田 翀 李悦光 杨啸磊
（中建钢构有限公司，广州 510600）
摘 要：菜场馆工程采用大跨度空间异型弯扭结构体系，其外网格钢结构多为异型薄壁弯扭构件。通过大量数值模拟分析及方案论证，对其外网格钢结构采用“地面拼装、分片单元原位吊装、高空散件嵌补”的方法进行安装。由于外网格钢构件板厚较薄，弯扭度较大，构件焊接质量及焊接变形控制难度大。焊接施工过程中通过合理的工艺及控制措施，保证了焊接质量，焊缝检测一次通过率达到98%。
关键词：大跨度空间异型结构；薄壁弯扭；外网格钢结构；焊接工程；质量控制
DOI:10. 13206/j,gjg201606017
1 工程概况
该工程为省“三个一百”重大项目之一，是一个纵贯南北2 600 m，横跨东西1 000 m，平地架空14 m的大体量、广布局、多层次的建筑群，如图1所示。项目规划用地为152hm2，地上总建筑面积约为404.8万m2，地下建筑面积约103.8万m2，为国际会展、国际会议、旅游服务、商业文化娱乐为一体的大型城市综合性公共建设项目。工程已于2015年6月投入使用。
1.1 结构特点
该工程外网格钢结构由主序厅网格．花瓶柱及幕墙柱、内弧网格、角部网格、边网格及外弧网格组成（图2）。所有构件均为三维箱型弯扭构件，网格结构最大跨度104 m，最大矢高34 m，主要材质为Q345B。构件最大截面规格为口(2 500~1 300)×900×25×30，最小截面规格为口400×600 x8 x8。
1.2工程重、难点
1)吊装单元现场拼装。该工程外网格全部为空间曲面，每根构件具有不同程度的空间弯扭特征，现场吊装单元多，拼装量大。构件制作、运输、堆放、焊接、吊装等原因会使构件产生一定变形，多牛腿构件现场拼装精度控制难度大。
2)安装胎架布设。网格钢结构拱架跨度达104 m，矢高达34 m，安装时需搭设支撑胎架，胎架设置需综合考虑网格安装及卸载。
3)复杂异型空间钢结构安装精度控制。异型弯扭构件空间定位控制点多，且网格结构变形受温度影响大，现场三维测量控制及测量数据检验难度大。
4)现场安装精度控制。该工程网格构件多为异型空间弯扭构件的多曲面汇交，受安装误差累积、温度变形、焊接变形等影响，安装精度控制难度非常大。
5)弯扭构件焊接。该工程所有网格构件均为异型弯扭构件，且大部分构件板厚在8~ 14mm，薄板焊接变形及残余应力控制难度大；现场高空焊接量大，网格与主梁节点焊接夹角小，焊接环境差。
1.3 焊接特点
1)结构复杂，空间跨度大，焊接位置复杂多变、焊接工程量大。
2)高空焊接工作量大，焊接作业条件差。
3)板厚样式多，薄板所占比例大，焊接变形及残余应力控制难度大。
4)现场拼装焊接位置多变，结构几何形状复杂、焊缝密集，对焊工技术要求较高。
5)焊缝等级要求高，现场对接焊缝均为一级焊缝。
2 焊接整体思路
根据该工程外网格结构特征及焊接施工特点，采用吊装单元地面拼装，高空原位吊装方法进行网格结构的安装。网格结构预留部分构件作为嵌补散件，待分片单元吊装就位后，进行嵌补件安装。分片单元及嵌补件安装及校正完成后，整体焊接。
3 焊接质量控制措施
3.1 焊接工艺确定
1)焊接设备及焊材选择。该工程外网格钢结构材质为Q345B及Q420GJB，构件现场对接处焊缝均要求为一级全熔透焊缝，焊接质量要求高。对于现场对接焊缝的焊接均采用C02气体保护焊，确保构件焊接质量。
焊缝打底层及中间层采用ER55实芯焊丝进行焊接，Q345B钢材构件对接焊面层采用E50药芯焊丝，Q420GJB钢材构件对接焊面层采用E55药芯焊丝。
2)关键焊接参数选择。由于工程板件厚度较小，焊接热量对构件变形影响较大。对于6～
12 mm板厚的构件对接焊，采用双层焊道填充焊接，每道焊缝厚度不大于6 mm；对于其他板厚构件对接焊，根据板厚实际情况采用多层多道焊，其中首层焊缝厚度不超过8 mm，中间层及面层焊缝厚度不超过6 mm。
3.2 合理分片分段
对于薄壁异型弯扭网格构件的安装，分片过大、高空对接口数量过多将增大现场焊接的难度，焊缝质量及构件安装精度难以保障；分片过小则会增大现场焊接工作量，且过多的焊缝也将带来过大的焊接变形及影响结构美观。根据工程网格结构特点，并参考以往类似工程施工经验，会展项目外网格钢结构参照以下标准进行分片分段：
1)控制分片单元之间高空对接口数量。
分片分段时，尽量保证分片单元呈矩形，方便现场吊点选择及减少因分片过于异型引起吊装变形。分片单元高空对接口数量不多于4个，分片过大虽能提高现场吊装效率，但薄板焊接变形较大，很难保证每个对接口安装精度都能在JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》要求范围内，从而增加现场构件修改量，影响安装效率，见图3。
对于因结构位置特殊无法进行分片的单元，其单杆分段位置应避免跨中分段，分段尽量在节点区以外600～1 000 mm范围内。当杆件下部有支座支撑时，分段位置尽量位于支座左右600～1 000 mm范围内。
2)设置高空嵌补。
高空嵌补件的设置可消除或减小因焊接产生的构件变形，同时，嵌补件也有助于消除构件的加工及安装误差，保证网格结构整体安装精度。分片单元之间除直接对接口外，其他对接口均为高空嵌补对接口。嵌补杆件两端200 mm范围本体现场焊接，待对接口调校焊接完成后进行预留焊缝焊接，见图4。
3.3 “三点定面，四点定高”拼装方法
该工程外网格钢结构吊装单元多，吊装单元多为曲面状的三维结构单元。根据常规地面拼装方案，拼装措施量大，拼装胎架支撑点处分片单元的标高各不相同，现场焊接条件差。
在实际施工过程中，根据三点确定一个平面的原理，不同吊装单元在进行地面拼装时，将其转化为1、2、3点同处一个平面，第4点为平面外标高可调点的思路来设计地面拼装胎架（图5）。根据上述思路设计出的拼装胎架，不同的拼装单元可通过第4点的调节，来实现拼装胎架的通用性，即节省了拼装措施，又使每个单元尽量呈一个平面布置在胎架上，便于施焊。
由于每个拼装单元尺寸各异，拼装胎架设计过程中1、2点及3、4点间距根据构件分片情况调整好后保持不变，A轴固定.平移B轴以适应不同尺寸的分片单元。
3.4 焊接过程监控
薄壁异型构件焊接变形大，焊接施工过程中对构件变形情况实时监控，发现异常情况及时处理。
1)拼装焊接监控。
地面拼装焊接前，选取待拼装构件牛腿端口或构件本体端口4个角点，作为拼焊变形监控控制点。施焊前记录控制点坐标，施焊过程中采用全站仪对控制点坐标进行实时监测。每条焊缝施焊时监测接口不少于2个（即至少8个监测点）。
2)高空对接焊接监控。
高空分片单元对接及嵌补件对接施焊前，选取待焊接单元或构件的一个牛腿端口或本体端口4个角点，作为高空焊接构件变形监控控制点。监测方法同拼装焊接构件变形监测。
3)焊接变形过大处理方法。
当施焊过程中监测到控制点坐标误差超过3 mm时，更改焊接位置或方向，从反面或反方向焊接以纠正偏差，同时采用小电流焊接，减少焊接热量输入。
4 结束语
对箱型弯扭薄壁异型网格结构，由于因地制宜地采用了地面拼装、高空原位吊装、散件嵌补的安装方法，制定了合理的焊接工艺及拼装方案，在保证焊接操作人员安全、焊接作业空间及焊接质量的前提下，减少了焊接措施投入。经科学分析设计和合理施工部署，该工程外网格钢结构焊接焊缝监测通过率达到98%，取得了良好的效果。
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