北京大兴国际机场南航机库大门桁架复杂节点的深化、制造及质量控制技术

严擒龙 苏海森 胡海国 张荣荣 渠 晶

江苏沪宁钢机股份有限公司北京分公司 北京 100024

随着钢结构技术的发展，大跨桁架在空间结构中的应用越来越广泛，而此类桁架在施工过程大多具有节点形式复杂、材质性能高、超厚板焊接、定位精度要求高等技术难题。以往也有不少文章专门针对其中的高性能超厚板焊接技术[1]或数字模拟预拼装技术[2]进行研究讨论，而工程中为将设计蓝图转化为空间构件，实际是一个全过程的技术控制。

本文结合北京大兴国际机场南航1号机库项目中的大门桁架施工，对桁架复杂节点的深化设计、工厂焊接以及构件加工后数字模拟预拼装等关键技术，进行全过程阐述和分析。

1 结构概况

北京大兴国际机场南航1号机库作为目前国内最大跨度的机库，平面尺寸达405 m 100 m，设计师创新采用了由平面“W”形斜桁架、大门桁架与四角锥网架构成的组合结构体系，大幅提升了结构效率，降低了屋盖结构总用钢量。其中，东侧结构沿大门开口边设置的大门桁架作为整个屋盖最关键的支撑结构，最大跨度405 m，中间设有1个中柱，两侧跨度分别为222、183 m（图1）。

图1 机库钢结构示意

2 大门桁架特点分析

大门桁架采用箱形格构式双层平面桁架，总高度11.5 m，宽6.0 m。平面桁架分上、中、下弦，其中上弦中心标高38.5 m，下弦中心标高27.0 m，上下弦均为箱形截面，中弦及腹杆采用H形截面。2片平面桁架之间采用圆管腹杆连接，形成箱形格构桁架（图2）。

图2 大门桁架示意

1）作为屋盖的主要支撑体系，各方向杆件交会密集，节点复杂且受力大。因此，如何在深化过程中合理地优化节点，既保证桁架节点的受力安全，又能让工厂焊接得以实现，是首要条件。

2）上、下弦杆箱形截面主要采用□8 0 0 m m 800 mm，最大板厚100 mm，同时根据设计要求，厚40 mm以上钢板均采用Q420高性能钢材。如何严格控制高性能超厚板的焊接质量，最终保证所生产构件的质量是工程的重中之重。

3）大门桁架高度为11.5 m，跨度更是达到了405 m（222 m＋183 m），由于构件的运输限制，必须将桁架拆分成单根散件，现场地面组拼成整榀桁架后再提升。因此，控制构件节点的加工精度显得尤为重要。

3 桁架节点的深化设计

3.1 深化设计总体思路

深化设计不仅仅是将原设计图纸转化为施工零件详图，其更大的意义在于通过深化设计过程，对结构的整体安全性和重要节点的受力进行验算，确保所有的杆件和节点满足设计要求，并对杆件和节点进行构造的施工优化，使杆件和节点在实际的加工制作和安装过程中能够变得更加合理。

为此，我们采用钢结构专业BIM软件进行三维空间模型放样，结合各杆件的受力特点以及工厂的加工条件，对各杆件的连接方式、加劲板的设置进行综合考虑，并且根据节点的特性，模拟节点的组装顺序，制定各焊缝的质量等级。最后，利用Ansys分析软件进行受力分析，保证节点的可靠性。

3.2 三维模型分析及优化

通过建立BIM三维空间模型，能够直观地看到支座处节点杆件交会复杂，焊缝重叠严重（图3）。12根杆件交于一处，且各方向杆件截面样式不同，板厚种类多，其中支座底板厚120 mm。

对BIM模型相交关系进行分析，结合设计意图，确定首要保证主杆件传力，因此，下弦节点板采用厚100 mm（Q420B-Z35）整板。

对于中间和平面3根箱形斜腹杆，由于其板厚与主弦杆相差较大，故为避免浪费，将3根平面内箱形腹杆单独合并为厚60 mm（Q420B-Z25）整板（图4）。其余面外斜腹杆，与支座肋板相结合，采用厚85 mm（Q420B-Z25）插板（图5），既能保证底板的整体刚度，也能良好地传递杆件受力；而对于截面受力较大的斜腹杆，在节点区进行根部放大，形成喇叭口形截面，实现强节点的设计理念，并且插板也将各斜交杆件彼此分开，减少焊缝重叠，以保证工厂焊接条件。

图3 门头中柱处桁架下弦支座节点

图4 主受力杆件节点板合并

最后，为加强支座节点底板整体刚度，将各插板间采用厚80 mm加劲板连接成箱形，并对内凹不规则空间采用薄钢板封堵，避免油漆喷涂死角（图6）。

图5 支座肋板与杆件插板结合

图6 增加插板加劲肋

3.3 节点有限元计算分析

为保证节点受力安全，对节点进行计算分析。通过Ansys软件进行数值计算分析，节点实体单元采用solid 95，采用mpc184单元进行截面耦合，从而施加荷载。有限元计算模型及网格划分如图7所示。计算时，从原计算模型中提取各个杆件对应截断位置的实际内力，并采用平衡力系施加于有限元模型中。

通过计算可知，在最不利荷载组合作用下，节点大部分应力范围处于弹性状态（图8）。最大等效应力发生于节点连接角点处，为435 MPa，该值小于钢节点的极限抗拉强度，且成点状，故可认为该节点是安全的。

图7 节点计算网格划分

图8 节点计算应力云图

对于各种其他类型复杂节点，在实际深化过程中，均须按照上述的模式进行BIM三维建模、节点优化设计、计算复核后，方可生成相应的深化图，以实现节点制造前的深化设计。

4 桁架节点的加工制造

尽管深化时已优化焊接空间、坡口尺寸、焊接类型等问题，但实际桁架复杂节点的加工难度依然很大，高性能超厚板种类多，且焊接量大。

因此，在加工制造前，认真分析了每个节点在焊接方面的特点，精准地为每一类型复杂节点制定加工工序，编写工艺方案、进行工装设计，从而为加工制造提供全面的技术保障。

4.1 节点图拆分下料

以支座节点为例进行分析，支座节点的整体外形尺寸为4 075 mm 3 187 mm 2 620 mm，净质量为40 t，共有12个对接口。厚度有120 mm（底板）、100 mm（箱体）、85 mm（插板）、80 mm（加劲板）、70 mm（内隔板）、60 mm（牛腿）、10 mm（密封板）等。

零件拆分后按不同板厚进行钢板排版，在车间对钢板进行整平、除锈等预处理工作，所有零件板均采用数控排版、切割，柱底板定位螺栓孔采用大型数控机床进行精确钻孔。

4.2 节点的组装、焊接工序

单个支座节点质量较大（40 t），为保证组装测量的精度，整体组装胎架必须有很强的刚性，且对定位胎架模板必须采用机加工刨平处理。

节点组装时，应该按照制定的顺序依次将各板件吊上胎架平台进行定位，以定位中心线为基准，将各板件中心线对齐定位基准线，同时控制垂直度，测量复核后再进行定位焊接。

支座节点组装顺序依次为：节点底板、主箱体、竖向插板、斜撑圆管、构件加劲板、封板（图9～图12）。

图9 箱形主体定位

图10 主体焊缝焊接

图11 斜撑圆管定位

图12 斜撑圆管焊接

4.3 厚板焊接及质量控制

桁架节点厚板较多，节点区大部分为Q420B高性能板材，加劲板多且板厚各异，焊接应力立体交叉，互相影响，从而使得构件焊后残余应力大，极易造成焊缝裂纹及层状撕裂[3]。同时，由于焊缝各方向收缩变形不同，故引起节点综合变形大。针对以上这些问题，需做好如下相应措施。

1）制作组装焊接水平胎架，为防止在焊接时产生过大的角变形，可设置夹具约束变形。

2）预放焊接收缩变形余量，以确保构件的外形尺寸。

3）在满足设计要求的前提下，采用较小的坡口角度和间隙，减小焊缝截面积及母材厚度方向承受的拉应力。T形接头中采用对称坡口，使焊缝收缩产生的拉应力与板厚方向成同一个角度，尤其在焊接超厚板时，侧板坡口面角度应超过板厚中心，可减小层状撕裂倾向。

4）做好焊前预热及焊后保温工作，采用小电流多层多道焊，务必做到双数焊工对称焊接。

选择合理的焊接工艺、焊接材料及焊接顺序，通过制定专门的方案措施，严格控制组装、焊接过程，从而有效地控制节点厚板焊接残余应力及变形，避免焊缝裂纹及钢板层状撕裂的发生，确保每一个复杂节点的焊缝质量，进而保证整体工程的焊接质量。

5 桁架数字模拟预拼装

各节点构件在车间生产完成后，桁架形体巨大，整榀桁架接口数量非常多。为避免现场实际安装时，由于单构件接口偏差或多构件累积误差造成桁架难以拼装的现象，构件在工厂加工完成后，均须进行数字模拟预拼装，以确保现场构件组拼的顺利进行。

5.1 数字预拼装单元划分

大门桁架主要由东西两片双层平面桁架及中间圆管斜腹杆组成，影响现场拼装的端口精度主要是平面桁架中的多端口复杂节点。因此，将大门桁架分为东西两片进行独立分析，西侧Q轴线对应桁架为QHJ，东侧R轴线对应单片桁架为RHJ（图13）。

串口通信用于用户操作软件与控制箱内Arduino板之间的数据通信。串口通信设计包括串口通信协议、串口自动识别、串口定时发送和串口即时读取。

5.2 制作及拼装基准的设置原则

为便于构件后期数字模拟预拼，在构件加工时，预先在高度方向以桁架各层弦杆中心线为基准，宽度方向以桁架本身理论中心线为基准，厚度方向以杆件宽度方向中心线为基准，并对各节点端口进行编号。

5.3 数字模拟预拼装方法

根据不同的结构形式选择不同的数字模拟预拼装方案，既能保证拼装精度又能提高工作效率。结合桁架的结构形式，拟采用平面实况数字模拟拼装进行整体的模拟施工（即将相邻2个构件按照实测数据标示，然后按照统一的基准进行一对一电脑拼接），对弦杆、腹杆等的自由边间隙、板边差及错边等进行一对一的模拟。

5.3.1 构件外形检测及数据采集

数字模拟预拼装主要比对以下数据：

1）上、中、下弦杆和腹杆等单平面构件与牛腿接口间的板边差、错边以及间隙：采用地样法和全站仪，测量端口的几何尺寸及其相对构件基准线的定位尺寸。

2）拼装单元的对角线误差：采用地样法和水平仪进行定位，获取构件的几何尺寸，然后在电脑中将各构件按照既定的基准线模拟后与理论构件进行对比。

3）对形体复杂、端部接口方向多的复杂节点，如中柱支座节点，可采用三维激光扫描仪进行扫描后数据处理，得出构件实际外形尺寸。

图13 大门桁架RHJ、QHJ

图14 单构件斜腹杆测量中心基准线

5.3.2 模拟预拼装数据输入

以桁架下层中间支座节点底板中心为坐标原点，桁架长度方向为x轴，桁架高度方向为y轴，厚度方向为z轴，建立三维坐标系（图15）。

图15 三维坐标系设置示意

端口间隙由弦杆节点中心线与节点中心线固定值之间的偏差确定。高度方向以桁架中层弦杆中心线为基准确定偏差。z方向以桁架厚度中心线为基准确定偏差。用三维坐标系把端口坐标转化到桁架平面内，形成平面内间隙值偏差并和剖面视图的错边及板边差进行比对。

5.3.3 数字模拟预拼装结果

将单根构件的验收实测数据导进整体坐标系后，得出节点对接端口在整体桁架中的模拟坐标数据。综合本次对大门桁架Q轴线整榀桁架构件617个端口、4 936个定位点进行电脑数字模拟，所有构件制作精度均满足设计、相关规范的要求。

6 结语

对于钢结构工程而言，构件的质量、精度保证需要全过程的控制。

本工程充分运用深化设计资源，优化节点，解决了多截面类型杆件相交节点焊缝叠加问题；加工时，通过节点分步拆分模拟组装、专项厚板焊接工艺，有效降低了节点内应力，减小变形，避免层状撕裂，保证了节点的质量；而数字模拟预拼装，解决了超大截面、超大跨度桁架工厂拼装周期长、场地受限的难题，同时有效地验证了杆件的加工精度。

最终构件运输至施工现场后，质量全部合格。构件的高精度也使桁架的拼装速度大幅提升，在节省实物预拼装费用的同时，也缩短了整个工程的工期，创造了良好的经济效益。

一个工程的完美呈现，需要各单位、各部门、各环节的通力合作，从构件深化到加工、预拼装，任何环节出现问题，都会对最终结构造成影响，实际工程中往往更多地关注工厂厚板焊接，而忽略了前期深化设计优化的重要性。对于数字模拟预拼装技术，近些年运用得越来越广泛，也提出了更多的方法[4-6]，并逐渐趋于成熟；该技术使得构件最终精度满足现场安装需求，对工程工期及质量的保证起到了关键作用。

通过对北京大兴国际机场南航1号机库大门桁架复杂节点的分析研究，结合工厂加工制造的困难及关键点，从深化设计—加工制造—数字预拼装进行了全过程的阐述，可为后续工程提供借鉴。