程小嬌

（上海上咨建設(shè)工程咨詢有限公司， 上海 200003）

異形鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)理控制措施

程小嬌

（上海上咨建設(shè)工程咨詢有限公司， 上海 200003）

介紹了上海中國航海博物館工程的鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)理控制措施，包括材質(zhì)控制、測量及監(jiān)測控制、鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)控制、焊接質(zhì)量控制等。

異型鋼結(jié)構(gòu)；施工工藝；監(jiān)理控制

1 工程概況

1.1 項目概述

上海中國航海博物館工程位于上海南匯臨港新城主城區(qū)，帆體鋼結(jié)構(gòu)座落在 12.00 m 高的混凝土結(jié)構(gòu)上，頂點標高為 +70.00 m 左右。兩個三角形風帆的底部兩支座間相距70 m，相交處離地高度約 54 m，帆體為鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與鋼索張拉結(jié)構(gòu)。帆體的基本體系由帆體屋面、單層索網(wǎng)玻璃幕墻及邊側(cè)幕墻等部分構(gòu)成。主結(jié)構(gòu)體系可分為主、從結(jié)構(gòu)體系，主結(jié)構(gòu)體系包括：邊緣箱梁和三鉸拱；從結(jié)構(gòu)體系包括側(cè)幕墻立柱、屋面兩向正交月牙形桁架體系、單層索網(wǎng)體系。鋼結(jié)構(gòu)總量 2 300 余 t。建成后成為臨港新城乃至上海市的標志性建筑。

圖 1 上海中國航海博物館實圖

圖 2 帆體鋼結(jié)構(gòu)示意圖

圖 3 鋼結(jié)構(gòu)分段示意圖

1.2 主要結(jié)構(gòu)體系介紹

1.2.1 鑄鋼件關(guān)節(jié)軸系統(tǒng)

鑄鋼件共有 6 件，其中 4 件位于底部 4 個角部節(jié)點，2 件位于帆體相交的 C 節(jié)點處。關(guān)節(jié)軸共 5 件，其中 4 件位于底部 4 個角部節(jié)點，1 件位于帆體相交的 C 節(jié)點處。帆體結(jié)構(gòu)的 4 個角部節(jié)點必須保證繞 X、Y、Z 軸完全鉸接，所以在底部 4 個鑄鋼件下部和 1 個 C 節(jié)點鑄鋼件內(nèi)再配置關(guān)節(jié)軸以滿足設(shè)計要求。鑄鋼件 A、B、C 重量分別為 23.2 t、26.3 t 和18.6 t，關(guān)節(jié)軸(A/B）重 9.9 t，關(guān)節(jié)軸(C）重 2.6 t。

圖 4 鑄鋼件A及關(guān)節(jié)軸示意圖

圖 5 鑄鋼件B及關(guān)節(jié)軸示意圖

圖 6 鑄鋼件C及關(guān)節(jié)軸示意圖

1.2.2 邊緣箱梁

邊緣箱梁為截面形狀為三角形的管桁架，三根主弦桿為兩種規(guī)格：φ400×20、φ203×16。在桁架上下表面沿鋼管中心線加設(shè) 25 厚的加勁板，既能保證結(jié)構(gòu)自身的強度、變形，同時又為懸掛索網(wǎng)提供支承。邊緣箱梁分段從 6.4 m 至20 m，分段重量從 8.1 t 至 25.5 t。

圖 7 邊緣箱梁示意圖

1.2.3 三鉸拱

三鉸拱為截面為三角形的管桁架，三根主弦桿主要為一種規(guī)格：φ530×22，局部區(qū)域為φ630×30(支座處），三鉸拱與邊緣絎組成了鋼結(jié)構(gòu)主受力體系，同時它也為懸掛索網(wǎng)提供支承，三鉸拱分段均在 5.3 m 左右，分段重量從 7.2 t 至9.6 t。

圖 8 三鉸拱示意圖

1.2.4 側(cè)幕墻立柱

側(cè)幕墻立柱單立管和雙立管兩種形式，單立管分部在底部邊緣箱梁兩端，其余均為雙立管，雙立管兩根鋼管之間通過鋼板連接，鋼管規(guī)格φ219×16，構(gòu)件均整體吊裝，構(gòu)件重量為 0.5 t～1.7 t。

圖 9 側(cè)幕墻立柱示意圖

1.2.5 屋面兩向正交月牙形桁架體系

屋面結(jié)構(gòu)為雙層格網(wǎng)式殼體分為互為垂直相交的主月牙形桁架和次月牙形桁架，主月牙形桁架為單片管桁架，主弦桿規(guī)格為：φ273×16，長度從 2.5 m 至 50 m，最重單片規(guī)格為 17 t，長度超過 40 m 即分段吊裝，次月牙形桁架為單片管桁架，主弦桿規(guī)格為φ245×12，次月牙形桁架被主月牙形桁架斷成單根鋼管，所以均散裝，單根鋼管重量為 0.14 t。

圖 10 正交月牙形桁架示意圖

1.3 帆體鋼結(jié)構(gòu)施工流程

1.3.1 帆體鋼結(jié)構(gòu)總體施工流程

進場準備→160 t 汽車吊安裝 TC7052 塔吊→TC7052 塔吊完成帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝→在 3 層樓面安裝 18 t 屋面吊→18 t 屋面吊和 50 t 汽車吊配合拆除 TC5072 塔吊→25 t 汽車吊拆除 18 t屋面吊→機械退場。

1.3.2 帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝工作流程

圖 11 鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程

2 帆體鋼結(jié)構(gòu)施工特點及難點

(1）本工程建筑外形猶如兩片張開的風帆，建筑造型獨特。

(2）本工程在底部 A、B 支座和相交節(jié)點 C 節(jié)點處采用大型關(guān)節(jié)軸承以滿足鋼結(jié)構(gòu)在風荷載和地震荷載作用下 A、B支座和相交節(jié)點 C 節(jié)點產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動，該軸承的設(shè)計、加工、安裝無先例可鑒。

(3）本工程為雙曲面、空間管架構(gòu)件，分段節(jié)點多。其定位、變形控制難。

(4）由于本工程建筑造型特殊，高空焊接工作量大，且焊接要求高，多為一級焊縫，施工難度高。此外，大量的高空焊接，焊接變形控制難。

(5）整個結(jié)構(gòu)在索張拉之前結(jié)構(gòu)體系相對薄弱，必須設(shè)置可靠的施工支撐體系，確保鋼結(jié)構(gòu)安裝階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(6）在帆體鋼結(jié)構(gòu)安裝前，混凝土主體結(jié)構(gòu)施工已全部結(jié)束，對拼裝場地、機械進退場造成了很大的影響。

3 帆體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的確定

由于本工程施工條件的限制，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝時混凝土框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，TC7052 塔吊的起重性能有限(至混凝土結(jié)構(gòu)外半徑為 50 m，起重量只有 6.9 t），如何在現(xiàn)有機械配置下將構(gòu)件運送至主機吊裝范圍內(nèi)確保質(zhì)量、進度、安全且經(jīng)濟可行，是施工前必須重點考慮的，為此監(jiān)理組織業(yè)主、設(shè)計、施工各方專家進行討論，并對多方案進行比較后，提出了“工廠下料切割、現(xiàn)場整體拼裝、構(gòu)件分段短駁、TC7052塔吊垂直運輸、塔吊吊裝就位并結(jié)合提升技術(shù)”的整體施工方案，即在工廠完成鋼管的彎制、下料、相貫切割等工序，散件運輸至現(xiàn)場后利用東側(cè)場地進行構(gòu)件的整體拼裝，由運輸車輛將分段構(gòu)件通過底層混凝土路面運輸至混凝土結(jié)構(gòu)永久結(jié)構(gòu)洞口，再由 TC7052 將分段構(gòu)件垂直運輸并完成構(gòu)件的安裝，部分底部邊緣桁架利用結(jié)構(gòu)中空位置由 160 t 汽車吊吊裝到位，4 個支座處鑄鋼件利用結(jié)構(gòu)中空位置由 300 t 汽車吊吊裝到位，帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成后再分區(qū)踏步卸載。

4 帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝前監(jiān)理質(zhì)量控制

(1）施工前監(jiān)理對圖紙、施工組織設(shè)計方案(包括質(zhì)量、安全專項方案）、帆體質(zhì)量驗收標準進行審核，參加帆體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計專題會和施工專題會，并提出監(jiān)理意見。

(2）參加中央帆體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗收標準和施組專家評審會。

(3）根據(jù)施工進度編制監(jiān)理實施細則并組織施工交底。

(4）對材料供應(yīng)商和構(gòu)件外加工廠(鋼結(jié)構(gòu)管件、鑄鋼件、軸承）等進行駐場檢查和出場前的驗收。

(5）對鋼結(jié)構(gòu)各種模擬試驗情況進行見證(包括索網(wǎng)張拉試驗、鑄鋼節(jié)點模型試驗、聚氨脂與壓型鋼板的粘貼強度和抗老化試驗）。

(6）對埋件、構(gòu)件進場情況進行檢查和驗收。

(7）對埋件、構(gòu)件現(xiàn)場加工拼裝和焊接情況進行檢查和驗收，對鋼結(jié)構(gòu)探傷過程進行旁站。

(8）對埋件、構(gòu)件現(xiàn)場吊裝過程進行檢查監(jiān)督，并對標高、軸線位置進行監(jiān)理檢查復(fù)測。

5 帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝監(jiān)理質(zhì)量控制點

5.1 材質(zhì)控制

嚴格按設(shè)計圖紙要求做好預(yù)控，包括質(zhì)保資料的收集、施工單位是否按設(shè)計要求做好相應(yīng)的檢驗復(fù)試等，并進行現(xiàn)場抽檢(包括材質(zhì)、焊縫長度、壁厚、防腐涂層的厚度等）。

5.2 測量及監(jiān)測控制

本帆體鋼結(jié)構(gòu)屬空間結(jié)構(gòu)，較為復(fù)雜的三維管桁架結(jié)構(gòu)，桁架曲線在空間不斷變化，且吊裝精度要求高，傳統(tǒng)校正手段操作十分困難且精度難以保證，所以全部采用全站儀進行空間三維定位測量，監(jiān)理在督促施工單位編制測量專項方案，成立測量工作小組，建立測量平面、高程控制網(wǎng)，落實各項測量工作的同時，也對重要節(jié)點由專業(yè)測量工程師組織測量復(fù)核。

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中，主要的測量復(fù)核工作有：預(yù)埋件、軸線、鑄鋼件、軸承、三鉸拱、邊緣箱梁的測量以及鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中的變形及沉降觀測，施工單位完成測量后將測量成果上報監(jiān)理，監(jiān)理再對測量結(jié)果進行復(fù)核，施工完成后的變形及沉降觀測也很重要。

在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是兩個重要的參數(shù)，其中內(nèi)力是反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力情況的最直接的參數(shù)，跟蹤結(jié)構(gòu)桿件施工過程中的內(nèi)力變化，是理解結(jié)構(gòu)施工工程形態(tài)和受力情況最直接的途徑，所以本工程特委托同濟大學(xué)在結(jié)構(gòu)施工過程中對關(guān)鍵部位構(gòu)件的應(yīng)力情況進行監(jiān)測，把握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

5.3 鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的控制

本工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)沒有形成整體前，結(jié)構(gòu)系不穩(wěn)定體系，為確保支撐系統(tǒng)與分段結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的受力體系，本工程采用φ48×35 鋼管(Q235）與格構(gòu)柱 1.1 m×0.95 m(Q235）組成支撐體系，鋼管支撐相互間通過槽鋼連接形成穩(wěn)定的體系，所有卸載操作布置在支撐頂進行，鋼管與結(jié)構(gòu)通過另行加工的連接件、銷軸和耳板連接，監(jiān)理對施工單位編制的專項安全方案(包括受力計算書）進行審核，對支撐搭設(shè)過程進行監(jiān)控檢查，對螺栓擰緊力矩進行檢查，對格構(gòu)柱和槽鋼支撐焊接質(zhì)量進行檢查，對鋼攬風繩設(shè)置及受力情況進行檢查，確保了鋼結(jié)構(gòu)吊裝期間結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定和安全。

5.4 焊接質(zhì)量控制

(1）焊接材料：電焊條采用 E507，檢查質(zhì)保書，查看存放條件是否干燥、通風，不同焊條須分類堆放，標識清洗。

(2）焊工資質(zhì)：焊工必須持有效證書上崗，且不能以低級別焊工證施焊高級別。

(3）焊接工藝評定：在工程正式施焊前，根據(jù)不同的焊接方法，焊接材料、焊接位置、預(yù)熱要求以及坡口類型按照JGJ 81—2002 進行工藝評定，確定合適的焊接參數(shù)，作為焊接施工的依據(jù)，焊接工藝評定通過后再開始焊接施工。

(4）焊接前的準備工作：包括焊條的預(yù)熱、焊接工具及設(shè)備的準備、坡口裝配質(zhì)量等，焊接管材的預(yù)熱采用火焰加熱，預(yù)熱范圍為坡口及坡口兩側(cè)不小于板厚的 1.5 倍寬度，且不小于 10 cm。

(5）焊接施工。主結(jié)構(gòu)主弦管焊接采用多層多道焊工藝，由 2 名焊工對稱施焊，一個接頭連續(xù)施焊，一次完成。相貫節(jié)點的焊接采用無間隙安裝，趾部及二側(cè)面端面有剖口，故焊縫相當于部分溶透的組合焊縫，由于角度均小于 30°，所以相貫節(jié)點焊縫需進行工藝評定。鋼結(jié)構(gòu)與鑄鋼件焊接前需進行充分預(yù)熱，預(yù)熱范圍為：焊縫兩側(cè)，每側(cè)寬度應(yīng)大于焊件厚度的 2 倍，且不小于 100 mm。預(yù)熱應(yīng)均勻一致。焊接方法采用多層多道焊工藝，每條環(huán)焊縫應(yīng)由兩名焊工對稱施焊。焊接變形的控制措施：焊接施工時，無論從整體結(jié)構(gòu)還是單個構(gòu)件都應(yīng)遵從對稱原則，但任何桿件的兩端不允許同時焊接。焊接點的設(shè)置要均勻分布，不宜集中在某一處。對于較長焊縫，宜采取分段退焊的方法。在減小焊接變形的同時，應(yīng)考慮到焊接應(yīng)力的控制。

(8）焊后的檢查。外觀檢驗：焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊透、根部收縮等缺陷。UT(鋼結(jié)構(gòu)無損探傷檢測）：UT 在外觀檢查合格及焊后 24 h 后才能進行，管材對接一級焊縫 100%，二級焊縫 20%，按照 GB 11345—1989 標準執(zhí)行，本工程鋼結(jié)構(gòu)探傷結(jié)果經(jīng)過測試合格率達 100%。

5.5 鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)卸載控制

(1）帆體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后須將支撐系統(tǒng)卸載，以便將鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)共同受力的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為由鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單獨受力狀態(tài)，以實現(xiàn)設(shè)計意圖。本鋼結(jié)構(gòu)卸載分二步實施：A、C 節(jié)點合攏后進行 C 節(jié)點以下部位卸載；B、C 節(jié)點以上懸挑部位吊裝及焊接完成后再進行 C 節(jié)點以上部位卸載。

(2）結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的原則：以結(jié)構(gòu)計算分析為依據(jù)、以結(jié)構(gòu)安全為宗旨、以變形諧調(diào)為核心、以實時監(jiān)控為手段。

(3）鋼結(jié)構(gòu)卸載的原則：須保證臨時支撐結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，保證不會發(fā)生整體失穩(wěn)；必須保證帆體結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)；卸載時要保證南北兩邊對稱卸載；在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，步驟次數(shù)盡可能少，每步幅度盡可能大。

(4）鋼結(jié)構(gòu)卸載工藝：通過設(shè)置在支撐頂部可調(diào)節(jié)支承裝置，按多次循環(huán)微量下降的原則來實現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉(zhuǎn)化，卸載使用氧氣割刀，卸載時要在卸載端設(shè)置擋板，防止卸載節(jié)點與鋼結(jié)構(gòu)的相對滑移。

(5）帆體鋼結(jié)構(gòu)卸載主要監(jiān)理控制內(nèi)容：審核施工單位上報的鋼結(jié)構(gòu)卸載方案(包括模擬計算書），并在卸載前完成工作交底，檢查各項準備工作是否到位，確保施工質(zhì)量安全。卸載前所有構(gòu)件須全部安裝到位。所以焊接工作已全部完成并驗收合格。鋼結(jié)構(gòu)外形已驗收合格。落實卸載前和卸載后的鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測工作。

6 帆體鋼結(jié)構(gòu)安全監(jiān)理控制

6.1 安全監(jiān)理工作特點及難點

(1）由于中央帆體鋼結(jié)構(gòu)造型獨特，重大危險源較多，結(jié)構(gòu)高度高達 70 m，高空吊裝和高空焊接作業(yè)較多，鑄鋼件和相貫軸重量重，其中 A 節(jié)點重量為 33.3 t，B 節(jié)點為 28.5 t，C節(jié)點為 46 t，而且鑄鋼件與關(guān)節(jié)軸承之間是可以雙向轉(zhuǎn)動的，也給吊裝和運輸帶來很大的困難。

(2）現(xiàn)場施工機械較多，2 臺塔吊和汽車吊配合施工，吊裝危險性大。

(3）冬季施工，當年雨雪天氣較多，從 12 月 10 日到下年度 1 月 31 日，連續(xù)下雨和下雪的天氣多達 20 多 d，氣候相當寒冷和濕滑，高空比地面至少風要大 2 級，溫度低1 ℃～2 ℃。

(4）專業(yè)施工單位眾多，工期緊，存在交叉作業(yè)。

6.2 施工過程中的安全監(jiān)理工作

(1）審核施工單位方案，由于帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝危險性較大，所以施工單位的專項方案須逐級審批(項目部、公司級），并要經(jīng)過專家評審，監(jiān)理嚴格按方案、規(guī)范及專家評審意見督促施工落實。

(2）監(jiān)理對各方安全工作的聯(lián)系，或?qū)Π踩囊?、提醒、注意的問題，要求施工單位在施工時引起種重視，避免出現(xiàn)不安全因素，事前采用安全監(jiān)理工作聯(lián)系單的形式告知。

(3）當安全監(jiān)理人員在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)安全事故隱患或者違反安全專項施工方案、法律法規(guī)和工程建設(shè)強制標準，違章操作、違章指揮、違反勞動紀律時應(yīng)及時制止，并立即開具安全監(jiān)理通知單要求限時整改。

(4）發(fā)揮施工單位各級管理人員和安全員自身作用。

(5）除日常安全巡視檢查外，每周進行安全專項檢查，月底組織安全大檢查，進行有針對性的監(jiān)督。

(6）加大對帆體鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的巡視檢查及旁站監(jiān)督的力度，發(fā)現(xiàn)隱患及時進行處理。

(7）核查專業(yè)分包的安全許可證和安全協(xié)議，檢查施工單位安全保證體系建立、健全、運行。

(8）安全人員控制：安全監(jiān)理和施工單位專職安全員資格證書具備。施工單位三類人員的安全資格審核。特種人員(特殊工種）的資格及證書審查。

(9）核查施工機械、安全設(shè)施驗收手續(xù)，檢查進場施工機械掛牌情況，并加強使用過程中的維修保養(yǎng)記錄檢查。

(10）所有專業(yè)分包進場施工，監(jiān)理均組織進行安全交底，同時督促施工單位落實施工人員進場的專業(yè)安全培訓(xùn)或安全教育交底工作。

(11）腳手及胎架搭設(shè)嚴格按施組方案執(zhí)行，起重吊裝所有設(shè)備不得帶病作業(yè)，班前先進行試運行，并檢查安全裝置是否有效，確認無誤再進行作業(yè)。

(12）起重作業(yè)嚴禁超載吊裝及斜吊，必須嚴格遵守“十不吊”等有關(guān)規(guī)定。

(13）所有吊裝索具必須認真檢查規(guī)格及完好情況，起吊前必須確認索具與構(gòu)件是否連接可靠。

(14）手拉葫蘆使用前仔細檢查吊鉤、鏈條及輪軸是否有損壞，傳動部位是否靈活。

(15）本工程電焊氣割作業(yè)較多，要求施工單位辦理三級動火證明，增派監(jiān)護人員配備滅火器材和接火斗，并在腳手架上設(shè)置水桶，以備急用。

(16）登高作業(yè)必須系好安全帶，穿防滑絕緣鞋。

7 結(jié) 語

上海中國航海博物館工程從 2007 年 12 月 8 日開始吊裝，經(jīng)過近半年的緊張施工，在克服了 2008 年初嚴重冰凍天氣災(zāi)害的不利情況下，通過各參建單位的共同努力，于 2008年 5 月 21 日順利完成鋼結(jié)構(gòu)吊裝，2010 年 7 月份已開館對外進行營業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量已獲得上海市鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會“金鋼獎”特等獎，施工過程也未出現(xiàn)任何安全事故，質(zhì)量和安全均達到了預(yù)定的目標。目前該館已全面通過驗收并投入使用，社會反響較好，已成為浦東臨港地區(qū)乃至上海市的標志性建筑，是青少年科普及革命歷史教育的基地。

通信地址：上海市延安東路1200號11樓1113室。

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1007-4104(2014)02-0076-06

2013-12-19

程小嬌(1974—)，高級工程師，注冊監(jiān)理工程師、注冊安全工程師，研究方向：工程咨詢。