CN111622352B - 一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，包括焊接分区划分、选取特征定位点、确定焊接顺序、确定空间几何坐标、加工构件、安装圆柱区和漏斗锥形区网壳和拆撑卸载等步骤。本发明将网壳分为圆柱区及漏斗锥形区，根据各自特点进行焊层、焊区划分，使焊接分区更加合理，有效减少了焊接变形，并进行全过程有限元仿真模拟验算，根据分析结果预先采取反向变形措施，提高网壳的成形精度，每个焊区内选取关键控制节点为特征定位点，对特征定位点预先采取精准定位固定措施，有效控制整个网壳的空间坐标，各焊区交界面间预留伸缩节点，起到应力隔断作用，通过控制网壳节点坐标容许差值，满足不同精度的要求。

Description

一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法

技术领域

本发明属于土木建筑领域，具体涉及一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法。

背景技术

当前，空间网壳结构在国内外得到了空前的应用和发展，其中空间双曲面漏斗形单层网壳结构由于其造型优美、受力合理、稳定性高、节省材料、可适用较大跨度等优点，目前在建筑结构中被经常使用，具有广泛的应用空间。

但该类结构对杆件的尺寸及杆件节点的空间定位精度控制要求较高，较小的杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，往往会对网壳结构的内力、整体稳定有较大影响，直接影响到网壳的内力分布和后续工序的施工。

实践中，该类结构杆件壁厚较薄，相贯节点杆件较多，往往由于焊接工序控制不当，造成杆件节点的空间定位较大偏差；同时该类结构一般设立在建筑结构内部，且依附与主体结构，周围作业空间受限，加之施工过程中的交叉作业等条件限制，往往不具备预先工厂模块化拼装然后组装成形的施工条件，给该类结构的现场施工提出的不小的挑战。

发明内容

本发明提供了提供一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，降低结构的受力及焊接累计误差，从而有效防止结构受力及焊接收缩引起的变形。

为实现上述目的，本发明提供了一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，包括以下步骤:

步骤1、焊接分区划分：根据空间双曲面漏斗形单层网壳的结构特点，在下部的圆柱面网壳与上部网壳的交界处，将其分解为下部的圆柱区和上部的漏斗锥形区，圆柱区沿高度方向划分若干焊接层，每个焊接层内沿周长方向划分为若干焊接区域；漏斗锥形区沿高度方向划分为若干焊接层，焊接层内划分时，先选取每一焊接层周长上的对称点为特征节点，然后以特征节点为中心，向两边各计取若干网格为一个焊接区域，然后依次类推，直至该焊接层划分完毕；

步骤2、选取特征定位点：每个焊接区域内选取一个特征定位点，圆柱区的特征定位点选取在距每个焊接区内中点最近的主节点，漏斗锥形区的特征定位点选取在距每个焊接区内中点最近的主节点，如果该焊接区域含有对称点，则选取特征定位点必须同时是对称点，否则重新划分焊接区域；

步骤3、确定焊接顺序：在高度方向，先焊接圆柱区再焊接漏斗锥形区，采取从下至上的焊接顺序，逐层焊接；在周长方向，圆柱区内根据现场实际施焊条件，从两端沿周边对称向中间推进焊接；漏斗锥形区内，先焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进；

步骤4、确定空间几何坐标：根据网壳的设计参数建立相应的有限元分析模型模拟施工过程，获得网壳结构最终成形态时各空间节点的坐标值及与初始设计节点坐标之间的坐标差值；

步骤5、加工构件：按照步骤4获得的最终杆件几何尺寸，进行杆件加工；

步骤6、安装圆柱区网壳：按照每个节点的空间坐标，采取从下至上逐层拼装的方式完成整个圆柱区的拼装；将圆柱区每个特征定位点在施工现场采取临时支撑等措施进行定位，确保稳固可靠；焊接圆柱区时，从下至上逐区焊接；

步骤7、安装漏斗锥形区网壳：按照和步骤6相同的方法拼装漏斗锥形区，将漏斗锥形区每个特征定位点在施工现场采取临时支撑等措施进行定位，确保稳固可靠，根据结构具体特点，在特征定位点之外其他点均匀布设支撑点，但只约束垂直向下的位移；焊接漏斗锥形区时，从下至上逐区焊接；

步骤8、拆撑卸载，根据制定的拆撑卸载方案，对网壳的临时支撑点进行拆撑卸载，卸载前，应先将特征定位点处的临时固定予以拆除。

进一步，步骤1中，划分圆柱区的焊接区时，沿高度方向每3-6个网格划分为一个焊接层，每个焊接层内沿周长方向每隔3-6个网格进一步划分为焊接区域；划分漏斗锥形区的焊接区时，沿高度方向每3-6个网格划分为一个焊接层，每个焊接层内以特征节点为中心向两边各计取2-3个网格为一个焊接区域，然后依次类推，每隔3-6个网格划分为一个焊接区域，直至该焊接层划分完毕。

进一步，步骤4中，根据网壳的设计参数建立相应的有限元分析模型时，先根据网壳的焊接顺序及拆撑卸载顺序模拟施工过程，获得网壳结构最终成形态时各空间节点的坐标值及与初始设计节点坐标之间的坐标差值，再将坐标差值反向叠加到初始设计节点坐标，得到更新后的节点坐标，最后重复上述步骤，直至坐标差值满足要求。

进一步，步骤6中，焊接圆柱区时，先焊接圆柱区的第一焊接层，按照从两端沿周边对称向中间推进顺序，逐区焊接，每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。

进一步，步骤6的中，拼装圆柱区时，根据现场实际场地制约情况及吊装能力，尽量在地面拼装并焊接为X形或十形的小拼构件，然后进行整体拼装，每个焊区内的杆件与杆件的拼装节点用点焊进行连接，焊区与焊区交界面处的杆件拼装节点，只用焊接垫板进行搭接连接，不进行点焊连接。

进一步，步骤7中焊接漏斗锥形区时，先焊接漏斗锥形区的第一焊接层，首先同步焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进逐区焊接，每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。

进一步，步骤7的中，使用脚手架支撑特征定位点，并对脚手架进行加固处理。

进一步，步骤6、步骤7中，焊接各焊区之间的交界面时预留伸缩节点。

本发明具有以下优点：

(1)根据几何拓扑形状，分为圆柱区及漏斗锥形区，并根据各自特点进行焊层、焊区划分，采取分层分区的拓扑结构进行焊区规划，可使焊接分区更加合理，有效减少焊接分区不当造成的焊接变形。

(2)综合考虑焊接阶段和卸载阶段的网壳变形，进行全过程有限元仿真模拟验算，并根据分析结果预先采取反向变形措施，可以预测网壳的受力状态和最终的定位精度，可大幅提高网壳的成形精度。

(3)采取分层分区、对称施焊的焊接策略，将杆件的焊接变形控制在局部焊区内，有效减少焊接累计误差造成的杆件几何空间位移；

(4)每个焊区内选取关键控制节点为特征定位点，对特征定位点预先采取精准定位固定措施，可以有效控制整个网壳的空间坐标。

(5)焊区施焊遵循先特征定位点，再逐步外扩对称平行的推进顺序，可以有效保证焊区内的焊接变形；各焊区交界面间预留伸缩节点，可以自由伸缩，起到应力隔断作用，充分均匀释放焊接过程导致的焊接应力累积效应，使整个网壳的焊接应力及变形更加均滑。

(6)可以通过控制网壳节点坐标容许差值，根据不同需要，满足不同精度的要求。

附图说明

图1为该空间双曲面漏斗形单层网壳结构的立面图；

图2为该空间双曲面漏斗形单层网壳结构的平面图；

图3为该空间双曲面漏斗形单层网壳结构的分区图；

图4为圆柱区焊区分区图；

图5为漏斗锥形区第一焊区的焊接区划分图；

图6为漏斗锥形区Z1-6焊区的特征定位点示意图。

1、圆柱区，2、漏斗锥形区。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明实现而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1、图2所示，顶部为椭圆形，长40.4m，宽17.6m，呈漏斗造型,最大高度33.5m。钢材主要采用Q345B，主要截面由Φ152×5、Φ152×8、矩形管300×300×16、箱型梁250×250×20×12等组成。杆件空间定位要求高，现场焊接量大，网壳整体成形精度要求高。网壳周围为已有建成结构，现场作业条件受限，无法采取预先工厂模块化拼装然后组装成形的施工方式。

该大型网壳结构的安装方法包括以下步骤：

步骤1、焊接分区划分。

根据该结构特点，将其分解为下部的圆柱区1和上部的漏斗锥形区2，如图3所示，根据几何拓扑形状，分为圆柱区1及漏斗锥形区2，并根据各自特点进行焊层、焊区划分，采取分层分区的拓扑结构进行焊区规划，可使焊接分区更加合理，有效减少焊接分区不当造成的焊接变形。

(1)圆柱区1的焊接区划分。首先沿高度方向4个网格划分为一个焊接层；2)如图4所示，焊接层内，沿周长方向每隔5、5、5、6个网格进一步划分为C1、C2、C3、C4共4个焊接区域。

(2)漏斗锥形区2的焊接区划分。沿高度方向每隔3-6个网格共划分为2-4个不等的焊接层。如图5所示，为第1焊接层的划分，选取椭圆长轴与椭圆边的交点为特征节点，然后以该交点为中心，向两边各计取2-3个网格为一个焊接区域，然后依次类推，每隔3-6 个网格划分为一个焊接区域，直至该焊接层划分完毕，共划分为Z1-1～Z1-10共计10个焊区。其余焊接层划分采取类似方式进行划分。

采取分层分区、对称施焊的焊接策略，将杆件的焊接变形控制在局部焊区内，有效减少焊接累计误差造成的杆件几何空间位移。

步骤2、选取特征定位点。

每个焊接区域内选取一个特征定位点。如图6所示，为Z1-6焊区，该焊接区内中点最近的主节点T作为特征定位点；每个焊区内选取关键控制节点为特征定位点，对特征定位点预先采取精准定位固定措施，可以有效控制整个网壳的空间坐标。

步骤3、确定焊接顺序。

在高度方向，先焊接圆柱区1再焊接漏斗锥形区2。采取从下至上的焊接顺序，逐层焊接；

在周长方向，1)圆柱区1内根据现场实际施焊条件，从两端沿周边对称向中间推进焊接；2)漏斗锥形区2内，先焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进。

步骤4、确定空间几何坐标。

(1)根据网壳的设计参数建立相应的有限元分析模型；

(2)根据步骤3确定的网壳焊接顺序模拟焊接及拆撑过程，获得网壳结构最终成形态时各空间节点的坐标值X1及与初始设计节点坐标X0之间的坐标差值Δx1＝X1-X0。

模拟时，本工程现场采用气保焊，相贯节点间为单边V形坡口焊接，仅考虑恒荷载作用，荷载分项系数取1.0：

荷载值：1.0×G1k+1.0×G2k+1.0×G3k

其中：G1k：网壳结构自重；

G2k：漏斗上部玻璃幕墙自重；

G3k：其他附加构件自重；

(3)将坐标差值Δx1反向叠加到初始设计节点坐标X0，得到更新后的节点坐标XM1＝X0-Δx1；

(4)重复上述(1)～(3)，计算第n次的坐标差值Δxn＝Xn-X0，直至Max{|Δxn|}≤R＝fS×D，其中，D为国家相关规范要求施工允许的最大容许值，fS为精度系数，fS≤1.0。最后，得到第n次的修正坐标值XMn＝XMn-1－Δxn。综合考虑焊接阶段和卸载阶段的网壳变形，进行全过程有限元仿真模拟验算，并根据分析结果预先采取反向变形措施，可以精确预测网壳的受力状态和最终的定位精度，可大幅提高网壳的成形精度。

步骤5、按照步骤4获得的最终杆件几何尺寸，进行杆件加工。

步骤6、安装圆柱区1网壳。

(2)拼装圆柱区1。按照最终每个节点的空间坐标XMn，采取从下至上，逐层拼装的方式完成整个圆柱区1的拼装。4个焊区内的杆件与杆件的拼装节点用点焊进行连接，焊区与焊区交界面处的节点，只用焊接垫板进行搭接连接，不进行点焊连接。为考虑焊接收缩的变形影响，应根据焊接模拟的收缩量反向叠加于焊区的每个V形坡口。实际施工中，如果模拟收缩累积量大于1mm时，则进行调整，反之不予以调整。

(2)特征定位点定位。拼装完成后，利用周边的结构，并搭设临时支撑措施，采取抱箍等措施，将圆柱区1每个特征定位点施进行定位，确保稳固可靠。

(3)焊接圆柱区1。按照从两端沿周边对称向中间推进顺序，逐区焊接。每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。焊区施焊遵循先特征定位点，再逐步外扩对称平行的推进顺序，可以有效保证焊区内的焊接变形；各焊区交界面间预留伸缩节点，可以自由伸缩，起到应力隔断作用，充分均匀释放焊接过程导致的焊接应力累积效应，使整个网壳的焊接应力及变形更加均滑。

步骤7、安装漏斗锥形区2网壳。

(1)拼装漏斗锥形区2。按照和步骤6中(1)相同的方法拼装漏斗锥形区2。

(2)特征定位点定位。对漏斗锥形区2中的每个特征定位点在施工现场采取临时支撑等措施进行定位，确保稳固可靠。为保证杆件的可靠支撑，本工程采取脚手架作为临时支撑体系，并利用周围结构进行加密支撑，在特征定位点及临时支撑点处，对脚手架进行加固处理。临时支撑点处只约束垂直向下的位移。

(3)焊接漏斗锥形区2。先焊接漏斗锥形区2的第一焊接层，首先同步焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进逐区焊接。每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。

步骤8、拆撑卸载。

根据制定的拆撑卸载方案，对网壳的临时支撑点进行拆撑卸载。卸载前，应先将特征定位点处的临时固定予以拆除。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、焊接分区划分：根据空间双曲面漏斗形单层网壳的结构特点，在下部的圆柱面网壳与上部网壳的交界处，将其分解为下部的圆柱区(1)和上部的漏斗锥形区(2)，圆柱区(1)沿高度方向划分若干焊接层，每个焊接层内沿周长方向划分为若干焊接区域；漏斗锥形区(2)沿高度方向划分为若干焊接层，焊接层内划分时，先选取每一焊接层周长上的对称点为特征节点，然后以特征节点为中心，向两边各计取若干网格为一个焊接区域，然后依次类推，直至该焊接层划分完毕；

步骤2、选取特征定位点：每个焊接区域内选取一个特征定位点，圆柱区(1)的特征定位点选取在距每个焊接区内中点最近的主节点，漏斗锥形区(2)的特征定位点选取在距每个焊接区内中点最近的主节点，如果该焊接区域含有对称点，则选取特征定位点必须同时是对称点，否则重新划分焊接区域；

步骤3、确定焊接顺序：在高度方向，先焊接圆柱区(1)再焊接漏斗锥形区(2)，采取从下至上的焊接顺序，逐层焊接；在周长方向，圆柱区(1)内根据现场实际施焊条件，从两端沿周边对称向中间推进焊接；漏斗锥形区(2)内，先焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进；

步骤4、确定空间几何坐标：根据网壳的设计参数建立相应的有限元分析模型模拟施工过程，获得网壳结构最终成形态时各空间节点的坐标值及与初始设计节点坐标之间的坐标差值；

步骤5、加工构件：按照步骤4获得的最终杆件几何尺寸，进行杆件加工；

步骤6、安装圆柱区(1)网壳：按照每个节点的空间坐标，采取从下至上逐层拼装的方式完成整个圆柱区(1)的拼装；将圆柱区(1)每个特征定位点在施工现场采取临时支撑等措施进行定位，确保稳固可靠；焊接圆柱区(1)时，从下至上逐区焊接；

步骤7、安装漏斗锥形区(2)网壳：按照和步骤6相同的方法拼装漏斗锥形区(2)，将漏斗锥形区(2)每个特征定位点在施工现场采取临时支撑等措施进行定位，确保稳固可靠，根据结构具体特点，在特征定位点之外其他点均匀布设支撑点，但只约束垂直向下的位移；焊接漏斗锥形区(2)时，从下至上逐区焊接；

步骤8、拆撑卸载，根据制定的拆撑卸载方案，对网壳的临时支撑点进行拆撑卸载，卸载前，应先将特征定位点处的临时固定予以拆除。

2.如权利要求1所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤1中，划分圆柱区(1)的焊接区时，沿高度方向每3-6个网格划分为一个焊接层，每个焊接层内沿周长方向每隔3-6个网格进一步划分为焊接区域；划分漏斗锥形区(2)的焊接区时，沿高度方向每3-6个网格划分为一个焊接层，每个焊接层内以特征节点为中心向两边各计取2-3个网格为一个焊接区域，然后依次类推，每隔3-6个网格划分为一个焊接区域，直至该焊接层划分完毕。

3.如权利要求1所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤4中，根据网壳的设计参数建立相应的有限元分析模型时，先根据网壳的焊接顺序及拆撑卸载顺序模拟施工过程，获得网壳结构最终成形态时各空间节点的坐标值及与初始设计节点坐标之间的坐标差值，再将坐标差值反向叠加到初始设计节点坐标，得到更新后的节点坐标，最后重复上述步骤，直至坐标差值满足要求。

4.如权利要求1所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤6中，焊接圆柱区(1)时，先焊接圆柱区(1)的第一焊接层，按照从两端沿周边对称向中间推进顺序，逐区焊接，每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。

5.如权利要求4所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤6中，拼装圆柱区(1)时，根据现场实际场地制约情况及吊装能力，尽量在地面拼装并焊接为X形或十形的小拼构件，然后进行整体拼装，每个焊区内的杆件与杆件的拼装节点用点焊进行连接，焊区与焊区交界面处的杆件拼装节点，只用焊接垫板进行搭接连接，不进行点焊连接。

6.如权利要求1所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤7中焊接漏斗锥形区(2)时，先焊接漏斗锥形区(2)的第一焊接层，首先同步焊接含有对称点的两端焊接区，然后沿周边对称向中间推进逐区焊接，每个焊区焊接时，先焊接特征定位点，然后由特征定位点处向四周同步平行推进焊接，待区焊接应力充分释放后，最后再焊接焊区之间的交界面。

7.如权利要求6所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤7的漏斗锥形区(2)中，使用脚手架支撑特征定位点，并对脚手架进行加固处理。

8.如权利要求1至7中任一项所述的空间双曲面漏斗形单层网壳结构的安装方法，其特征在于，所述步骤6、步骤7中，焊接各焊区之间的交界面时预留伸缩节点。

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