属化学成分见表二：，其化学成分均与铸钢件化学成分适用。
3.2.2组对等强焊接措施
（1）铸钢节点焊前预热
热源采用氧—乙炔中性火焰，预热范围沿焊缝中心两侧各100mm以内进行全方位均匀加热，当预热温度、范围达到预定值后，恒温20~30分钟，温度测试离坡口80~100mm处进行，采用红外线测温仪感应测温。
预热温度：铸钢件控制在230℃左右；22mm壁厚钢管控制在200℃度左右。
（2）根部（封底）焊接
由于本工程使用的铸钢件接头处带有与铸件连为一体的管内垫板，故根部焊接只需注意垫板与无缝钢管的坡口部分的熔合，并确保焊肉介于3.0~3.5mm之间即可。
4 工程体会
（1）铸钢节点结构形式复杂，在图纸和节点深化过程中，采用钢结构BIM软件TEKLA，将三维空间结构清晰、完整的表达出来，这是铸钢件图纸进一步深化的前提。
（2）在接受工程项目后从制作到安装的设想均经过技术部门详细的技术方案论证，结合公路运输和现场安装条件等因素，将复杂的空间结构成功地完成制作和安装；
（3）通过制定“铸钢节点焊接工艺”，指导焊接工作，使铸钢件与钢管两个不同材质管状材料的全位置焊缝，经第三方超声波检测合格率100%；
（4）通过努力，体育场157件铸钢件在现场组装工程中均未发现较大的尺寸偏差，保证了工程的施工进度及施工质量。
参考文献
[1]GB-T 7659-2010 焊接结构用铸钢件；
[2]JGJ 81—2002建筑钢结构焊接技术规程[S]
[3]胡冰，胡宏业，张璐.大型铸钢节点与无缝钢管焊接技术[J]。钢结构，2009（10）：68-72
[4]CECS 235：2008 铸钢节点应用技术规程
论文作者:周胜军,史伟,董涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/19
标签：节点论文; 铸钢件论文; 罩棚论文; 模型论文; 圆管论文; 钢结构论文; 钢梁论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;