劉 波，黃 偉，代繼波，文 杰，徐國(guó)友

（1.瀘州市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，四川 瀘州 646099；2.中冶建工集團(tuán)重慶鋼結(jié)構(gòu)有限公司，重慶 400054）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性好、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。鋼結(jié)構(gòu)加工制作中，對(duì)鋼板進(jìn)行彎曲的傳統(tǒng)方法有三種：一種通過火焰對(duì)鋼板的彎曲區(qū)域加熱到一定溫度，使鋼板的屈服強(qiáng)度降低，再利用千斤頂或大錘等外力對(duì)鋼板進(jìn)行施力，這種方法主要運(yùn)用在寬度與厚度不大的部件，對(duì)于較大厚度的鋼板，此方法效率低且無法控制鋼板的均勻變形，其精度要求無法保證。第二種方法是通過折彎?rùn)C(jī)的機(jī)械傳動(dòng)力對(duì)鋼板進(jìn)行折彎，這種方法只能通過配套的凹凸模具對(duì)鋼板的折彎角度進(jìn)行控制，無法將鋼板折成弧度要求高的零部件，同時(shí)，折彎?rùn)C(jī)的工作區(qū)間以及額定載荷有限，無法對(duì)寬厚鋼板進(jìn)行折彎壓制弧形。第三種方法是通過卷板機(jī)對(duì)中厚板進(jìn)行卷彎，該方法的缺點(diǎn)是難以控制彎曲點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，同時(shí)，該方法很難對(duì)同一鋼板進(jìn)行不同方向的連續(xù)卷彎。

鑒于此，為完成重慶軌道交通 4 號(hào)線唐唐站鋼箱梁高架橋底板（板厚 δ=32 mm，板寬 b=5 000 mm）在同一鋼板不同方向的的圓弧彎曲壓制加工（見圖 1），研發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)寬厚鋼板彎曲成形的門式壓彎?rùn)C(jī)裝置及模具，來攻克寬厚板在不同方向一次性壓彎成形這個(gè)難題。

圖1 底板截面示意圖（單位：mm）

1 模具的設(shè)計(jì)

模具的設(shè)計(jì)對(duì)鋼板一次性成型至關(guān)重要，因鋼板彎曲長(zhǎng)度達(dá) 5 000 m m，因此模具的長(zhǎng)度不應(yīng)＜5 000 mm。由于存在彈性恢復(fù)，使彎曲件彎曲部分的曲率半徑和彎曲角度在外力撤銷后發(fā)生彈性恢復(fù)，對(duì)彎曲回彈控制是為了更好地控制回彈，達(dá)到彎曲精確 成型［1-3］。

1.1 下模設(shè)計(jì)半徑

下模在整套模的形狀決定上模的形狀，下模半徑由鋼板壓彎半徑以及鋼板回彈兩因素決定。

對(duì)于 Q345 鋼中，下模設(shè)計(jì)的半徑 R［4］，見式（1）（2）：

式中：E 為楊氏模量，MPa；μ 為泊松比，0.31；σs為屈服強(qiáng)度，MPa；h 為鋼板厚度，mm；r 為板彎曲半徑，mm；k 為簡(jiǎn)化系數(shù)。

將（2）帶入（1）得：

1.2 下模深度及寬度設(shè)計(jì)

對(duì)于 Q345 鋼板變形回彈前半徑 R=850 mm，回彈后半徑為 r=1 000 mm，測(cè)量回彈后弧長(zhǎng) S=524 mm（圖 1 中獲取），則設(shè)計(jì)深度 d 應(yīng)滿足公式（3），得：

設(shè)計(jì)凹模的寬度 W 滿足公式（4），綜上可得出凹模與鋼板回彈曲線（見圖 2）。

圖2 凹模與鋼板回彈曲線（單位：mm）

凹模的設(shè)計(jì)曲線按照?qǐng)D 2 中所示，半徑 R=850 mm，深度為 40 mm，寬度為 518 mm，因板厚度有 32 mm，凸模的半徑小于凹模，本設(shè)計(jì)凸模 R=840 mm。

2 門式壓彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)

將板厚 δ=32 mm，板寬 b=5 000 mm同一鋼板在不同方向壓制成圓弧形，不僅要考慮加工構(gòu)件的工作面，還需顧及操作的可行性，因此壓彎?rùn)C(jī)外框結(jié)構(gòu)不能采用臥式框架，只能采用門式框架。門式壓彎?rùn)C(jī)框架包括上下橫梁以及兩根豎向梁，采用鋼結(jié)構(gòu)焊接制作而成，通過計(jì)算鋼板彎曲所需要的力，運(yùn)用液壓千斤頂作為驅(qū)動(dòng)力，門式框架在千斤頂?shù)淖饔孟拢荒馨l(fā)生塑性變形以及失穩(wěn)。

2.1 彎曲力計(jì)算

將厚度為 32 mm 鋼板放在模具當(dāng)中，對(duì)上模施加外力，使鋼板沿著模型設(shè)計(jì)的形狀變形，得到彎曲力，見式（5）：式中：b 為鋼板寬度，mm；t 為鋼板厚度，mm；r 為鋼板彎曲半徑，mm；σ 為鋼板的抗拉強(qiáng)度，MPa。

因此，鋼板彎曲需要施加外力 433 t，將 433 t 的力用兩個(gè)液壓千斤頂來完成，每個(gè)液壓千斤頂?shù)钠骄芰?216.5 t?，F(xiàn)有兩臺(tái)額定載荷為 1 000 t 的液壓千斤頂，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 門型框架橫梁設(shè)計(jì)

對(duì)門型框架的橫梁與豎梁采用焊接連接，所受力設(shè)定為：液壓千斤頂對(duì)橫梁的兩作用點(diǎn)離橫梁邊距離為1.3 m，兩作用點(diǎn)之間的距離為 2.6 m。在通過力學(xué)軟件建模中，兩作用點(diǎn)施加 5 000 kN，兩端為超靜定載荷，如圖 3 所示。

圖3 彎矩受力圖（單位：kN·m）

通過結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件計(jì)算得出簡(jiǎn)支梁最大彎矩Mmax=4 875（kN·m）。通過選用 Q345 材質(zhì)的鋼板制作為 H 型鋼，［σ］min= 460 MPa，則正應(yīng)力強(qiáng)度條件為：

經(jīng)查《鋼結(jié)構(gòu)制作數(shù)據(jù)速查手冊(cè)》規(guī)格為 H498× 432×45×70 的 Wz 最大值為 4 368 cm3，＜10 593 cm3，不符合設(shè)計(jì)要求，因此現(xiàn)有的市場(chǎng) H 型鋼無法滿足設(shè)計(jì)要求。采用箱型 H 型鋼，通過改變其結(jié)構(gòu)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，箱型 H 型鋼截面如圖 4 所示。

圖4 箱型 H 型鋼截面圖（單位：mm）

2.2.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算［5］

受彎構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定的現(xiàn)象是側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，為了保證受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，應(yīng)使其不發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)。對(duì)于該箱型截面，其截面尺寸應(yīng)滿足以下條件：

式中：h 為箱型截面高度，mm；b0為受壓翼緣板的整個(gè)寬度，mm；l1為受壓翼緣側(cè)向支點(diǎn)間距離，mm；fy為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa。

因此，箱型截面整體穩(wěn)定。

2.2.2 截面強(qiáng)度驗(yàn)算

受彎構(gòu)件在彎矩作用下截面上正應(yīng)力發(fā)展四個(gè)階段：彈性、彈塑性、完全塑性、屈曲后強(qiáng)化。對(duì)于直接承受動(dòng)力載荷的箱型截面，不能利用塑性，雖然塑性階段是其極限狀態(tài)，但此時(shí)變形太大，工程上不安全。應(yīng)運(yùn)用彈性階段，因此截面上最大纖維應(yīng)力 σ≤fy。

截面模量：

式中：Wnex為截面模量，mm3；Inex為慣性矩，mm4；h 為截面長(zhǎng)度，mm；M 為彎矩，N/mm；γx為截面有限塑性發(fā)展系數(shù)。

因此，該箱型結(jié)構(gòu)在接受設(shè)計(jì)的動(dòng)力載荷下，處于彈性階段。

2.3 門型框架豎梁設(shè)計(jì)

對(duì)于豎向門式鋼柱，其長(zhǎng)度包括鋼板彎曲后高度差、凹凸模具的厚度、千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度以及伸長(zhǎng)度和工作預(yù)留空間，因此設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 2 100 mm。門型框架豎梁的翼緣寬度根據(jù)橫梁的翼緣板寬度確定，即 600 mm。為保證豎梁整體對(duì)豎向鋼柱在受壓力時(shí)，其變形應(yīng)在彈性階段，構(gòu)件處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，通過在腹板上設(shè)置加勁板，提高腹板彎曲臨界應(yīng)力，以防止彎矩作用下局部失穩(wěn)。設(shè)計(jì)的截面如圖 5 所示。

圖5 日字形柱鋼截面圖（單位：mm）

抗彎強(qiáng)度應(yīng)符合式公式（7）［6-7］：

式中：Mx、My為 x，y 軸（x 為弱軸，y 為強(qiáng)軸）彎矩，N·mm；γx、γy為截面發(fā)展系數(shù)；Wnx、Wny為 x，y 軸截面模量（慣性矩除以中心到兩邊距離），mm3。

通過 SAP 2000 對(duì)其模擬，模擬彎距圖結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 門式框架受力圖

通過分析得到，上部橫梁變形大概有 5 mm（中部）受力點(diǎn)處是 4.4 mm，下部橫梁沒有設(shè)置中點(diǎn)，變形2 mm。上梁的應(yīng)力比最大值為 0.830，下梁的最大應(yīng)力比為 0.703，軸的最大應(yīng)力比為 0.730。與理論計(jì)算符合。通過計(jì)算，最終得到如圖 7 所示。

圖7 門式壓彎?rùn)C(jī)

通過后期對(duì)設(shè)備的制作與運(yùn)用，保證了寬厚底板與腹板完美結(jié)合，減少了工程施工的焊接工作量，通過對(duì)該門式壓彎?rùn)C(jī)設(shè)備裝置及模具的研究和應(yīng)用，解決了施工中的加工技術(shù)難題，在重慶軌道交通 4 號(hào)線接合鋼箱梁的加工中發(fā)揮著較大作用（寬厚板壓彎后的實(shí)際圖見圖 8）。

圖8 寬厚底板與腹板結(jié)合圖

3 結(jié)語

通過回彈性能，設(shè)計(jì)半徑 R=850 mm 的凹模，半徑 R=840 mm 的凸模壓制半徑 R=1 000 mm，板厚δ=32 mm 的鋼板。為考慮板寬 B=5 000 mm 在壓制過程的可行性以及壓彎?rùn)C(jī)門式框架的安全性，將門式框架凈寬設(shè)計(jì)為 5 200 mm，承受總壓力 10 000 kN，確定橫向“口”字截面和豎向“日”字截面的門式框架穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)寬厚鋼板門式壓彎?rùn)C(jī)的設(shè)計(jì)與加工，能夠精確地對(duì)寬厚鋼板進(jìn)行定點(diǎn)壓彎，在保證構(gòu)件加工精度的同時(shí)，降低了工程材料的損耗，節(jié)約了工程施工的人工費(fèi)用，后期運(yùn)用證明，更改模具，可以壓制板厚 δ=100 mm 的厚鋼板。通過研發(fā)設(shè)計(jì)的門式壓彎?rùn)C(jī)及模具裝置可對(duì)今后加工類似構(gòu)件具有很好的推廣意義。