1 工程概况

　　卢赛尔体育场位于卡塔尔首都多哈以北约15 km的卢赛尔新城。项目东临海湾，西邻卡塔尔半岛东侧豪尔滨海高速。该体育场建成后将承办2022年卡塔尔世界杯开幕式、闭幕式、揭幕战、决赛及半决赛等重大赛事活动。体育场外观呈碗状，边缘为马鞍形，东西高、南北低。观众总容量约92 500人，建筑面积约16万m²，屋面投影直径309m。基础采用独立基础+筏板，看台结构体系由框架-剪力墙+钢桁架结构组成，外立面结构由主体钢结构和屋面索膜结构组成。主体钢结构由24段压环、48榀V形柱及V形柱间幕墙填充桁架组成。主体钢结构如图1所示。

　　2 V形柱布置与参数

　　图1 卢赛尔体育场钢结构示意  

　　48榀V形柱通过24个球形支座与下部巨型钢筋混凝土柱连接，均匀分布于体育场1圈。V形柱布置如图2所示。每个支座处由2榀V形曲线网格柱组成，分2榀拼装和吊装，先起吊带柱脚V形曲线网格柱，通过球形支座固定;后起吊不带柱脚V形曲线网格柱，高空对接焊接固定。单榀V形柱重97～147t，带柱脚最大重147t，不带柱脚最重为97t。考虑吊装设备配件吊索、千斤顶、卸扣等，单榀最大起重量约185t。V形柱杆件为箱形截面，尺寸为RHS350×650×16×25～RHS900×1 500×50×50。V形柱最大长度约50m，开口尺寸约15.5m。

　　图2 V形柱布置 

　　球形支座顶板尺寸为2 870mm×2 370mm，板厚115mm;底板尺寸为2 000mm×2 000mm，板厚90mm。底板通过60颗10.9级M45螺栓与巨型混凝土柱预埋件连接，顶板通过120颗8.8级M42螺栓与柱脚连接。

　　3 胎架布置与V形柱拼装

　　3.1 胎架布置

　　3.1.1 材料

　　1)胎架基础C25混凝土墩尺寸为0.8m×0.8m×0.4m,1.0m×1.0m×1.0m。

　　2)预埋钢板尺寸200mm×200mm×10mm (带200mm长锚固钢筋)。

　　3)胎架尺寸HM148×100×6×9 (Q235B),RHS200×120×8(Q345B),SHS140×8(Q345B)。

　　支撑胎架与混凝土基础预埋钢板采用焊接固定。

　　3.1.2 布置

　　通过Tekla三维模型导入CAD中，在CAD模型中布置胎架，提取坐标，现场放样。内弦杆设置6～8个胎架，直腹杆设置5个胎架，端口悬挑杆件设置3个胎架。内弦杆胎架基础埋置深度为0.3～0.6m，胎架布置如图3所示。

　　图3 胎架布置  

　　3.2 V形柱拼装

　　3～4段内弦杆编号为IC1～IC4;6段外弦杆编号OC1～OC6;5段直腹杆编号为WB1,WB3,WB5,WB7,WB9;6段斜腹杆编号为WB2,WB4,WB6,WB8,WB10,WB11。杆件焊缝节点编号如图4所示。

　　由于V形柱拼装单根杆件最重≤22t，采用55t汽车式起重机或70t履带式起重机拼装，拼装顺序编号如图5所示。先拼装(1)～(4)内弦杆，调节杆件使接口处杆件装配满足要求，利用马板固定各内弦杆。其次拼装(5)～(9)直腹杆，然后拼装(10)～(15)外弦杆。当内弦杆、直腹杆及外弦杆装配尺寸满足焊前测量报检要求、焊口满足装配报检条件后，即可开始焊接。由于斜腹杆拼装受到外弦杆隐蔽焊缝OC2J2,OC3J2,OC4J2,OC5J2,OC6J1的影响，待节点焊接及探伤合格后，再拼装(16)～(21)斜腹杆。

　　图4 杆件焊缝节点编号  

　　图5 杆件拼装顺序编号  

　　4 报检流程与焊接技术

　　4.1 焊前测量

　　V形柱施工过程中受结构自重影响，较易发生位形变化，为保证V形柱位形在竣工状态下与设计状态下一致，在拼装过程中设置变形预调值来补偿施工过程中的结构变形。构件拼装测量定位按施工模拟得到的预变形调整后的坐标作为施工测量定位坐标。拼装过程中尺寸定位点如图6所示。

　　图6 尺寸定位点  

　　内弦杆拼装完成后，整体尺寸校核允许误差为±25mm，两点拱高尺寸校核允许误差为±15mm;外弦杆每段尺寸校核允许误差为±10mm，整体尺寸校核允许误差为±25mm;杆端开口尺寸校核允许误差为±10mm。

　　4.2 焊接形式与焊接要求

　　焊缝是否满足焊接要求，一般通过3个参数评价:坡口角度、根部间隙、错边值。普通对接焊缝通过量角规、塞尺、错边量规进行测量，如内弦杆IC1～IC4、直腹杆WB1,WB3,WB5,WB7,WB9及斜腹杆WB11对接焊缝。外弦杆OC1～OC6由于与直腹杆对接焊接，普通错边量规在某些位置无法测量直腹杆端板与外弦杆错边值，需利用曲型规进行测量;斜腹杆WB2,WB4,WB6,WB8,WB10小夹角参数的测量，需利用特制量角板进行。

　　1)普通对接焊缝坡口形式如图7所示。

　　图7 普通对接焊缝坡口形式及参数  

　　焊接要求:(1)t₁=t₂=3～24mm,F=2mm(最大)，A=35°～40°，G=0～3mm (不加衬板)，G=6～9mm(加衬板);(2)t₁=t₂=12.5～24mm,F=0,A=35°～40°，G=12～50mm(加衬板);(3)t₁=t₂=25～50mm,F=0,A=35°～40°，G=6～60mm，加衬板;(4) t₁=t₂=25～60mm,F=2mm(最大)，A=35°～40°，G=6～9mm(加衬板);对接焊缝错边要求<0.1t且最大值为3mm。

　　2)外弦杆OC1～OC6焊缝坡口形式同普通对接焊缝，错边测量过程中用到曲型量规。

　　3)斜腹杆WB2,WB4,WB6,WB8,WB10小夹角焊缝坡口形式如图8所示。

　　图8 小夹角焊缝坡口形式及参数  

　　每榀V形柱共10个小夹角焊缝，其中有7处焊缝为全熔透焊缝;其余3处焊缝(WB2,WB8,WB10与外弦杆夹角)为角焊缝。

　　焊接要求:(1)全熔透焊缝t₁=16～22mm,t₂=25mm,A≥15°，φ≥35°，G=6～20mm (加衬板);(2)角焊缝t₁=16～22mm,t₂=25mm,A≥25°，G=0～6mm，焊缝尺寸≥2.5t₁。

　　4.3 焊接顺序

　　为防止焊接过程中构件收缩产生过大变形而影响结构内力，在焊接过程中采用同步对称焊接方法。遵循先焊接截面较大、受力较大杆件，先竖向焊缝后水平焊缝，从中间到两边对称焊接。先焊接内弦杆，然后焊接直腹杆，再焊接外弦杆，最后焊接斜腹杆。

　　4.4 无损与外观检验

　　焊缝按对接焊缝和角焊缝外观质量要求分别进行检验，根据焊缝外观质量检验要求分为B,C,D3个等级，所有焊缝外观质量检验需满足B级要求。焊缝表面不允许有裂纹、气孔、焊瘤、夹渣、电弧擦伤等缺陷。焊缝不允许出现连续咬边，需满足板厚t>3mm，深度h≤0.05t且最大为0.5mm。未焊满、根部收缩需满足板厚t>3mm，深度h≤0.05t且最大为0.5mm。余高需满足:对接焊缝h≤1mm+0.1b且最大为5mm(b为焊缝宽度);角焊缝h≤1mm+0.1b且最大为3mm。

　　经外观检验合格后的焊缝方可进行无损检验(NDT)，最终检验应在焊接完成24h后进行。超声检测(UT)和磁粉检测(MT)对t≥8mm全熔透对接焊缝要求100%检测，3个角焊缝进行100%磁粉检测。采用USM GO+便携式超声波探伤仪，探伤仪工作频率至少为1～6MHz，配有衰减器或增益控制器，总调节量应>60d B，进级每档≤2d B。探头频率应为2～5MHz。根据探伤检验等级对应质量外观等级B，所有焊缝按B级检验探伤，焊缝探伤结果需满足ISO 11666—2010《超声验收标准》评定等级2级。磁粉检测结果评定等级需满足ISO 23278:2009《焊缝无损检测—焊缝碳粉检测—验收等级》2X级，线状显示长度L≤1.5mm，非线状显示轴间距D≤3mm。

　　4.5 焊后测量

　　1)焊后尺寸测量V形柱焊接完成后，由于焊接收缩的影响，需进行焊后尺寸校核，确保V形柱尺寸准确。测量校核过程同焊前测量。

　　2)反光贴片测量V形柱吊装前，需粘贴反光片测量报检，便于吊装就位后校核V形柱实际状态与设计状态坐标偏差。内外弦顶部端口各布置3个贴片，便于V形柱安装后端口测量校核。直腹杆与内外弦交汇处各设5个贴片，便于安装后V形柱位形测量。

　　5 V形柱吊装

　　48榀V形柱中最大起重量约185t，考虑到安全、效率及经济性，工程选用Demag CC2800型600t履带式起重机。工况配置:主臂84m，仰角71.6°，配重180t。选用4台Enerpac HSL20006 (2 000k N)穿心式千斤顶，保证V形柱在吊装过程中调整至准确姿态，便于安装就位。

　　1)起吊准备过程放置吊车占位点及V形柱重心;连接千斤顶与液压动力装置(HPU)油管，调节千斤顶钢绞线绳长至初始放样值;根据V形柱截面几何特征和重心位置确定的绑扎点，配合2台移动吊车绑钩;绑钩结束后，预张拉微调绳长，使各吊索受力紧绷;V形柱起吊范围设置警戒线，起钩脱离胎架。

　　2)姿态调整过程通过CAD放样得到V形柱调整过程中5种状态下绳长，经SAP2000-V19建模计算分析得到5种荷载工况下对应姿态受力状态。V形柱姿态调整过程为:(1)步骤0水平姿态，通过放样得到绳长，水平起吊V形柱;(2)步骤1根据工况2，调长3,4号绳长，V形柱缓慢竖立;(3)步骤2调短1,2号绳长，V形柱继续竖立;(4)步骤3,4调短1号绳长，调长4号绳长，V形柱偏转竖立;(5)步骤5调短1,3,4号绳长，微调长2号绳长，使V形柱达到设计角度调平状态。

　　V形柱达到调平状态后，起重机带载行走至指定吊装位置。缓缓提升吊钩将V形柱吊至超过支座300mm高处，然后缓降至球形支座顶板对应位置。

　　6 结语

　　以卢赛尔体育场钢结构V形柱施工过程为依托，介绍V形柱拼装焊接施工工艺及吊装方案。通过对V形柱拼装焊接过程、报检流程及吊装方法的介绍，为重型钢结构构件在中东地区拼装、焊接与现场安装提供一定参考。