高精度控制技術在卡塔爾賴陽體育場項目中的應用

鄭 棟，沈李強，鄧鵬明，水 峰，孫吉華，陳芳亮，陶偉東，龍 彪，章 強，潘 斌，潘春婷，崔文明，王 騰

(浙江精工重鋼結構有限公司，浙江 紹興 312000)

1 工程概況

賴陽體育場(見圖1)是2022年卡塔爾世界杯的主場館，主要結構為48段1 m×1 m壓環、8根φ105 mm拉桿和48個徑向桁架組成的預應力張拉結構。精度要求高，48段壓環總長度為460 m，允許±10 mm偏差，單段壓環允許±1 mm偏差；結構整體預變形，壓環、拉桿以及桿件均為無應力狀態。典型節點分析如圖2所示。

圖1 建筑效果圖

圖2a中，壓環梁長8.8 m，寬1.0 m，高1.0 m，最大質量為16 t，兩端為高強螺栓聯接，厚度為60 mm且需整體銑平。箱體彎扭，截面為1 000 mm×1 000 mm，內部隔板眾多且密集。圖2b中，屋面梁長8.2 m，寬0.4 m，高0.8 m，最大質量為3 t，箱體截面為800 mm×400 mm。有眾多拉索連接板、支撐連接板。圖2c中，幕墻連接處均為銷軸聯接，需要機械加工，精度要求高，角度方向控制難度大。

a)典型節點一：壓環梁節點

2 工程特點及重難點分析

賴陽體育場作為2022年世界杯主場館，將承擔開幕式、揭幕賽、決賽、閉幕式等多項重任，建成后將成為卡塔爾的國際化地標建筑，其重要性不言而喻，工程的特點和重難點如下。

1)結構復雜性：不管是主結構壓環，還是次結構的屋面、幕墻都使用大量的銷軸耳板連接，且連接方向多變，控制難度較大。

2)焊接高難度性：鋼板最厚為65 mm，小夾角部位多，節點內部隔板密集，施焊空間狹小，焊接難度大，如何保證焊接質量及控制焊接變形是制作的難點之一。

3)尺寸高精度性：壓環梁總長度驗收要求1 mm以內，端板角度偏差0.5 mm以內，端板平面度要求0.3 mm以內，安裝后端板緊密貼合，不允許存在間隙。

3 典型節點尺寸精度控制

本文以壓環梁為例，詳述節點的制作關鍵技術及精度控制。

3.1 焊接尺寸控制

采用CO2氣體保護焊進行焊接。焊材選擇大西洋焊絲CHW-50C6，直徑為1.2 mm。電流為220～300 A，電壓為24～34 V，焊接速度為25～38 cm/min。焊前預熱：采用火焰預熱，預熱溫度不低于100 ℃[1-3]，預熱加熱寬度為焊縫兩側各100 mm，測溫點在離電弧經過前的焊接點各方向50 mm處。焊接過程采用對稱施焊、多層多道焊。控制熱輸入，層間溫度不超過250 ℃。層間溫度測量點在焊道的起始點。

1)T型件的組焊(見圖3)：焊縫要求為熔深焊縫，端板厚度為65 mm，采用K型坡口形式，焊縫形式如圖4中weld3所示。焊接前端板進行加固，減少變形，焊接后進行探傷檢測，合格后，矯正兩板之間的角變形及端板平整度。

圖3 T型件的組焊

2)箱體組焊(見圖5)：箱型主體裝配焊接U型件；再裝焊加勁板(三邊焊，雙面角焊縫)；最后裝配上翼板并完成焊接。箱型主體焊縫，端頭1 500 mm為全熔透一級，焊縫形式如圖4中weld1所示，中間部位為部分熔透，焊縫形式如圖4中weld2所示；主體焊縫用小車蓋面，保證焊縫外觀質量；箱型主體與端板為PPBW+8 mm角焊縫，28 mm熔深，焊縫形式如圖4中weld4所示，端板孔邊到焊縫距離至少23 mm；插板與箱型主體的焊縫為PPBW，22 mm熔深，焊縫形式如圖4中weld5所示；主體與端板先打底，再做反變形，然后焊接，焊接時注意對稱施焊[4-5]。

圖5 箱體組焊

3)整體組焊(見圖6)：將檢驗合格的端頭T型件與箱體進行組裝，對稱打底焊接，然后下胎架對稱施焊，端板焊接完成后，將端板校正平面度至2 mm以內。

圖6 整體組焊

3.2 箱體端銑精度控制

箱體的上翼板和左右腹板需要劃線、打樣沖點，每個面3條基準線(9個樣沖點)。

1)腹板：端頭基準線距離端銑線300 mm，中間的基準線平行于左端的基準線且經過兩端基準線對角線的交點；基準線與箱體面中心線、板邊進來10 mm線的交點打樣沖(1,2,3,4,5,6,7,8,9)，腹板畫線如圖7所示；深化給出上述樣沖點的理論坐標值。

圖7 腹板畫線示意圖

2)上翼板：端頭基準線距離端銑線300 mm，中間的基準線為左右腹板的中間基準線連線；基準線與箱體面中心線、板邊進來10 mm線的交點打樣沖(1,2,3,4,5,6,7,8,9)，翼板畫線如圖8所示；深化給出上述樣沖點的理論坐標值。

圖8 翼板畫線示意圖

3)畫線完成后，班組報質檢復測端銑線的準確性。

4)復測無誤后，班組按下料線下料后，轉端銑場地。

5)構件上端銑胎架、調整完畢后，測量(全站儀)上述腹板和翼板分別畫好的9個樣沖點，檢查構件擺放正確與否。

6)端銑分2次，首次進刀2 mm，第2次進刀1 mm；一頭端銑完成后，端銑另一頭前，應在端銑架子上先進行測量。

7)端銑完成后開35°坡口，留4 mm鈍邊。

3.3 端板裝配尺寸控制

孔位坐標如圖9所示。壓環在胎架上裝配，裝配完成后全站儀測量兩頭端板的孔位尺寸(銷軸孔E1、F1、G1、H1、J1、K1、E2、F2、G2、H2、J2、K2和螺栓孔群4個角點位置的孔A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2)以確保定位的準確性。

圖9 孔位坐標圖

孔位測量采用全站儀檢測(見圖10)，借助全站儀配合球形棱鏡來精確測量孔的坐標。全站儀測量完成后，將數據導入分析軟件與理論模型對比，然后指導現場調整。焊前三維掃描數據分析[6-7]如圖11所示，焊前調整并復測合格后，胎架上對稱打底焊接，然后下胎架對稱施焊，焊后去應力；焊后全站儀測量，測量完成后，數據再次導入軟件進行分析，初步調整因焊接引起的變形。

a)站點設置

圖11 焊前三維掃描數據分析

3.4 端板端銑精度控制

通過三維掃描對已調整完成的構件進行掃描，并記錄掃描時的構件溫度，掃描完成后，把掃描數據轉化成溫度為30°的模型數據，避免溫度所帶來的對構件的誤差。然后通過虛擬分析軟件對掃描結果進行分析(見圖12)，最后確定端板所需的端銑量來指導端銑。

圖12 焊后三維掃描數據分析

先將構件在端銑機工作平臺上進行粗對齊，再使用百分表根據三維掃描的端銑數據進行對刀(見圖13)，精調構件擺放姿態，要求對刀誤差控制在0.1 mm以內，最后將構件進行位置加固后端銑。

圖13 使用千分表對刀

4 預拼裝精度控制

預拼裝要求如下。

1)循環預拼裝，每次8段(見圖14和圖15)，留2段作為下次預拼裝循環使用。

圖14 第1～8段預拼裝示意圖

圖15 第7～14段預拼裝示意圖

2)壓環必須在無外力和內力存在的情況下進行預拼裝。

3)端面密貼，無間隙。

4)每個預拼裝單元與理論模型的偏差不超過10 mm，應將數據反饋到實際的后續端銑加工中，減小后續的拼裝偏差。

在后面循環預拼裝中，端板D18～D28可先按構件圖端銑完成，端板D17必須通過D16來確定端銑面(見圖16)。

圖16 與循環段接觸面端銑要求

整個測量過程對構件溫度進行時時記錄(見圖17)，因測量時間較長，整個過程中構件表面溫度會發生變化，對每個時間段所測量的數據進行溫度轉化，確保所有測量數據在同一溫度狀態下。

圖17 構件溫度測量

5 結語

本文詳述了工廠制作時本項目的工程特點及制作重難點，同時以典型壓環梁為例，進行關鍵制作工序高精度控制及測量的研究，實現了本工程構件尺寸精度控制要求，取得了良好的效果，同時可為類似工程提供借鑒和參考。