杭州萧山国际机场T4航站楼钢结构屋盖制造关键技术

成国栋，郑伟键，陈 华，朱超伟，李 赟

(1 浙江东南网架股份有限公司， 杭州 311209； 2 中国建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

1 工程概况

1.1 总体概况

杭州萧山国际机场三期新建T4航站楼及陆侧交通中心工程，建筑面积约150万m2，总投资270亿元，是2022年杭州亚运会重要基础配套项目，届时杭州萧山国际机场将成为集地铁、高铁、大巴、私家车、网约车、出租车等多种交通方式为一体化的机场综合交通中心[1]，机场三期工程建筑鸟瞰图见图1。

1.2 T4航站楼钢结构屋盖概况

杭州萧山国际机场三期新建T4航站楼钢结构屋盖主要由支撑柱体系、封边桁架和焊接空心球节点网架三部分组成，其中支撑柱体系包括支撑柱、分叉节点和分叉柱，见图2。

图2 T4航站楼钢结构屋盖

T4航站楼支撑柱体系中的支撑柱包括5种类型，编号分别为GZ1～GZ5，材质均为Q460C。其中GZ1为圆管柱，GZ2，GZ3为变截面圆管柱，GZ5为梭形柱，支撑柱的规格最小截面φ1 100×40，最大截面为φ2 174×60；GZ4又称荷花谷柱，为荷花状变截面弯扭钢柱。

分叉节点外形形似倒圆台，材质为Q460C，尺寸为：4 500×3 800×3 900～7 400×5 700×4 600(长度×宽度×高度)，重40～110t/个。

在GZ1，GZ2，GZ3柱的柱顶分别设置10根分叉柱，材质主要为Q345B和Q460C。外侧4根分叉柱为箱形弯曲构件，截面为□900×400×30×35；内侧6根为H型弯曲构件，截面为H900×400×30×35；各分叉柱之间通过φ299×14圆管连成整体。

封边桁架为焊接箱形桁架，通过鼓形节点与支撑柱体系的分叉柱相连。封边桁架规格：□600×300×30×30～□800×800×40×40，材质主要为Q345B和Q460C。

钢结构屋盖网架以焊接空心球节点网架为主，通过焊接空心球与封边桁架刚接，焊接空心球规格：WSR3020～WSR12045，杆件规格φ102×8～φ650×30，材质主要为Q345B。

2 T4航站楼钢结构屋盖制造特点与难点

T4航站楼钢结构屋盖制造特点与难点如下：

(1)构件外形大、重量重。支撑体系构件多为大型超重构件，构件的加工对制作厂设备能力、工艺技术水平等硬件条件要求较高[2]，且结构复杂，为保证节点区留有足够空间，便于焊接操作和焊后检测[3]，需要制定加工制造专项工艺方案及焊接件翻身等专用工装。

(2)造型复杂、深化及加工难度大。1)T4航站楼外形开阔流畅，内部变截面圆管分叉柱形如细高的棕榈树，与穹顶相连，柱结构造型复杂，尤其是柱顶处桁架空间变化非常大，弦杆呈现小半径扭转变化，这对深化设计、加工制作和现场安装提出了极大的挑战；2)管桁架杆件布置较密集，节点交汇处焊接角度较小，另外存在多处杆件沿着中心线方向大范围重叠情况，需根据实际放样结果进行优化；3)天窗整体造型为非标准球面，故天窗内的杆件均为空间弯扭箱形构件。弯扭构件的深化及加工难度大，耗时长，不利于工程的进度控制。

(3)焊接空心球节点数量多、焊接量大。屋面钢网架以焊接空心球节点网架为主，空心球数量多且焊缝为全熔透二级，由传统人工焊接，焊接劳动强度大，焊缝质量也难以保证。

3 T4航站楼钢结构屋盖制造关键技术

3.1 分叉节点制造技术

支撑柱体系中分叉节点由钢管柱、下环向板、环向劲板、上环向板和牛腿等组成，其中钢管柱为大直径厚壁卷制钢管；上、下环向板呈碗状形；环向劲板位于上、下环向板之间，被牛腿分开。分叉节点构造见图3。

图3 分叉节点构造图

由于分叉节点尺寸大、重量重，构件内部焊接工作量大且操作空间狭小，分叉节点采取在专用胎架上进行分步退拼方法，矫正变形穿插其中。分叉节点总体拼焊过程为：1)中间圆钢管卷制、焊接；2)圆钢管内部环向、纵向加劲板组装、焊接；3)上环向板(竖装胎架)拼装、焊接；4)牛腿上翼缘板拼装；5)隔板1，2，4，6，7拼装、焊接；6)环向劲板(横装胎架)拼装、焊接；7)下环向板拼装、焊接；8)隔板3，5拼装、焊接；9)牛腿下翼缘板拼装、焊接；10)拼焊牛腿端口劲板拼装、焊接。

分叉节点的拼焊分为两个阶段：1)竖向拼装，在水平钢板上竖直拼装、焊接；2)横向拼装，在专用辊轮搭设胎架上拼装、焊接，见图4。

图4 分叉节点拼装方法

3.2 封边桁架制造技术

封边桁架是支撑柱体系与屋盖网架中间的过渡结构。封边桁架系全焊接钢结构，焊接导致桁架变形情形严重；成型后的封边桁架刚性又非常大，一旦产生焊接变形，很再难矫回原位。因此，在进行封边桁架的组装焊接时，确定出合理的焊接工艺是十分必要的[4]。为确保封边桁架制造质量满足设计及工艺要求，封边桁架加工采取“分部组装、整体预拼”的工艺方法，立足单体构件制作精度，保证封边桁架的胎架精确组装。

封边桁架包括上、下弦杆和腹杆，其中复杂节点位于桁架下弦杆，见图5。

图5 封边桁架构造图

经深化设计后，封边桁架被拆分成11种类型的分装部件同时加工，见图6。其中，1，3，5为下弦杆复杂节点；2，4，6为下弦杆杆件部件；7，8为封边桁架复杂节点；9为腹杆；10，11为上弦杆杆件部件。装配顺序遵循以下原则：首先进行11种类型分装部件的分部组装、焊接，接着进行封边桁架整体预拼装；检验合格后，各分装部件包装后发工地现场组装、焊接。

图6 封边桁架拆分图

3.2.1 桁架腹杆加工

桁架腹杆焊接形式为箱形，截面为□300×400×30×30，加工全部在焊接箱形自动生产线上完成，确保腹杆加工精度。

3.2.2 下弦杆复杂节点加工

下弦杆复杂节点包含多个空间角度牛腿，见图7。节点深化设计时，通过运用3D3S建立节点三维空间实体模型，见图8；然后再生成节点三维控制坐标点，见表1。工厂根据三维控制坐标点进行节点加工。

下弦杆复杂节点3空间控制点坐标数值(理论值)/mm 表1

图7 下弦杆复杂节点3构造图

图8 下弦杆复杂节点3三维轴测图

下弦杆复杂节点3总体拼装顺序为：1)H型钢牛腿与箱形柱下翼缘板组装、焊接；2)箱形柱纵向内隔板组装；3)箱形柱腹板组装；4)焊接箱形柱纵向内隔板与腹板；5)箱形柱横向内隔板组装、焊接；6)箱形柱上翼缘板组装；7)焊接箱形柱上翼缘板与H型钢牛腿；8)腹板盖板组装、焊接；9)箱形柱封口板组装、焊接；10)焊接与内隔板焊缝、箱形柱自身焊缝；11)箱形牛腿1，2自身拼装、焊接；12)箱形牛腿1与箱形柱拼装、焊接；13)箱形牛腿2与箱形柱拼装、焊接，矫正变形穿插在拼装焊接过程中。下弦杆复杂节点3部分拼装流程见图9。

图9 下弦杆复杂节点3部分拼装流程

3.2.3 弦杆组装及桁架预拼装

上、下弦杆为组合构件，应采用分部组装、焊接，矫正变形后再进行总装、焊接[5]，拼装时应确保复杂节点的精准定位。

为保证桁架现场安装准确率，构件工厂加工后，需要对桁架进行整体预拼装，确保关键控制点坐标精度符合设计要求，并做好检验记录。构件除可采用实体预拼装外，还可采用计算机辅助模拟预拼装方法[6]。

3.3 钢结构屋盖焊接空心球节点网架制造技术

钢结构屋盖焊接空心球节点网架加工包括焊接空心球节点和杆件，加工实景见图10。

图10 屋盖焊接空心球节点网架加工

网架杆件采用杆件自动化生产线，实现了杆件从圆钢管切割下料到各工序生产加工，直至完工入库等生产全过程的一体化生产、信息化管理。

焊接空心球的半球由钢板压制而成，钢板压成半球后，表面不应有裂纹、褶皱；焊接空心球的两半球对接处坡口宜采用机械加工[7]；对接焊缝则运用焊接空心球节点机器人焊接，采用电动机驱动和液压驱动实现球体的装卡、夹紧、转动、卸落以及焊枪的进退、摆动，并用微机程序控制无触点限位开关控制各层焊接过程[8]。焊接过程如下：1)利用红外线仪器校准焊接空心球焊缝中心，实现了焊接空心球的快速装夹定位；2)利用接触式传感器多点采集空心球焊缝坡口数据，计算机器人焊枪焊丝位置基准，实现焊接中心精准定位；3)通过电弧传感器实时监测焊接电流的变化，反馈焊缝中心与焊接中心的位置偏差信息，实现了机器人运行中位置的智能控制。

4 结语

杭州萧山国际机场三期新建T4航站楼钢结构于2019年11月份开始制造，制造过程中，主要采取了以下关键技术：

(1)利用专用3D3S数字化三维实体建模软件，自动生成复杂构件空间控制点坐标，大大提高了复杂构件制造精度。

(2)利用“分部组装、整体预拼”的工艺方法，有效解决了构造复杂的大型桁架的组装、焊接。

(3)网架焊接空心球的两半球采用机器人焊接，不仅提高了焊接效率、降低了生产成本，还减少焊接对环境污染。