蘇州國際博覽中心鋼結構施工質量控制

蘇州國際博覽中心鋼結構施工質量控制

1工程特點、結構蘇州國際博覽中心工程是2004年蘇州政府的重點工程。位于蘇州新加坡工業(yè)區(qū)金雞湖，由1.5號建筑和72米高的象征性塔組成。工程以金雞湖湖心為基準點呈扇形布置(見圖1)。整個工程占地面積為188859m2，總建筑面積為373887m2。一期工程為3～5號建筑和72m高標志性塔樓1幢，2003年10月27日開工建設，2004年9月20日第一部分基本建成，10月20日蘇州中國電子信息博覽會在此成功舉行。整個工程結構為二層鋼筋混凝土核心筒加鋼結構形式。兩層樓面采用焊接H型截面鋼桁架和焊接工字形高截面大板梁混合結構形式，鋼桁架跨度為18m和27m，桁架高度為3.6m。5號建筑6榀橋廳樓面桁架跨度為55.75m，桁架高度為18.965m，重量約350t，這6榀桁架安裝在12根目字型鋼柱上，每根目字型鋼柱承擔約5000t的荷載。現(xiàn)場安裝全部采用高強度螺栓和焊接混合結構形式。二層屋面由25榀直縫焊接鋼管桁架構成（3、4號建筑各為5榀，5號建筑為15榀），桁架間距為27m，每榀鋼管桁架截面為倒梯形，東低西高。鋼管桁架整體結構呈雙曲面，上弦呈大曲率弧形，兩側腹桿呈螺旋狀K形布置，頂面為KT形布置（見圖2）。鋼管桁架跨度為72m和90m兩種，桁架懸挑最大達36m，單榀桁架縱向總長度最大達128m，高度最大為10m，單榀重量達260t。屋面桁架管件由車間預制焊管，電腦切割相貫線，現(xiàn)場組拼成形，全部采用焊接連接。一期工程鋼結構總量約為42000t。2施工質量控制本工程鋼結構的結構形式復雜多樣、跨度大、板材厚（最厚達100mm），單個構件尺寸大且重量重，三維空間角度多，呈現(xiàn)多組高強度螺栓群需在多個空間角度同時進行連接的特點。構件在車間制作成散件，到現(xiàn)場進行組拼和安裝，這給鋼結構施工、施工過程質量控制都帶來相當?shù)碾y度。有些問題值得特別關注：(1）鋼結構2次深化設計是鋼結構工程進行施工的依據(jù)。設計的構件能否符合現(xiàn)場施工條件，是我們首先需要關注的一大問題。(2）施工組織設計是進行鋼結構工程施工的方針，是確保鋼結構工程順利進行的前提條件之一。(3）目字型鋼柱結構復雜，在本工程鋼結構制作中，如何保證其精度、控制其質量是擺在我們面前的一大難題。(4）鋼管桁架構件散件到場進行高空組拼，是本工程施工和質量控制的重點。(5）鋼結構的焊接質量直接影響到構件的強度和結構的安全性，焊接作業(yè)是整個鋼結構施工過程中的關鍵工序。3工程施工和質量控制措施3.1施工方案確定目前，設計院提供的鋼結構施工圖，遠不能滿足施工承包單位組織現(xiàn)場施工的要求。施工圖僅能反映出主要結構件的規(guī)格和（或）材質，但沒有比較具體的量的概念，特別是缺少連接節(jié)點的細部構造尺寸，施工單位既不能據(jù)此進行合理備料，也不能據(jù)此進行車間下料加工。因此施工承包單位需要對施工圖進行更詳細的2次深化設計。但施工單位一般沒有進行鋼結構2次深化設計的能力和資質，需委托給專業(yè)鋼結構詳圖設計公司進行。由于專業(yè)鋼結構詳圖設計公司缺乏必要的現(xiàn)場施工經驗，同時對現(xiàn)場施工也缺乏必要的了解，因此詳圖設計的結構形式有時并不能完全滿足現(xiàn)場施工的需要。例如兩層樓面桁架與鋼柱牛腿之間原設計為上下弦及斜腹桿均采用高強螺栓連接，一個節(jié)點的螺栓數(shù)達50多個（見圖3）。由于螺栓與孔之間的間隙只有2～3mm的調節(jié)余量，加工和安裝的誤差使得螺栓穿孔率大受影響。現(xiàn)場螺孔錯位的解決辦法或是擴孔或更換連接板，這兩種方法均影響到工程工期和費用，也難以保證施工質量。因此，我們要求施工單位利用自身實際施工經驗的優(yōu)勢和對現(xiàn)場施工條件的充分了解，積極參與鋼結構詳圖設計，提出優(yōu)化設計方案，縮小設計與施工之間的差距，為鋼構件車間制作和現(xiàn)場安裝創(chuàng)造有利條件，從而加快施工進度、降低施工成本。橋廳樓面桁架跨度達55.75m，高度達18.965m，中間每間隔13.5m設有1根立柱，桁架的上下弦桿和斜腹桿分別與立柱牛腿用高強螺栓連接?，F(xiàn)場安裝存在以下幾個問題：(1)構件整體尺寸大，重量重，整體吊裝難度大，如何分解比較合理？(2)桁架吊裝過程中不能盡早形成穩(wěn)定體系，對安全極為不利，安裝程序如何安排？(3)桁架的起拱度和旁彎如何進行控制，保證安裝質量？鑒于上述考慮，我們提出了幾種施工方案進行比較優(yōu)選，相應地也作出幾種構件分解詳圖設計方案進行比較。擬定施工方案，解決施工困難，最終確定對應的詳圖設計方案。詳圖設計應充分考慮和融合施工單位的施工經驗和現(xiàn)場施工條件。一個合理的設計能大大地降低施工難度，縮短施工周期，降低施工成本。施工單位應重視和積極參與施工詳圖設計。3.2施工組織設計施工組織設計是施工承包單位進行施工準備和施工的指導性文件，對于確保施工質量、保證工程的順利進行具有重要的意義。建設方會同監(jiān)理公司對施工承包單位報送的施工組織設計進行了認真仔細地審查：(1)施工組織設計是否具有針對性和可操作性；(2)質量管理、技術管理體系及質量保證措施是否健全；(3)技術方案和措施是否先進和成熟；(4)安全、環(huán)保、消防和文明施工措施是否切實可行并符合有關規(guī)定。特別對屋面鋼管桁架和橋廳55.75m大跨度桁架等重要構件的安裝方案，應高度重視。施工組織設計中一些重要工藝的成敗會直接影響工程的質量、進度和投資控制。屋面鋼管桁架底座標高為27.50m，如此大型鋼構件整體吊裝，至少需要500～600t的履帶吊才能實現(xiàn)，而且屋面管桁架正好位于兩層樓面14.475m上面（見圖4），無吊機站立的位置，因此屋面鋼管桁架現(xiàn)場安裝成為各方關注的焦點。為此，施工承包單位召開專家論證會，對屋面桁架安裝方案進行專家論證。在聽取了各方專家意見并結合施工現(xiàn)場情況的基礎上，施工承包單位采用了高空散裝、地面拼裝整體吊裝和整體滑移等多種方法相結合的靈活施工方法。施工組織設計包含了施工過程所涉及的方方面面，施工組織設計的編制過程應看作是發(fā)現(xiàn)并解決施工中可能出現(xiàn)問題的過程，同時也是充分挖掘現(xiàn)場人力和物力資源的過程，為確保施工質量和保證施工的順利進行搜尋一切可用資源。一個好的施工組織設計不但可以確保施工質量和工期，更重要的可以大大降低施工措施費用，降低工程成本，具有明顯的經濟效益。工程建設各方都應該把施工組織設計放到一個重要的位置予以考慮，以最小的投入發(fā)揮最大的效益。3.3建設方正確處理非織造布放模型的建設和工藝設計目字型鋼柱是本工程鋼結構制作中最大的難點，它有如下特點：(1)板材厚，箱型柱身板厚為60mm，柱身隔板（節(jié)點加勁板）厚度為36mm，柱底板厚度為80mm;(2)牛腿多，部分牛腿工作線處在十字軸線平面外，且呈三維空間布置；(3)柱身隔板多，隱蔽焊縫多。一個好的制作方案和制作工藝是確保制作質量的有力保證，同時可以大大降低制作難度、縮短制作周期、降低制作成本。建設方會同管理公司、監(jiān)理公司、設計單位和制作、安裝單位進行聯(lián)合攻關，多方案比選，擬定出較佳的制作總體思路和要求，即電渣焊和槽焊相結合、制作胎模進行牛腿定位和局部進行預拼裝。既要滿足設計要求，同時又要方便車間制作，以及有利于后期的運輸和現(xiàn)場的安裝，這就是目字型鋼柱制作過程中需要考慮的問題。因此要求制作單位在此基礎上編制詳細的制作方案和制作工藝提交監(jiān)理公司審查，包括下料精度、拼裝順序、焊接工藝和防變形措施等。監(jiān)理公司據(jù)此進行監(jiān)督和控制，確保制作質量。3.4鋼管桁架基礎定位安裝規(guī)范鋼管桁架構件散件現(xiàn)場拼裝，控制其質量的關鍵點有三：(1)鋼管的加工精度控制；(2)相貫節(jié)點的定位控制；(3)相貫節(jié)點的的焊接質量控制。本工程鋼管桁架主管和支管為非標產品，采用鋼板卷制直縫焊接鋼管。焊接鋼管不可避免地會有一定的橢圓度，同時焊接會引起鋼管彎曲變形。鋼管的幾何尺寸必須首先加以嚴格控制。鋼管的壁厚和管徑偏差、彎曲度、橢圓度等要求設計方根據(jù)本工程特點提出具體要求：壁厚偏差±0.8，外徑偏差0.75%，彎曲度≤3.0mm/m，總長度彎曲度≤0.5%L，橢圓度≤±1.5。監(jiān)理公司派出駐廠監(jiān)理對進廠焊接管材進行嚴格把關。鋼管桁架的支管與主管連接節(jié)點為搭接K形、KT形節(jié)點，支管兩端均為不規(guī)則馬鞍型相貫線切口。每一榀桁架上沒有相同相貫線切口的2根支管，且各榀桁架的結構尺寸也不一樣，采用傳統(tǒng)人工放樣、手工切割相貫線及焊接坡口的方法無法滿足構件下料以及構件裝配精度的要求，因此要求施工承包單位必須采用先進的CAM加工技術，以保證相貫線切口尺寸精度和焊接根部間隙均勻一致。支管兩端相貫線切口的割制，關系到支管的準確定位，支管相貫節(jié)點的準確定位是確保屋面鋼管桁架內部結構力分布和傳遞符合設計的前提條件，同時也是實現(xiàn)建筑造型構架的關鍵。主支管相貫節(jié)點位于三維空間內，因此要求施工承包單位利用計算機建立三維空間模型確定相貫節(jié)點的三維坐標。同時一般的十字定位點不能直接用于鋼管桁架管件的空間定位。三維坐標如何與現(xiàn)場安裝定位結合起來，這是鋼管桁架施工的關鍵點，因此要求施工承包單位編制節(jié)點定位方案提交監(jiān)理審查。測量專業(yè)監(jiān)理負責跟蹤檢查并配合施工承包單位搞好測量定位工作，確保屋面鋼管桁架基礎定位工作準確無誤，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造條件。根據(jù)鋼結構設計規(guī)范，在鋼管結構中，支管與主管的連接焊縫應沿全周連續(xù)焊接并平滑過渡。同時，搭接的K形節(jié)點中，應確保在搭接部分的支管之間的連接焊縫能可靠地傳遞內力。本工程K形搭接節(jié)點中，腹桿與主管間的夾角從39.6°到68.3°不等，弦、腹桿直徑比較接近，腹、弦桿直徑比達到D腹/D弦=0.508/0.61=0.83（規(guī)范建議D腹/D弦≤0.7），使得斜腹桿在節(jié)點處出現(xiàn)很大一部分不可見焊縫。一般地，鋼管桁架結構施工時，各桿件間先通過點焊預拼裝在一起，然后在節(jié)點處對各焊縫進行全面施焊，這樣搭接節(jié)點中內隱藏焊縫將很難焊接。同時，根據(jù)構件受力需要，斜壓桿搭接在斜拉桿上，斜拉桿兩端均出現(xiàn)內隱藏焊接。對這部分不可見焊縫是否可以不焊，國內規(guī)范沒有明確。歐州鋼結構設計規(guī)范EuroCode3規(guī)定搭接節(jié)點中的內隱藏焊縫可不焊接，海洋平臺鋼管結構設計規(guī)范ISO19902規(guī)定內隱藏焊縫必須焊接，美國AWSD1.1對內隱藏焊縫是否施焊無明確規(guī)定，部分國外的規(guī)范認為不可見焊縫的長度小于整個焊縫長度的1/5時，內隱藏焊縫可以不焊。對于該類節(jié)點的承載能力和安全性，國內外都沒有形成一個統(tǒng)一的評判準則。為此，建設方與管理公司、監(jiān)理公司及設計單位進行了廣泛的溝通和協(xié)調，建議施工承包單位選取幾種有代表性的節(jié)點進行荷載試驗，確定哪類節(jié)點的不可見焊縫可以不焊，從而有效地解決設計與施工的矛盾，使結構的承載能力和安全性得到合理而有效的保證。3.5焊接質量控制本工程鋼結構構件均為非標焊接件，框架結構的主要連接節(jié)點均為剛性連接節(jié)點，屋面鋼管桁架是一個完全焊接結構件，因此本工程焊接量相當大。焊接質量是影響和確保鋼構件及鋼結構強度和安全的直接因素?？刂坪附淤|量并不僅僅通過外觀檢查或無損檢測，避免結構上出現(xiàn)裂紋、氣孔和咬