關(guān)于上海中國航海博物館工程

 關(guān)于上海中國航海博物館工程

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；弧形彎管；模具；鑄鋼件；技術(shù)創(chuàng)新

　　1 工程概況

　　中國航海博物館中央帆體工程位于上海臨港新城滴水湖西側(cè)，該建筑由德國JNP設(shè)計(jì)顧問公司與上�，F(xiàn)代設(shè)計(jì)集團(tuán)聯(lián)合設(shè)計(jì)，建筑彎曲風(fēng)帆為鋼結(jié)構(gòu)，總噸位約為3200多噸，帆體最高點(diǎn)標(biāo)高為58米，每個(gè)曲面風(fēng)帆的底部?jī)芍�點(diǎn)間間距約70米，兩張風(fēng)帆的交叉點(diǎn)及立面最高點(diǎn)離地約40米，鋼結(jié)構(gòu)為雙曲管桁架結(jié)構(gòu)。工程如下圖1、2所示：

　　2 中央帆體工程鋼結(jié)構(gòu)彎管加工工藝技術(shù)創(chuàng)新

　�。�1）中央帆體工程鋼結(jié)構(gòu)為雙面彎曲的三鉸拱、邊緣桁架、主、次桁架組合成的空間結(jié)構(gòu)。

　�。�2）三鉸拱、邊緣桁架厚壁鋼管為不規(guī)則S形雙曲線并在中間部位帶有折拱，故桁架主弦桿鋼管的彎曲加工且需保證三維空間尺寸是本工程的一大難題。

　　2.1通常網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的鋼管管徑小、壁厚薄，弧形彎曲乃單向彎曲（單個(gè)平面內(nèi)的弧形彎曲），用常規(guī)的液壓彎管機(jī)或高頻電加熱彎管機(jī)彎制就可以。中國航海博物館中央帆體管桁架：三鉸拱、邊緣桁架上下弦需彎曲的鋼管（規(guī)格：Φ530*22、Φ630*30、Φ400*22）管徑大、管壁厚、曲率半徑大，且都是雙向彎曲并部分鋼管在雙曲線的基礎(chǔ)上帶有折拱，彎管工藝必須技術(shù)創(chuàng)新，必須定制特殊工藝及工裝確保彎管的空間三維尺寸，以保證帆體安裝的外觀線型，我司針對(duì)本工程的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)人員反復(fù)研究探討，進(jìn)行技術(shù)革新，采取重型壓機(jī)，制定特殊彎管模具，先用液壓彎管機(jī)先平面冷彎成形再用大型油壓機(jī)彎制另一平面曲線、最后用折彎模具配合加熱進(jìn)行空間折彎。

　　2.2壓模的制作

　　首先根據(jù)每根弦管的曲率制作成型加工樣板（折彎模具采用鑄鋼澆注）。然后進(jìn)行壓模的制作及機(jī)加工模具曲面。

　　2.3鋼管的彎制

　　在彎制鋼管時(shí)，配備預(yù)先制作的各種規(guī)格尺寸的專用彎曲鋼模，不但可在彎曲過程中嚴(yán)格控制彎曲半徑和鋼管壁厚減薄量，彎曲鋼模還可最大限度地減少鋼管彎曲時(shí)受力部位的變形，特別是針對(duì)本工程邊緣桁架（BHJ17Φ530*22）雙向彎曲并反折拱的主弦桿的彎制。

　　考慮到彎管的曲率、管徑，采用2000T油壓機(jī)和液壓彎管機(jī)配合使用進(jìn)行彎管的加工制作。參見下圖3、4：

　　2.4弧線控制

　　彎管時(shí)首先在直管上作好彎曲點(diǎn)的開擋尺寸標(biāo)記，開檔尺寸控制在500mm左右，然后按以上彎曲點(diǎn)進(jìn)行徐徐彎制，同時(shí)用加工成型樣板邊加工邊檢查，直至達(dá)到彎曲要求，加工過程中，鋼管的回彈率將由實(shí)驗(yàn)確定，然后依此回彈率確定上圖中的R值。

　　對(duì)于主桁架上下弦桿的彎曲，由于其彎曲半徑大，在相當(dāng)長的范圍內(nèi)近似于直線，所以可采用油壓機(jī)直接進(jìn)行壓制，根據(jù)鋼管的大小配置相應(yīng)的上下壓模，同液壓彎管機(jī)彎管要求相同進(jìn)行加工成型。

　　2.5鋼管彎曲成型后的測(cè)量檢查

　　鋼管彎曲成型后必須進(jìn)行弧形彎曲加工精度檢測(cè)，其檢測(cè)方法為：利用彎曲成型胎架和圓弧樣板進(jìn)行檢測(cè)，用圓弧樣板對(duì)彎曲半徑進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)超差處必須進(jìn)行修正。

　　鋼管彎曲檢測(cè)內(nèi)容 允許偏差

　　鋼管表面不平度 ≯2mm

　　鋼管彎曲后端面橢圓度 ≯3mm

　　鋼管與檢驗(yàn)樣板間隙尺寸 ≯2mm

　　3邊桁架與三鉸拱相交處相貫線的三維切割技術(shù)創(chuàng)新

　�。�1）本工程因帆體大彎曲球面造成邊桁架與三鉸拱相交處鋼管相貫線夾角很小為10度（一般小于30度角度的相貫線就很難切割）如下圖5所示：

　�。�2）本公司采用計(jì)算機(jī)放樣技術(shù)，針對(duì)本工程這種極小相貫線夾角情況，對(duì)某些鋼管切割程序重新編程，在程序中加入切割時(shí)需要的各種補(bǔ)償余量。采用目前最先進(jìn)的柒維相貫線切割機(jī)進(jìn)行本工程鋼管的切割，如下圖6所示：

　　4A、B支座、C節(jié)點(diǎn)超大不銹鋼關(guān)節(jié)球面軸承加工技術(shù)創(chuàng)新

　　本工程靠四個(gè)A、B支座及空中C節(jié)點(diǎn)形成支撐體系，支撐整個(gè)帆體結(jié)構(gòu)包括屋面、幕墻重量，因此各個(gè)支點(diǎn)分擔(dān)的荷載很大，特別是四個(gè)A、B斜支座，每個(gè)支座分擔(dān)的斜向剪力荷載經(jīng)計(jì)算達(dá)到8000噸之巨，故A、B支座零部件加工制作的質(zhì)量及精度非常高，A、B支座由鋼支座、鑄鋼件及連接不銹鋼關(guān)節(jié)軸承組成，其中關(guān)節(jié)軸采用關(guān)節(jié)推力球面軸承為國內(nèi)首創(chuàng)（以前國內(nèi)建筑沒有采用此種軸承的），為補(bǔ)償因風(fēng)載、熱脹冷縮引起的變化，關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)成內(nèi)外球面接觸且內(nèi)外球面間相互轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于8度的結(jié)構(gòu)形式，軸承材質(zhì)為不銹鋼（4Cr13）,內(nèi)外殼球面接觸面積需達(dá)到70％以上，對(duì)球面機(jī)加工及球面研磨是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。且加工過程中又需采取特殊的熱處理工藝保證其力學(xué)性能。其加工公差應(yīng)滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求，軸承廠家經(jīng)與設(shè)計(jì)院、同濟(jì)大學(xué)反復(fù)研究、試驗(yàn)，技術(shù)創(chuàng)新不斷改進(jìn)機(jī)加工工藝，最終達(dá)到設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的要求。

　　5 鑄鋼件加工技術(shù)創(chuàng)新

　　本工程鑄鋼件共6件，鑄鋼件A重23.2t，鑄鋼件B重26.3t，鑄鋼件C重18.6t，如此大噸位、大面積、造型獨(dú)特的鑄鋼件的加工制作無先例可鑒，木模不好制作、澆注口位置難以設(shè)置。且鑄鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)需加工安裝關(guān)節(jié)軸承的軸承座孔，要求鑄鋼件的硬度、精度及表面光潔度達(dá)到極高標(biāo)準(zhǔn)，鑄鋼件廠通過反復(fù)研究并與設(shè)計(jì)不斷商討、調(diào)整，最終制定了合理的鑄造工藝及機(jī)加工工藝，設(shè)計(jì)出特制的機(jī)加工工裝進(jìn)行鏜孔、銑面，生產(chǎn)出了各項(xiàng)技術(shù)性能符合設(shè)計(jì)要求的鑄鋼件。為帆體鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)。

　　6索網(wǎng)找形及張拉施工也是本工程的一大難題

　　本工程索網(wǎng)為拋物線雙曲形為國內(nèi)罕見，為達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的受力要求，項(xiàng)目技術(shù)人員與設(shè)計(jì)、索網(wǎng)廠家一起反復(fù)研究討論進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，確定合理方案：先制作了1：4的索模型，進(jìn)行索力、變形值的驗(yàn)證試驗(yàn)和索網(wǎng)安裝張拉方案探索試驗(yàn)，最終找出切實(shí)可行、較優(yōu)的方案，再配合施工模擬計(jì)算，計(jì)算分析真實(shí)施工過程狀態(tài)，做到心中有底，確保整體結(jié)構(gòu)在各種應(yīng)力及風(fēng)載作用下的穩(wěn)定。　

　　7結(jié)束語

　　上海中國航海博物館中央帆體鋼結(jié)構(gòu)工程造型新型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在國內(nèi)建筑沒有可比性和借鑒性，許多結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及技術(shù)需進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新反復(fù)研究試驗(yàn)才能設(shè)計(jì)和制造出來，現(xiàn)作一簡(jiǎn)單介紹供大家探討共勉。