首都机场航站楼梭形钢管柱加工制作工艺介绍及设计方法

首都机场航站楼梭形钢管柱加工制作工艺介绍及设计方法刘涛邓科赵明祥刘娟孙思斌李晓舟弓剑邓科中交公路规划设计院有限公司，中国北京，100010摘要：介绍了首都机场航站楼梭形钢管柱的加工制作方法。

研究了梭形截面钢管柱的破坏机理并给出了弹性屈曲和弹塑性失稳的设计公式。

关键词：梭形钢管柱，加工制作，弹性屈曲，弹塑性失稳（一）．工程概况：首都国际机场新航站楼（T3B、T3A）屋顶为双曲面外形，呈飞行体状。

南北方向长约955m，东西方向宽773m。

在航站楼的指廊和主体连接处，设置一道温度缝，将整个航站楼屋顶分为三部分。

屋顶主体采用空间网壳结构，大部分为标准抽空三角锥网壳，局部为三角锥网壳。

另外为配合屋顶边缘的曲边形式和内部屋顶的连接过渡，设置了边桁架。

T3B屋顶由124根梭形焊接钢管柱支撑，航站楼东西两侧外缘以及北面两侧支承屋顶的钢柱均向外侧倾斜，柱直径由下至上逐渐变小，立面成梭形效果，其余钢柱采用直立梭形柱。

钢柱高度随建筑曲面变化。

如图1所示。

（二）．梭形钢管柱加工、制作1.锥形筒体的加工用于本工程的厚板筒体卷制采用本公司定制的数控水平下调式三辊卷板机。

加工前必须对外形尺寸进行复测保证正确，否则会造成接头错位，同时画出两端加工压头需要的中心线和加工线，加工线在钢板两端300mm之内每隔20mm布置一道。

钢管筒体的加工流程如图2所示。

图1 航站楼内部透视根据筒体、锥体直径制作压模并安装，采用800吨油压机进行钢板两端部压头，钢板端部的压制次数至少压三次，先在钢板端部150mm范围内压一次，然后在300mm范围内重压二次，以减小钢板的弹性，防止头部失圆，压制后用样板检验，切割两端余量后坡口。

图2 筒体加工制作流程图压头质量的好坏直接关系到筒体的卷制质量，所以为保证加工质量，尤其是椭圆度要求，压头检验用样板必须使用专用样板，样板要求用2～3mm薄钢板制作，且圆弧处必须上铣床加工，从而保证加工质量。

将压好头的钢板吊入三辊轧卷板机后，必须用靠模式拉线进行调整，以保证钢板端部与轧辊成一直线，防止卷管后产生错边，然后按要求徐徐轧制，直至卷制结束，轧圆允许偏差如下表1所示：2．筒体的焊接、组对把卷好的筒体吊入拼装胎架上进行纵缝的拼接，拼接时应注意板边错边量和焊缝间隙，另外定位焊时不得用短弧焊进行定位，定位前用火焰预热到120~150℃，定位焊长度不小于60mm，间距300mm左右，定位焊条用φ3.2，焊缝高度不大于8mm，且不得小于4mm。

拼接后检查管口椭圆度、错边等，合格后提交检查员验收，并作好焊前记录。

1）.筒体纵缝焊接筒体纵缝焊接在专用筒体焊接中心滚轮胎架上进行，筒体内外侧均采用埋弧焊焊接。

焊接顺序为先焊内侧，后焊外侧面。

内侧焊满2/3坡口高度后进行外侧碳弧气刨清根，并焊满外侧坡口，再焊满内侧大坡口，使焊缝成型。

焊前装好引熄弧板。

2）.焊前预热对于35mm以上钢板焊接前必须对焊缝两侧100mm范围内进行预热，预热采用电加热板，预热温度100～150℃，加热时需随时用测温仪和温控仪测量控制加热温度，不得太高。

3）.筒体分段组对焊好单节筒体后进行对接组成一个完整的构件。

筒体的对接在专用接长胎架上完成，如图3所示。

3、L为单节柱长度2、L2为单节筒体长度1、L1为单节锥体长度注：筒体拼接胎架示意图图3 筒体对接分段筒体对接前对每个小段节必须进行校正，特别是椭圆度必须校正好。

相邻管节拼装组装时，纵缝应相互错开30°，如图4所示。

并必须保证两端口的椭圆度、垂直度以及直线度要求，符合要求后定位焊，定位焊要求同纵缝焊接要求。

纵缝纵缝A-A底端123456纵缝： 1、3、5 成一直线纵缝： 2、4、6 成一直线图4 纵缝错开示意图各段筒体拼接后在所有筒体上弹出0°、90°、180°、270°母线，并用洋冲标记,以便检查四根中心线的直线度、水平度。

4）.筒体环缝焊接 同样，将拼接好的筒体吊入滚轮焊接胎架上用埋弧焊进行环缝的焊接，焊接要求同纵缝要求。

3．测量验收锥形柱拼装完成后，必须对其拼装精度进行测量验收，测量指标主要有两端口的椭圆度、两端的垂直度、两端口的平面度、整体直线度和整体挠度。

测量两端口的椭圆度时，用钢尺在直径方向测量不能少于6个点；两端的垂直度用线垂测量；两端口的平面度，采用划线交叉测量，交叉处间隙不大于1mm ；整体直线度采用拉线法测量；整体挠度采用水平仪测量。

各指标控制偏差如下表所示：（三）．梭形钢管柱屈曲分析梭形钢管柱在我国钢结构设计规范中尚无成熟的设计方法，国内很多学者对其弹性屈曲性能及大挠度弹塑性极限承载性能进行了分析研究。

邓科博士在其博士论文中对梭形钢管柱的弹性屈曲和大挠度弹塑性极限承载性能进行了迄今为止最详细最系统的理论研究【1】，并提出了梭形钢管柱的简化设计方法。

1．理论分析模型在轴心压力荷载作用下，一个两端铰接完整的梭形钢管柱破坏模式如图5所示。

其第一阶屈曲模态为单波形的对称失稳，第二阶屈曲模态为双波形对称失稳。

首都机场T3B钢管柱底部固接，顶部铰接，因此对这种类型的柱子进行弹性屈曲分析和弹塑性极限承载能力分析时均可以采用图6所示的理论分析模型。

（a）第一阶屈曲模态（b）第二阶屈曲模态图5 梭形柱弹性屈曲模态示意图图6 梭形柱理论分析模型2．梭形钢管柱的弹性屈曲梭形钢管柱的弹性屈曲荷载可以通过对实心圆形梭形柱的弹性屈曲荷载计算公式进行修正得到。

对于一个如图6所示的实心圆形梭形柱，其截面惯性矩沿轴线按四次方关系变化，平衡微分方程见公式（1）0224=+Pw dx w d Ekx ……………公式（1）带入边界条件求解可得弹性屈曲荷载： 21024l I I E K P cr =……………公式（2）上式中K 为屈曲系数，根据公式（3）求得K K γ1tan -=…………………公式（3）使用公式（3）求解屈曲系数将非常不方便，根据公式（3）得到的数值解拟合得到公式（4）可以很方便的求解屈曲系数。

()185301.011-++=γπK ………公式（4）公式（4）与公式（3）求得的结果对比如图7所示。

由图可知，公式（4）结果和公式（3）非常接近，具有较高的精度。

K /πγ图7 公式（4）与公式（3）结果对比若计10I I I eff =，K2πμ=，则公式（2）可写为：()22l EI P effcr μπ=…………………………（2a ）其中，eff I 为等效惯性矩，μ是梭形圆钢柱的计算长度系数。

可以看到，式（2a ）与普通的等截面轴心受压柱的计算公式是相似的，只是等截面柱的惯性矩是常数，而梭形圆钢柱的惯性矩沿轴线是变化的，需要取跨中和端部惯性矩乘积的平方根作为等效惯性矩eff I ，同时还需引入μ来对计算长度作出修正。

综上所述，计算梭形圆钢柱的屈曲荷载cr P 时可以将其看成等截面柱，取惯性矩为等效惯性矩eff I ，柱长为l μ。

计算长度系数μ的拟合公式为：()[]185301.011212-++==γπμK…公式（5） 3．梭形钢管柱的弹塑性失稳 为综合考察梭形薄壁圆钢管柱的弹塑性稳定极限承载能力，采用大挠度弹塑性板壳单元对不同几何参数的梭形薄壁钢管柱进行参数分析，通过其荷载位移曲线观察不同参数构件的破坏模式。

分析过程中材料为理想弹塑性，弹性模量E =206×103N/mm 2，屈服应力235=y fN/mm 2，采用理想弹塑性应力应变关系曲线，不考虑材料的强化段，如图8所示。

分析过程中考虑几何初始缺陷的影响，由于分析过程中中忽略板件局部失稳的影响，因此只对构件施加正弦半波形状的整体初弯曲，初弯曲的幅值l /500，l 为柱长，如图9所示。

由于目前尚无梭形薄壁圆钢管柱残余应力分布模式的试验数据，因此本文的分析结果不考虑残余应力的影响。

σyσ图8 理想弹塑性应力应变关系曲线0w =图9 整体初始缺陷分布梭形薄壁圆钢管柱弹性屈曲荷载的近似计算可以采用公式（2a ）进行。

将上式两端均除以端部截面积0A ，则屈曲应力的表达式为：()22202effeffcr El A EI λπμπσ==…………公式（6） 其中eff λ为等效长细比A I leff eff μλ=…………………公式（7）定义等效稳定系数：fA P ueff 0=ϕ………………………公式（8）ϕe f fλeff图10 梭形薄壁圆钢管柱的等效稳定系数通过大挠度弹塑性有限元分析可以得到具有不同几何参数的梭形薄壁圆钢管柱的等效稳定系数eff ϕ与等效长细比eff λ之间的关系如图10所示。

图中d 0梭形钢管柱端部直径。

作为对比，图中还给出了a 类柱子曲线。

由图可知，对于柱端截面较小的梭形薄壁圆钢管柱，eff ϕ与a 类柱子曲线吻合较好。

但是当柱端截面较大时，梭形薄壁圆钢管柱的等效稳定系数则落在a 类柱子曲线的上方。

这是因为柱子曲线是根据具有初始缺陷的等截面柱发生极值点失稳而确定的，等截面柱的破坏形式都是因为柱跨中存在最大弯矩，塑性区从此处开始并逐步扩展最终使整根构件失去承载能力。

对于柱端截面较小的梭形薄壁圆钢管柱，增加柱跨中截面外径时梭形柱的失稳模式与等截面柱类似，最大应力出现在柱跨中截面，然后塑性区不断扩展最终导致构件失去承载能力。

对于柱端截面较大的梭形薄壁圆钢管柱，略微增加柱跨中截面外径便使得构件达到极值点时几乎整个柱身的应力都达到屈服强度极限，破坏模式与等截面柱相比有了较大差别。

因此在长细比相同时，梭形柱的承载能力要高于等截面柱。

综上所述，本文建议采用a 类柱子曲线作为梭形薄壁圆钢管柱的稳定设计曲线，偏于安全。

4．梭形柱整体稳定设计方法 设计梭形薄壁圆钢管柱时，先进行整体稳定验算，根据跨中截面和端部截面的外径得到楔率γ，由公式（5）得到计算长度系数μ，将跨中截面与端部截面的惯性矩乘积的方根10I I 作为等效惯性矩eff I ，再根据公式（7）得到等效长细比eff λ，查a 类柱子曲线得到稳定系数ϕ，则整体稳定验算公式为： 0A Nϕ≤f ………………………公式（9）纵上所述，梭形钢管柱整体稳定分析流程如图11所示。

图11 整体稳定验算步骤（四）．小结由本文论述可以得到以下结论，供工程技术人员参考。

（1）梭形钢管柱筒体加工制作与等截面筒体加工制作不同，其对筒体卷制过程控制更为严格，否则在分段之间组对时极易出现严重的错口情况，影响整个构件的加工质量。

（2）梭形截面构件由于中部惯性矩较大，在长细比相同的情况下可以有效提高构件的整体失稳能力。

（3）本文提供了梭形截面构件弹性特征值屈曲和大挠度弹塑性整体稳定分析设计方法，可供工程设计人员参考使用。

参考文献：【1】邓科，梭形钢管格构柱的稳定性能与设计方法研究，清华大学博士学位论文。