CN110116153B - 大直径钢管冷弯制作工法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了大直径钢管冷弯制作工法，本发明克服了采用火焰煨弯制作费工费时和精度不容易控制等缺陷和难题，有效地解决了大直径钢管的弯曲成型加工精度控制等难题；通过冷弯成型的加工工法既可以进行固定曲率的钢管弯曲,也可以进行变曲率、平面或不规则圆形钢管的弯曲；通过采用本工法弯管成型之前，充分利用计算机辅助软件，通过平面或空间放样，给出每隔一定轴线等间距的弯曲控制点的坐标值，以控制弯管加工成型；通过采用本工法弯曲钢管成型，设备投入少，操作方便，质量好、工作效率高、经济效益、安全效益、社会效益显著。

Description

大直径钢管冷弯制作工法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，具体涉及大直径钢管冷弯制作工法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，全国各地不断地加大对基础设施的投入，大跨径钢管桥 梁、大型会展中心、体育运动场馆、火车站房、机场航站楼等建设工程越来越多，尤其 大空间大跨度建筑所占的比例越来越大，因建筑功能的需要，大直径钢管桁架是其首选 的结构形式。大直径钢管桁架空间结构具有受力合理、承载性能高、造型美观、外型简 洁流畅、节点形式简单、施工方便、用材经济等特点，因此在这些大跨度空间结构建筑 中得到了广泛应用。

目前大直径钢管桁架形式多样复杂，不再局限于直线型钢管桁架、固定曲率半径弧 形桁架等简单形式，而随着建筑美观要求的提高出现了更多的空间异形钢管桁架，即空间曲线型钢管桁架。对于这种桁架的出现，对钢结构施工工艺提出了更高的要求，特别 对桁架的上下弦曲线型钢管的弯制成型要求更合理、更符合质量要求的新工艺，针对一 些工程桁架材料材质多为Q345系列的大直径厚壁钢管来说，在制作过程中用人工进行 火焰煨弯，不仅费工时而且制作精度不容易控制，达不到设计要求。

发明内容

本发明的目的是一种大直径钢管冷弯制作工法，控制弯管加工成型，实现了大直径 钢管的弯曲成型加工精度控制。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

大直径钢管冷弯制作工法，包括以下步骤：

A、曲线建模及放样：将拱形桥梁每榀钢管桁架弦杆的线性参数、特征点和控制点标出，并将所有特征点和控制点曲线拟合成光滑弧线；

B、下料切割：根据弯曲弦杆的曲线放样的拟合曲线长度进行钢管的下料切割；

C、液压顶弯：将钢管沿轴向方向吊入顶弯设备装置内；钢管中间与圆弧状靠模的外凸弧顶作为支点，钢管两端外侧分别对称设置有千斤顶；再通过两台千斤顶同步向钢 管施加外力与靠模逐渐靠近并完全抵接，从而使钢管整体弯曲达到设计要求的塑性变 形；

D、检测与矫正：对每一根弯管建立局部坐标系，沿着弯管基准线对控制点位进行检测，将实测坐标转换为图纸构件同一坐标中，用曲线“拟合”后还原成实物的中心轴 线，将实测构件关键点坐标与构件理论模型最大拟合对齐并得出偏差值，将偏差值与预 定偏差值进行比较判断是否需要进行再次顶弯。

进一步地，所述步骤B包括：在下料切割的步骤后，在直段钢管的管轴线及控制点位置上标记环线。

进一步地，所述步骤C包括：弯管弯曲过程中需分多步缓慢顶进；且弯曲到相应位置后需持荷静置，最后回油释放外力。

进一步地，所述步骤C包括：平面上的钢管轴向方向弧度校正后，再将弯管的侧边进行校正使弯管的垂直侧边在同一水平面上，最后切割端头直线段来完成弯管的制作。

进一步地，还设有胎架，所述胎架与弯管的弯曲尺寸匹配，以实现对弧状钢管构件的检查和校核。

进一步地，顶弯设备包括千斤顶、靠模和刚性控制操作台组成；所述千斤顶带动钢管与靠模逐渐靠近；所述刚性控制操作台与所述千斤顶连接。

进一步地，在钢管和千斤顶之间采用夹具定位，以此实现千斤顶对钢管两端的定位 夹持来均匀传力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明克服了采用火焰煨弯制作费工费时和精度不容易控制等缺陷和难题，有效地解决了大直径钢管的弯曲成型加工精度控制难题。

2、本发明的冷弯成型的加工工法既可以进行固定曲率的钢管弯曲,也可以进行变曲率、平面或不规则圆形钢管的弯曲。

3、本发明采用本工法弯管成型之前，充分利用计算机辅助软件，通过平面或空间放样，给出每隔一定轴线等间距的弯曲控制点的坐标值，以控制弯管加工成型。

4、本发明采用本工法弯曲钢管成型，设备投入少，操作方便，质量好、工作效率高、经济效益、安全效益、社会效益显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的钢管弯曲的结构示意图；

图3为本发明的钢管塑性变形的结构示意图；

图4为本发明的有拐点的拟合曲线图；

图5为本发明的CAD界面上各控制点的自动坐标标注；

图6为本发明的弦杆加密控制点的曲线图及控制坐标；

图7为本发明的实测与理论对比示意图；

图8为本发明的冷弯管内、外表面做标识顺序示意图；

图中标号说明：

1、钢管；2、靠模；3、弯管；4、千斤顶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在 没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1至图7，对本发明作进一步地说明：

结合附图1、图2和图3，大直径钢管冷弯制作工法，具体在实施时，关于曲线建 模及放样：将拱形桥梁每榀钢管桁架弦杆的线性参数及特征点、控制点利用计算机辅助 设计软件CAD标出，然后以所有特征点、控制点拟合成曲线方程，用曲线将弦杆各控制 点连接拟合成空间光滑弧线。

曲线拟合过程操作要领有：1)拟合曲线必须要经过所有控制点，如果没有经过所有控制点或少经过控制点，势必造成曲线方程幂次数降低，曲线拟合不充分而造成误差。

2)结合附图4，拟合曲线时若发现有曲线拐点出现，需检查控制点建模错误，由 于控制点的错误在2、3、4之间出现拐点需修正。

3)结合附图5和图6，采用坐标系转换原理，将三维曲线转化成二维平面或平面 外Z向值较少的三维曲线，并进行等间距加密控制点，以控制弯管3的精度；并且采用 在CAD辅助设计软件平台上开发的软件进行各控制点的坐标标注，以作为弯管3时控制 值。

本申请利用坐标系转换原理，将三维曲线转化成二维平面或平面外Z向值较少的三 维曲线，并根据精度控制要求布设等间距加密控制点，获取相应设计参数，以控制弯管3加工精度。

关于下料切割：通过对弯曲弦杆的曲线放样，在计算机辅助软件可以查询出弯曲弦 杆的轴线长度，即拟合曲线长度；因弯曲时两端有一部分直段(约300mm长)，即下料 长度为直线长度加上600mm；钢管1采用数控相贯线切割机进行下料切割，以保证下料 切割的精度。

优选的，钢管1切割完成之后，在直段钢管1采用粉线标出管轴线及控制点位置的标记环线。

关于液压顶弯：1)顶弯设备装置准备；液压顶弯设备主要由两台油压千斤顶4、 顶弯靠模2、控制油缸及刚性控制操作台组成。两台油压千斤顶4需根据待弯管3的管 径及壁厚的大小选用，一般选用600t或1000t的型号；靠模2需根据钢管1弯曲的曲 率半径选用。

2)直管放置：采用行车或吊机将设计要求直径钢管1吊入顶弯设备装置内，水平放置且两端分别采用油压千斤顶顶紧，在钢管1和千斤顶4之间采用专用的夹具定位装 置，保证千斤顶4对钢管1的传力均匀，以免造成钢管1被压扁或局部曲屈、不在同一 平面内等现象。

3)平面弯管3：通过校核过的数控油压控制采用两台千斤顶4同步对称对钢管1 施加外力，使钢管1整体弯曲达到设计要求的塑性变形，在弯曲的同时通过控制进给量， 确定是否弯曲到位；弯曲需分多步顶进，且速度要求缓慢，以免出现起皱现象。弯曲到 位置后需持荷静置约30-60秒钟，最后回油释放外力。

4)平面外弯管3(Z向弯管)：通过对平面的弯管3弧度校正后，将钢管1旋转 90度，然后进行Z向的顶弯。但Z向弯管3的幅度只能控制在200mm以内，即平面外 的弯管3行程只能在200mm以内。

5)切割端头直线段。

结合附图7，关于检测与矫正：采用高精度全站仪，对每一根弯管3建立局部坐标系，沿着弯管3基准线对控制点位进行检测，必要时在中间补充插入一些点，记录测量 点的三维坐标，将实测坐标输入计算机后转换为图纸构件同一坐标，用曲线“拟合”后 还原成实物的中心轴线，将实测构件关键点坐标与构件理论模型最大拟合对齐，得出偏 差。如果偏差超过10mm，则需要重新上机弯管3平台进行局部矫正；偏差小于10mm， 则可以进入下道对接工序。

另外，还需采用多用途胎架，作为双曲面圆形钢管构件检查和精准校核；所述胎架与弯管的弯曲尺寸匹配，以实现对弧状钢管构件检查和精准校核；弯曲圆钢管置于支撑 检测胎架上进行检测，通过观察托板与弯曲圆钢管的空间控制点所在面的接触情况，判 断弯曲圆钢管的弯弧精度是否符合设计要求，若接触面贴合紧密，弯曲圆钢管加工准确； 若接触面存在间隙或光带，说明存在偏差，需要进行校正。

本发明在具体使用时，按照《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001等规范执行，具体包括：

1)负责编制工艺文件及弯管放样图。

2)建立三检制度，实行并坚持自检、互检、交接检制度，同时做好文字记录。

3)所有特殊工种上岗人员，必须持证上岗，持证应真实、有效、并检验审定，从 人员素质上保证质量得以保证。

4)所有下料及弯管设备均正常工作，误差符合规范要求；所有检测仪器均通过有关部门进行检测鉴定，合格后才能投入使用。

5)钢管在一道工序后应确保检测合格才能进入下道工序，坚持质量过程控制原则。

6)椭圆度检测宜采用卡尺进行检测，检测时应分别沿冷弯管在同一截面上相互垂直的方向进行测量，测量的最大外径与最小外径之差与规定外径的比值即为该位置的椭圆度。检测位置应符合以下规定：

a)在直管段距管端100mm内的位置进行检测；

b)在弯曲段的两端和中间位置进行检测。

冷弯管弯曲段的椭圆度不应大于2.0％；距管端100mm范围内的直管段，椭圆度不应大于0.8％。

整管弯曲角度的偏差应为±0.5°，冷弯管不应出现明显皱褶，冷弯管的起波高度和波浪间距应符合设计规范要求。

应采用颜色易于辨认的油性记号笔在距管端150mm处开始按顺序做冷弯管两端的内、外表面做标识，标识的内容和顺序应符合图8的要求；

说明

A－标段；

B－里程；

C－冷弯管角度；

D－冷弯管编号；

7)成品冷弯管存放应防止变形、受损，应装好管口保护器。

8)冷弯管应单层堆放，应平置堆放在支墩上，支墩应采用不损害冷弯管材质和防腐层的材料堆砌而成。每根冷弯管支墩不应少于3个，支墩的高度应保证冷弯管离地面200mm以上。

9)冷弯管搬运应采用尼龙吊带或专用吊具，吊具与管端坡口的接触面上应衬垫橡胶材料或软金属材料。冷弯管吊装过程中应有专人指挥，管子和吊绳夹角不宜小于30°, 管子两端应设牵引绳使管子卸放准确。吊具与管口曲率相同，且应有足够的宽度和深度。

10)吊装过程应轻吊轻放，不应摔、撞、磕、碰。冷弯管运输时应捆绑牢固，管子 接触面应垫橡胶胶板，并应采用带橡胶的木制垫块、楔块等措施防滑。

发明采用计算机辅助放样，保证了加工制作及后期对接精度，冷顶弯可实现长管节 的顶弯成型，减少了现场的拼接作业量和高空作业，加快了生产进度，减少了高空作业安全风险，从而降低的生产成本。本发明生产设备投入少，可实现施工现场就地顶弯加 工，减少超长构件山区运输受限难题，费用低，仅需两台油压千斤顶改装成弯管设备， 操作简单、方便；且顶弯变形可控。本申请的曲线大直径钢管冷弯成型的加工工法已经 成功地在北川羌族自治县曲山镇楼房坪村桥新建工程(楼房坪溜索改桥)唐家山特大桥 中得到应用经工程实践验证，采用本工法弯管生产效率比正常弯管机弯管效率提高3 倍，同时弯管成本只有火煨弯管50％。

本工法还适用于需要相同顶弯应力和曲率半径及各类低碳钢制作的型钢的弯制施 工。本工法为大直径钢管冷弯成型的加工工艺，是在实际生产中开发形成，并在唐家山堰塞湖跨湖特大桥、攀枝花法拉大桥和荷花池大桥中应用，采用本工法弯制成型钢管， 加工速度快、质量好，经济效益、安全效益、社会效益俱佳，具有广泛的推广应用价值。

需要说明的是，本发明中未详细阐述部分属于本领域公知技术，或可直接从市场上 采购获得，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得，其具体的连接方式在本领域的日常生活中有着极其广泛的应用，此处不再详述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、 “水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径 向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方 位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重 要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征 可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少 两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、 “固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一 体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相 连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对 于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含 义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可 以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一 特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上 方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下 方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平 高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具 体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、 材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的 示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料 或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾 的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施 例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性 的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.大直径钢管冷弯制作工法，其特征在于，包括以下步骤：

A、曲线建模及放样：将拱形桥梁每榀钢管桁架弦杆的线性参数、特征点和控制点标出，并将所有特征点和控制点曲线拟合成光滑弧线；采用坐标系转换原理，将三维曲线转化成二维平面或平面外Z向值较少的三维曲线，并进行等间距加密控制点，以控制弯管的精度；并且采用在CAD辅助设计软件平台上开发的软件进行各控制点的坐标标注，以作为弯管时控制值；

B、下料切割：根据弯曲弦杆的曲线放样的拟合曲线长度进行钢管的下料切割；在下料切割的步骤后，在直段钢管的管轴线及控制点位置上标记环线；

C、液压顶弯：将钢管沿轴向方向吊入顶弯设备内；钢管长度方向的中间位置与圆弧状靠模的外凸弧顶作为支点，钢管两端外侧分别对称设置有千斤顶；再通过两台千斤顶同步向钢管施加外力与靠模逐渐靠近并完全抵接，从而使钢管整体弯曲达到设计要求的塑性变形；弯管弯曲过程中需分多步缓慢顶进；且弯曲到相应位置后需持荷静置，最后回油释放外力；平面上的钢管轴向方向弧度校正后，再将弯管的侧边进行校正使弯管的垂直侧边在同一水平面上，最后切割端头直线段来完成弯管的制作；

D、检测与矫正：对每一根弯管建立局部坐标系，沿着弯管基准线对控制点位进行检测，将实测坐标转换为图纸构件同一坐标中，用曲线“拟合”后还原成实物的中心轴线，将实测构件关键点坐标与构件理论模型最大拟合对齐并得出偏差值，将偏差值与预定偏差值进行比较判断是否需要进行再次顶弯。

2.根据权利要求1所述的大直径钢管冷弯制作工法，其特征在于，还设有胎架，所述胎架与弯管的弯曲尺寸匹配，以实现对弧状钢管构件的检查和校核。

3.根据权利要求1所述的大直径钢管冷弯制作工法，其特征在于，顶弯设备包括千斤顶、靠模和刚性控制操作台；所述千斤顶带动钢管与靠模逐渐靠近；所述刚性控制操作台与所述千斤顶连接。

4.根据权利要求1所述的大直径钢管冷弯制作工法，其特征在于，在钢管和千斤顶之间采用夹具定位，以此实现千斤顶对钢管两端的定位夹持来均匀传力。

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