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超大直徑鋼板鋼管的加工制作技術(shù)研究

作者:楊亮 陳前標(biāo) 方圓    
時(shí)間:2013-10-14 11:01:56 [收藏]
通過對(duì)目前鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)加工超大直徑鋼板鋼管的技術(shù)研究,引入了“鋼板自重彎管技術(shù)”的概念。提出以一定規(guī)格尺寸的鋼板自重彎曲焊接鋼管為研究對(duì)象,詳細(xì)說明鋼板鋼管加工制作過程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)
    關(guān)鍵詞:超大直徑鋼板鋼管的加工制作

    摘 要:通過對(duì)目前鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)加工超大直徑鋼板鋼管的技術(shù)研究,引入了“鋼板自重彎管技術(shù)”的概念。提出以一定規(guī)格尺寸的鋼板自重彎曲焊接鋼管為研究對(duì)象,詳細(xì)說明鋼板鋼管加工制作過程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)。本技術(shù)的實(shí)施,可以杜絕大型或超大型彎管設(shè)備的需求,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域流水施工,大大地提高了整個(gè)工程的施工效率,從而達(dá)到降低施工成本和施工難度的目的。

    關(guān)鍵詞:超大直徑;鋼板鋼管;加工制作;鋼板;自重成形;彎曲胎架

    鋼鐵做為當(dāng)今社會(huì)的一種可在生資源,未來我國(guó)建筑用鋼量會(huì)逐漸加大,同時(shí)鋼鐵工業(yè)會(huì)蓬勃發(fā)展,建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的嶄新階段。鋼結(jié)構(gòu)的型式多樣化,鋼結(jié)構(gòu)大型構(gòu)件和異形構(gòu)件的制作難度會(huì)越來越大,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加工制作和技術(shù)含量也會(huì)越來越高。新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。國(guó)內(nèi)大型和異形建筑鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的水平。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作、安裝均已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,要求我們結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn),選用合適的鋼結(jié)構(gòu)加工制作工藝,進(jìn)一步提高工程的施工效率和安全性,從而降低施工成本。

    對(duì)于超大直徑鋼管的加工制作,同樣需研究出一種適合多種施工條件和環(huán)境下的加工制作工藝。為了解決這一問題,根據(jù)加工制作鋼管的直徑和管臂厚度,沿鋼管軸線方向?qū)⒐鼙鄯譃閹讉€(gè)弧形片體平面制作,立面組裝焊接?;⌒纹w平面制作時(shí)根據(jù)鋼板處于自由支承狀態(tài)時(shí)在自身重力的作用下將引起較大變形的特性,通過鋼板的自重與自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計(jì)算求法,計(jì)算鋼板在自重作用下引起的變形量是否滿足弧形片體的曲線線型。如果計(jì)算結(jié)果完全滿足自重彎曲線型,則無需對(duì)鋼板進(jìn)行滾壓彎曲,直接將幾塊鋼板在平面胎架上對(duì)接拼焊成大片鋼板(弧形片體展開狀態(tài)),然后將大片鋼板垂直置于弧形片體彎曲線型胎架上進(jìn)行自重彎曲成形,最后在總裝胎架上依次將幾個(gè)弧形片體進(jìn)行立面拼裝焊接。

    該加工制作工藝合理利用了鋼板的自有特性技術(shù),降低了施工難度,改善結(jié)構(gòu)受力,提高了施工效率,具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著國(guó)內(nèi)外建筑業(yè)的不斷發(fā)展,各種超大型鋼管工程會(huì)越來越多,大型鋼板鋼管自重彎曲成形技術(shù)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

    1

    大型或超大型鋼板卷制焊接鋼管作為一種以鋼板為原材料,采用多塊鋼板彎曲拼焊成形,在卷曲過程需采用大型或超大型專業(yè)卷板機(jī)。在國(guó)內(nèi)外,鋼結(jié)構(gòu)加工廠有大型或超大型卷板機(jī)數(shù)量非常有限,甚至沒有滿足卷制超大鋼管的卷板機(jī),導(dǎo)致工程無法實(shí)施。

    能夠使大直徑或超大直徑鋼板鋼管工程順利實(shí)施,對(duì)鋼板自重彎管技術(shù)進(jìn)行深入研究。以某工程中超大直徑鋼板鋼管為對(duì)象,其鋼板鋼管為規(guī)則圓柱形筒體內(nèi)加橫縱向加筋肋,主要尺寸為:直徑32m,長(zhǎng)38m,管壁厚13mm。通過對(duì)其加工制作方案選擇、原材料采購、鋼板平面對(duì)接、自重彎曲、片體拼裝焊接、質(zhì)量驗(yàn)收等各工序的綜合詳細(xì)描述,使鋼板自重彎曲成形鋼管完全符合設(shè)計(jì)要求。

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    鋼板鋼管外形結(jié)構(gòu)(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

    2 技術(shù)特點(diǎn)

    1)無需投入大型卷板機(jī);

    2)適合大型和超大型直徑鋼管制作;

    3)施工面較廣,多條線同時(shí)流水作業(yè),制作效率高;

    4)多數(shù)鋼板采用平面自動(dòng)焊接,減少弧線拼裝;

    5)曲成胎架支承,空間移動(dòng)定位成形,降低制作難度;

    6)鋼板彎曲不需要外力,利用鋼板的彎曲性能在其自重作用下依靠彎曲胎架自然成形;

    3 鋼板自重彎曲成形原理

    常用彎曲零件成形的方法是利用外力作用下,強(qiáng)制性讓零件彎曲變形,影響原材料的性能等。鋼板自重彎曲成形原理,應(yīng)用到鋼板鋼管加工制作主要分為鋼板自重彎曲曲率計(jì)算、鋼管建模放樣、鋼管片體平面拼焊、鋼管片體弧形彎曲和鋼管總拼焊接五個(gè)階段。

    根據(jù)制作鋼管的直徑大小和不同厚度管壁鋼板的彎曲性能,通過自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計(jì)算方法,驗(yàn)證本工程中鋼板自重狀態(tài)下的曲率滿足鋼管成形曲率,合理地確定鋼管軸向弧形片體劃分和劃分的部位,確保鋼管成形后的弧線。采用電腦三維軟件(AUTOCAD)對(duì)鋼管進(jìn)行1:1建模,將弧形鋼板展開成平面,降低下料放線難度,確定每塊鋼板的規(guī)格尺寸,完成放線和套料工作。

    參照套料圖對(duì)原材料進(jìn)行切割及編號(hào),根據(jù)鋼板的編號(hào)在平面拼裝胎架上參照地樣控制點(diǎn)進(jìn)行弧形片體管壁的拼裝和焊接,焊接完成后拼焊軸向構(gòu)件(豎向肋骨),增強(qiáng)管壁剛度便于吊裝。利用大型起重設(shè)備將片體管壁吊裝到弧形彎曲胎架上,利用弧形彎曲胎架的曲線,通過地樣點(diǎn)進(jìn)行定位,局部位置增加適當(dāng)外力將管壁緊靠到彎曲胎架表面,檢查管壁彎曲成形符合要求后拼焊徑向構(gòu)件(橫向肋骨)和臨時(shí)加強(qiáng)。利用大型起重設(shè)備在專業(yè)總裝胎架上按照片體先后順序逐一進(jìn)行鋼管總裝,總裝過程中使用專業(yè)立縫焊機(jī)(爬山虎)對(duì)兩片體的對(duì)接縫進(jìn)行施焊,同時(shí)嚴(yán)格控制每塊片體的安裝參數(shù)和焊接質(zhì)量。

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    a)模具壓彎;(b)折彎;(c)拉彎;(d)滾彎;(e)輥壓

    常用彎曲成形方法

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    鋼板自重彎曲成形方法(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

     

    4 鋼板自重彎管工藝流程

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    鋼板自重彎管工藝流程(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

    5 鋼管加工制作主要過程

    5.1 計(jì)算鋼板自由狀態(tài)自重彎曲曲率

    平鋼板在自重作用下產(chǎn)生變形,變形前處于同一直線上的點(diǎn),變形后仍處于同一曲線上。若求某點(diǎn)處的橫向和縱向曲率時(shí),可由該點(diǎn)和處同一平面內(nèi)的左右兩點(diǎn)組成圓弧,計(jì)算其半徑得到。設(shè)某點(diǎn)為(x2,y2,左點(diǎn)為(x1,y1),右點(diǎn)為(x3,y3),其中xi為橫向坐標(biāo),yi為垂向坐標(biāo),i=13。其值可用有限元的計(jì)算結(jié)果得到。

    計(jì)算三角形邊長(zhǎng):

    a=[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2,

    b=[(x3-x1)2+(y3-y1)2]1/2

    c=[(x3-x2)2+(y3-y2)2]1/2

    三角形外接圓半徑為R=abc/4Δ,其中Δ為三角形面積:S=0.5(a+b+c)

    Δ=[S(S-a)(S-b)(S-c)]1/2

    由此可以求出該段圓弧曲率:

    K=1/R=4Δ/abc,

    K即為(x2,y2)點(diǎn)處的曲率。

    由以上公式可計(jì)算出鋼板在最大撓度處節(jié)點(diǎn)的橫向曲率kmax和縱向曲率KMAX。設(shè)kmaxKMAX)隨自變量T、F0、H0E0、G0、a0c0y0變化,其中T為板厚,y0為板彎曲加工的最大撓度,F0、H0、E0、G0、a0c0、y0見下圖所示。

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    參數(shù)標(biāo)記圖

    利用多元線性回歸分的方法建立kmaxKMAX)與各變量T、F0、H0、E0G0、a0c0、y0的線性組合關(guān)系式,采用最小二乘法,解得回歸系數(shù)。則有:K=A0+A1T+A2F0+A3H0+A4E0+A5G0+A6a0+A7c0+A8y0,

    同時(shí)得出:U為回歸平方和;Q為殘差平方和;RA為剩余標(biāo)準(zhǔn)差;R為相關(guān)系數(shù)。

    計(jì)算結(jié)果分析,應(yīng)用有限元法計(jì)算平鋼板在自重用作下產(chǎn)生的彎曲,約束條件的不同,其結(jié)果將有很大的差異。

    得出如下求平鋼板最大撓度處的橫向曲率公式:

    kmax=-0.9763-0.2364×T+0.7198×10-3×F0+0.2442×10-4×H0-0.7904×10-3×E0-0.2388×10-4×G0+0.7533×10-2×a0-0.7446×10-2×c0+0.8772×10-2×y0

    影響平鋼板橫向曲率主要是板厚T,其次是彎曲時(shí)給定的是大撓度y0,板長(zhǎng)a0、c0及板寬F0。

    得出如下求平鋼板最大撓度處的縱向曲率公式:

    KMAX=0.4766×10-4-0.339×10-5×T+0.2×10-7×H0-0.2×10-7×E0+0.2×10-7×G0+0.3×10-7×a0-0.3×10-7×c0+0.1×10-7×y0,

    對(duì)縱向曲率計(jì)算影響最大的是板厚T,其次是板的長(zhǎng)度和寬度。

    根據(jù)鋼管壁板線型可以計(jì)算出y0值,同時(shí)可以計(jì)算出y0處的橫向曲率k0和縱向曲率K0。在鋼管壁板計(jì)算展開以后,可以得到F0等幾何尺寸,應(yīng)用曲率回歸公式可以計(jì)算出kmaxKMAX

      KMAXK0       kmaxk0

    則說明鋼管壁板靠自重就可以達(dá)到縱向和橫向的曲度要求,從而不需要任何外力或鋼板卷制等加工。

    5.2 鋼管弧形片體劃分

    根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)和鋼板原材料的規(guī)格,合理將鋼管沿軸線方向劃分成若干個(gè)(不少于四個(gè))弧形片體,有利于鋼管曲線成形,同時(shí)降低了起重能力。

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    鋼管弧形片體劃分

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    鋼管弧形片體結(jié)構(gòu)(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

    5.3 弧形片體加工制作

    加工制作鋼管的鋼板均為雙向定尺寸,有利于提高鋼材的利用率。按照鋼板排料圖,鋼管壁的所有鋼板先在平面拼裝胎架上對(duì)接成弧形片體展開板,利用半自動(dòng)埋弧焊單面焊接雙面成形,使每條對(duì)接焊縫都達(dá)到100%UT。在鋼管內(nèi)壁安裝所有豎向肋骨,增加了大片鋼板的剛度,便于吊裝。利用起重設(shè)備將弧形片體展開板垂直放于彎曲胎架上表面,經(jīng)過精確調(diào)整,使每個(gè)弧形片體的線形符合鋼管曲率,然后安裝橫向肋骨及其它構(gòu)件。

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    平面拼板胎架結(jié)構(gòu)

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    鋼板對(duì)接拼焊

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    10  弧形片體轉(zhuǎn)運(yùn)(平胎到彎胎) 

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    11  弧形片體定位自重彎曲

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    12  橫向肋骨組焊 

    \          

    13  弧形片體彎曲成形脫胎

    5.4 鋼管總裝焊接

    鋼管總裝時(shí)采用大型起重設(shè)備豎向(軸向)遂片總裝方式,總裝過程中需對(duì)弧形片體設(shè)置臨時(shí)支承。單個(gè)鋼管的所有弧形片體總裝完成后利用專業(yè)半自動(dòng)立縫焊機(jī)(爬山虎),對(duì)弧形片體的對(duì)接焊縫進(jìn)行由上到下對(duì)稱焊接,采用合理的焊接工藝減少鋼管變形。

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    14  弧形片體吊裝1

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    15  弧形片體吊裝2

    6 結(jié)

    本技術(shù)的應(yīng)用,有利于大直徑或超大直徑鋼管的加工制作,使某些無法卷制的鋼管可以實(shí)現(xiàn),同時(shí)降低了施工成本,提高了施工效率,是一項(xiàng)值得研究和參考的技術(shù)。

    參考文獻(xiàn)

    [1]  戴寅生  主編. 《船體外板自重彎曲有限元法研究》, 造船工藝,  2009

    [2]  劉志軍  主編. 2008全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集》. 合肥  工業(yè)建筑雜志社出版,  2008

    [3]  劉志軍  主編. 2008全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集》. 合肥  工業(yè)建筑雜志社出版,  2008


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