超大跨度薄壁网壳制作变形控制技术

国家会议中心二期项目会展区屋盖位于会场区与会展区位置，标高+45.000?m，跨度72?m，属超大型无柱空间网壳结构，屋面采用大跨度平面桁架及圆柱面空间网壳结构体系。 会展区采用箱型钢网壳结构，主会场顶部采用弧形钢管单片桁架结构。

钢网壳屋盖主杆件主要规格为□700×200×18×18和□700×200×20×20，次杆件规格为□500×200×10×10和□500×200×16×16，单片管桁架规格为P700×30（40）、P400×20，主要材质为Q355B（图1）。

图1　会场区屋盖布置示意

1　屋盖网壳制作难点

屋顶花园网壳结构造型新颖，为超大跨度的单层薄壁空间结构，刚接节点。构件截面形式有成品箱型和焊接箱型两种，均为薄壁杆件。空间结构节点形式复杂，施工中存在焊接变形大、交叉焊接困难等变形控制难点。

1.1　切割变形控制难点

梯形构件截面小，钢板薄，最小板宽仅200?mm、厚度仅10?mm，薄板窄条切割后板件呈不规则弯曲，受热后易发生平面旁弯和侧面弯曲，精度控制 困难。

1.2　构件拼焊变形控制难点

小截面薄壁杆件焊接变形大；箱型截面因翼缘宽度仅200?mm，受焊接热影响后变形不同会导致构件扭曲；构件的平面度和直线度等精度很难保证。

1.3　内部隔板电渣焊焊接难点

腹杆板厚仅10?mm，内隔板电渣焊焊接困难，焊丝不能摆动，焊接质量无法保证；由于主体板薄，隔板焊接后主体外侧留有焊接印迹，影响外观质量。

1.4　相交节点处焊接变形控制处理难点

因箱型次杆与主杆及相邻次杆间夹角较小，米字形节点相交处坡口角度太大，无法开设焊接坡口。

2　屋盖网壳弧形主杆制作及精度控制

会展区采用箱型薄壁钢网壳结构，主会场顶部采用弧形钢管单片桁架结构。在工厂制作箱型钢网壳结构时主要考虑制作网壳主箱梁，其余则先制成单根箱型构件散件再运至安装场地。

主箱梁单根重量相对较轻，制作长度可根据运输长度分段。本项目为国家重点工程，网壳制作验收标准要求更高，构件的精度和变形成为制作过程中的控制重点。

2.1　薄壁板切割变形控制

箱型薄壁钢网壳结构截面较小，面腹板宽度仅200?mm且为薄板，薄板窄条切割后板件呈不规则弯曲状，需经机械矫正方可进入下道工序进行加工 制作。

在等离子数控切割时因薄板窄条切割受热后存在平面旁弯和侧面弯曲，为此采用油压机和矫平机配合进行零件板的变形矫正。

2.2　地面线型及专用胎架变形控制

为保证构件各控制点的弧度和整体平面度，先在地面上划出1∶1构件轮廓，再根据线型位置搭设专用胎架（图2）。弧形主杆件及主体板须与地面定位点一一对应，以满足组装精度要求制作时。交叉进行装配和焊接，以控制构件变形。

图2　专用胎架

（1）检查地样线尺寸，将公差控制在1?mm内。

（2）因拼装胎架是保证构件预拼装精度的首要条件，故胎架设置应正确且有一定的承载能力。

（3）严格将胎架高度误差控制在2?mm内。胎架设置后进行自检互检并交专职质检员进行验收，确认合格后方可使用。

2.3　节点板拉索孔及拉杆孔镗孔精度控制

（1）节点板拉索孔及拉杆孔精度要求极高。张拉孔及拉杆孔钻孔后，使用镗床进行镗孔加工，孔径误差须控制在0~0.1?mm。车制拉索孔，时拉索板上两侧加固环需先与拉索板焊接后再进行整体镗孔，孔径误差须控制在0.5?mm内。节点板拉索孔及拉杆孔需在专用镗孔机器上镗孔，并应实时观测镗孔精度 （图3）。

图3?节点板拉索孔及拉杆孔的精度要求

（a）拉索孔；（b）拉杆孔

（2）节点板拉索孔及拉杆孔镗孔完成后组装在构件上，统一用比孔径小0.2?mm的假轴进行定位。组装焊接完成后再用假轴进行二次试穿，孔同心度误差不大于0.3?mm，100%合格方可通过验收。按地样线分步吊至胎架上进行定位，同时用线坠对准地面定位基准线和销轴孔定位中心点，销轴孔定位误差控制在0.3?mm内（图4）。

图4　节点板精度控制

（3）节点板定位合格后，进行底板及端封板定位，定位时应严格控制其轮廓线和垂直度，底板垂直度偏差应控制在0.5?mm内，底板、端封板与节点板焊接后再焊接加劲板底板加劲板。

2.4　弧形段变形控制

（1）为保证制作精度满足要求，在专用胎架上进行弧形段拼接，应严格按制作工艺步骤进行定位组装。考虑到节点区拼接焊缝要求全熔透而非局部熔透易导致弯曲变形。为此，将构件本体主焊缝采用埋弧焊，同时控制焊缝余高。

（2）网壳主杆件面腹杆板厚仅10?mm，其内隔板电渣焊时，由于焊丝不能摆动无法保证焊接质量，通过在内隔板两侧加衬垫满足施焊要求。由于本体板厚较薄，进行电渣焊时应控制焊接过程产生的热量，以避免烧穿构件本体，并避免焊接后在主体外侧出现印迹而影响外观质量（图5）。

图5　弧形段装焊

（3）由于网壳小截面薄壁杆件翼缘宽度不同且最小宽度仅200?mm，受全融透和部分熔透的焊接热影响，会因变形不同导致构件扭曲，难以保证构件的平面度和直线度等精度，需经大量的火工矫正将构件的变形控制在验收标准内。单根杆件需经两次火工矫正，U形火工矫正和箱形火工矫正（图6）。

（a）

（b）

图6?杆件火工矫正过程

（a）薄壁杆件火工矫正；（b）杆件变形矫正及精整打磨

2.5　节点板及弧形段对接变形控制

因弧形段和节点板端封板处设有内部加劲板，为满足加劲板的焊接要求，在对接处弧形段上侧面制作一段嵌补板。弧形段制作完成并矫正验收合格后分别在专用胎架上将节点板、弧形段在胎架上进行二次定位组装。组装定位合格后再进行内部加劲板的退装及退焊。内隔板装焊后再装焊嵌补板，焊缝需磨平。

2.6　弧形主杆整体组装变形控制

因钢网壳主杆外观焊缝要求较高，为保证屋盖网壳外形美观，所有杆件均需进行彻底精整及打磨。特别是焊缝部位，焊缝余高须控制在2?mm，弧形主杆件的组装焊接工序应交叉进行。焊接完成后，验收时再次上胎架定位进行完整性验收。由于主杆后期需增加幕墙埋件板，埋件数量较大且焊接要求较高，焊缝余高需也须控制在2?mm内且需对主杆件的变形做最后的变形矫正。

3　屋盖网壳杆件验收

箱型薄壁钢网壳结构杆件的组装与焊接工序交叉进行，焊接完成后需进行二次定位验收。为此制定了严格的检测制度，焊前车间自检互检后提交专职检查员及驻厂监理进行检查，焊接过程中进行检测，焊后再进行完整性检测，采用地样法和全站仪配合的方法进行检测，以确保检测结果满足构件验收公差要求。

超大跨度屋顶花园网壳结构特殊且构件构造复杂，制作过程中难免会出现单根构件尺寸超差。解决方法一是对超差部位进行修整，二是使与超差端口相关联的另一端口的制作公差与之匹配，确保安装后的板边差及间隙等满足连接要求。实际操作时，在满足质量要求的前提下，根据偏差数据采取与之配合的纠偏方法进行调整。

箱形杆件完整性交验时的公差要求见表1。

表1　箱形杆件的公差要求