北京新机场航站楼核心区屋盖为不规则自由曲面钢网格结构。屋盖下方主要由C形柱、支撑筒、单管柱、幕墙柱作为支撑 (见图1) ;其中6组C形柱均匀排列, 形成一个直径180m的支撑圈支撑着屋盖最中央部分。

从结构形式上分类, C形柱为一落地钢网格竖向支撑, 主要由底部箱形底座和上部网格结构两大部分组成;箱形底座板厚40~60mm, 材质为Q460GJC;上部网格结构主要为相贯焊接连接圆管, 局部位置节点采用焊接球;C形柱底面通过成品球铰支座与混凝土内部劲性结构相连 (见图2) 。

6组C形柱围绕一周形成1个直径180m的圈, 单个C形柱分摊的屋盖面积大, 承受的荷载较大, 为主要支撑构件。C形柱箱形底座箱体截面近3m×1m, 板厚达到60mm, 内部加劲肋纵横交错。材质等级高、钢板厚, 质量要求高, 焊接难度大。

由于C形柱部位受力较大, 传力路径较为复杂, 导致箱形底座上部网格结构杆件分布较密;C形柱形状极不规则, 断面呈月牙形;竖直方向结构呈外翻趋势, 下部小、上部大;结构自身稳定性较差, 施工精度控制要求高, 高空安装难度大。

为满足造型需求C形柱局部构件采用弯扭形式, 对于圆管截面的弯扭构件, 其为闭口圆滑截面, 断面上缺乏参考点, 弯扭管间的拼接及管管间的对接定位控制难度大。

三维激光扫描检测采用精度达0.085mm的工业级光学三维扫描仪及摄影测量系统, 对加工完成的构件扫描逆向成型, 通过扫描后的成像结果与理论模型进行比较, 找出偏差部位和偏差值, 从而实现单个构件的尺寸检测;数字化预拼装是在激光扫描结果的基础上, 在计算机虚拟环境中模拟实体预拼装过程, 分析实际加工构件在现场安装中可能出现的诸如相邻构件接口错边、牛腿偏差等问题, 这样在工厂阶段便可提供切实可行的构件偏差调整方案。三维激光扫描与数字化预拼装技术流程如图3所示。具体操作如下。

1) 构件深化建模、出图, 加工制作。

2) 利用高精密的拍照定位系统对加工成型的钢构件进行分段、分批拍照定位 (降低设备累计误差) , 在特定软件中形成钢构件可视化的三维坐标系。

3) 在第2步中所述的可视化三维空间坐标系基础上, 利用工业级三维光学扫描仪对钢构件的曲率、端面等关键控制部位进行三维扫描, 逆向生成三维Test模型。

4) 将数字化扫描形成的逆向三维Test模型与钢构件的理论模型进行最佳拟合, 得出三维偏差色差图, 进行初步三维偏差位置标注。

5) 通过三维偏差色差图, 确定关键部位的偏差位置, 并对偏差部位进行任意面剖切, 将复杂的三维偏差数据转换为二维视图偏差分析图, 便于工厂技术人员理解和操作。

6) 根据二维视图偏差分析图, 对偏差的钢构件进行修整。

C形柱由箱形底座和上部网格结构两大部分组成。箱形底座截面大、构件重 (整个底座重159t, 单个构件最重24.5t) ;根据国内运输条件及现场吊重能力, 将箱形底座分成10段 (见图4) , 箱体分段采用汽车式起重机上楼面吊装。

C形柱底座立柱从下往上向外倾斜, 立柱平面内中心线倾斜角为4.8°, 立柱重心和支座中心不在一条竖直线上, 下部为球铰支座, 立柱自身无法形成稳定结构。为此, 在箱形立柱四周分别设置2块连接耳板, 耳板上部与箱形柱侧面焊接, 下部与埋件焊接, 耳板截面积和焊缝长度根据计算确定。待与相邻柱体连接后, 下部底座便形成了一个稳定的受力体系 (见图5) 。

下部结构安装完成、焊接完毕后进行上部网格结构安装。根据网格结构杆件截面大小, 确定杆件主次关系, 从而确定网格结构的分段方案。将C形柱上部结构分为边部圆管柱、中部桁架以及各分块单元之间的连系杆件 (见图6) 。安装顺序为由一边向另一边推进, 相邻单元就位后, 立即安装单元之间连系杆;待结构安装完成、坐标复测合格后进行系统焊接。

C形柱箱形底座材质为Q460GJC, 板厚达到60mm, 且C形柱施工正值北京地区的冬季, 室外温度较低 (5℃以下) 。低温条件下, 高强度钢材的厚板焊接是一大技术难点。因此从人、机、料、法、环境等5个方面深入分析, 具体实施如下。

1) 人对现场焊工进行针对性的培训, 针对实际结构的焊接位置和焊接方法进行现场焊工考试, 邀请总包和监理单位见证考试过程, 试件焊接完成并静置24h后, 对焊缝进行100%超声波探伤检测, 合格后颁发项目焊工操作证, 焊接技工必须持双证上岗。

2) 机采用电加热设备进行焊前预热, 单台设备总输出功率为120k W;温度加热能力≥150℃;适用于常规钢构件的焊前预热、焊后保温。焊接设备采用直流逆变焊机, 适用于气体保护焊和手工焊。

3) 料Q460GJC高强钢采用气体保护焊焊接时, 焊丝选用ER55-G, 宜采用20%CO₂+80%A_r混合气体作为保护气体;采用手工焊时, 焊条采用E6016低氢碱性焊条。采用气体保护焊时优先选用实芯焊丝。

4) 法根据C形柱的安装方案, 底座分为10段共18个焊接点, 其中5个为底座箱体与下部成品支座焊接, 属于平焊焊缝;剩余13个焊口为箱体之间的对接焊缝, 涉及仰焊、平焊、立焊。焊接时按照从下往上、由中间向两边的顺序施焊 (见图7) 。顶层位置焊接时, 先进行梁柱分段对接, 随后分段间逐个焊接;此时, 由于下部结构焊接成型, C形柱基本已经形成了一个整体, 上部箱体同一分段两侧对接口若是同步焊接, 则焊缝冷却后, 相邻结构对它的约束过大, 对焊缝不利, 故上部梁段采取逐个焊接的方法。

GB50661—2011《钢结构焊接规范》中对焊接环境做了明确规定, 环境温度≤0℃时应采取加热或防护措施。由于C形柱底座钢板材质等级较高, 为保证焊接质量, 采用TRW-120型电加热设备, 按照Ⅳ^b类钢材, 对照不同的板厚、焊材和焊接方法确定预热温度;C形柱底座最大板厚60mm, 焊材采用低氢焊丝 (焊条) , 预热温度确定为110℃。低温条件下, 为防止钢材冷却速度过快产生淬硬倾向导致裂纹产生, 焊后采用玻璃棉进行保温缓冷。

焊接时采用多层多道、对称施焊。由于钢板厚, 焊缝深度深, 气体保护焊焊丝伸出长度有限, 无法触及焊缝根部, 故采用手工焊打底、中间采用实芯焊丝填充、药芯焊丝盖面。气体保护焊时, 保护器材选用20%CO₂+80%A_r混合气体, 混合气体具有飞溅少、熔深相对较浅等特征, 每道焊缝熔深控制在3~4mm, 焊缝质量易于保证。

5) 环境采用焊接防风保温布搭设保温棚, 保证作业环境, 使得焊接作业过程中不受风的影响, 同时保证棚内环境温度≥5℃。

箱形构件为封闭截面, 梁柱组装完成后, 对接处内部加劲肋便无法进行施焊。为此, 在箱形柱腹板侧面靠近加劲肋位置开设500mm×500mm的人孔, 焊工通过这一孔洞进行加劲肋与梁下翼缘焊接, 待焊缝探伤合格后, 再封板闭合。

C形柱箱体上部网格为圆管相贯结构, 局部位置杆件数量较多, 采用焊接球节点形式。由于C形柱形状复杂, 杆件数量众多, 杆件的焊接顺序对结构变形和附加应力影响较大。C形柱上部网格结构按照“统一对称、分片进行;自内而外、逐块焊接”的原则进行施焊。

根据吊装分段, 上部网格结构可以分为边部2根圆管、中间3榀桁架, 以及各单元间的连系杆三大部分。边部圆管分段以及分片桁架在楼面上预先拼装形成独立单元。各单元吊装就位后临时固定, 按照从下往上、由中间向两边的顺序 (1-2-3-4-5) 进行焊接 (见图8) ;对于1号焊点, 采用单杆双焊 (见图9a) , 即中间桁架的两边杆件同时对称施焊;对于2, 3号焊点, 采用双杆单焊 (见图9b) , 先焊接2号位置焊缝, 再焊接3号位置焊缝, 使得杆件在焊接过程中的拘束度最小, 尽可能处于自由约束状态, 减轻焊接附加应力。

C形柱形状极不规则, 组成杆件众多, 其形状下部小、上部大、头重脚轻, 且结构呈外翻趋势。从受力模型上分析, C形柱可单独形成一个稳定的体系, 但是在施工状态下结构的自身变形会较大, 变形不易控制, 施工精度控制难度大。

构件在加工制作阶段, 采用先进的三维激光扫描和数字化预拼装技术很好地保证了构件的加工精度。在工厂制作环节做到了极小误差, 不会因为构件加工误差影响到现场安装。

对于现场安装阶段结构变形, 则从以下方面控制。

1) 根据结构控制特点制定合理的施工方法和措施, 选择最优方案使得结构变形及施工产生的附加应力最小。

2) 采用虚拟仿真建造技术进行C形柱安装过程模拟, 根据模拟得到的变形值在深化阶段进行预变形, 构件按照预变形后的状态出图、加工。现场施工作业时, 严格按照既定的方案实施, 保证钢结构施工精度和质量。

北京新机场航站楼核心区造型奇特, 结构传力途径复杂。航站楼屋盖下方的C形柱为屋盖结构的主要支撑构件。围绕着C形柱的安装过程, 对构件的三维扫描检测和数字化预拼装技术的应用以及C形柱的安装、焊接技术做了详细介绍。通过上述施工技术, 有效地保证了C形柱的安装精度和焊接质量, 对类似复杂结构的施工具有一定的参考意义。