异形钢结构施工监理控制措施

程小娇

（上海上咨建设工程咨询有限公司， 上海 200003）

异形钢结构施工监理控制措施

程小娇

（上海上咨建设工程咨询有限公司， 上海 200003）

介绍了上海中国航海博物馆工程的钢结构施工监理控制措施，包括材质控制、测量及监测控制、钢结构支撑系统控制、焊接质量控制等。

异型钢结构；施工工艺；监理控制

1 工程概况

1.1 项目概述

上海中国航海博物馆工程位于上海南汇临港新城主城区，帆体钢结构座落在 12.00 m 高的混凝土结构上，顶点标高为 +70.00 m 左右。两个三角形风帆的底部两支座间相距70 m，相交处离地高度约 54 m，帆体为钢网格结构与钢索张拉结构。帆体的基本体系由帆体屋面、单层索网玻璃幕墙及边侧幕墙等部分构成。主结构体系可分为主、从结构体系，主结构体系包括：边缘箱梁和三铰拱；从结构体系包括侧幕墙立柱、屋面两向正交月牙形桁架体系、单层索网体系。钢结构总量 2 300 余 t。建成后成为临港新城乃至上海市的标志性建筑。

图 1 上海中国航海博物馆实图

图 2 帆体钢结构示意图

图 3 钢结构分段示意图

1.2 主要结构体系介绍

1.2.1 铸钢件关节轴系统

铸钢件共有 6 件，其中 4 件位于底部 4 个角部节点，2 件位于帆体相交的 C 节点处。关节轴共 5 件，其中 4 件位于底部 4 个角部节点，1 件位于帆体相交的 C 节点处。帆体结构的 4 个角部节点必须保证绕 X、Y、Z 轴完全铰接，所以在底部 4 个铸钢件下部和 1 个 C 节点铸钢件内再配置关节轴以满足设计要求。铸钢件 A、B、C 重量分别为 23.2 t、26.3 t 和18.6 t，关节轴(A/B）重 9.9 t，关节轴(C）重 2.6 t。

图 4 铸钢件A及关节轴示意图

图 5 铸钢件B及关节轴示意图

图 6 铸钢件C及关节轴示意图

1.2.2 边缘箱梁

边缘箱梁为截面形状为三角形的管桁架，三根主弦杆为两种规格：φ400×20、φ203×16。在桁架上下表面沿钢管中心线加设 25 厚的加劲板，既能保证结构自身的强度、变形，同时又为悬挂索网提供支承。边缘箱梁分段从 6.4 m 至20 m，分段重量从 8.1 t 至 25.5 t。

图 7 边缘箱梁示意图

1.2.3 三铰拱

三铰拱为截面为三角形的管桁架，三根主弦杆主要为一种规格：φ530×22，局部区域为φ630×30(支座处），三铰拱与边缘绗组成了钢结构主受力体系，同时它也为悬挂索网提供支承，三铰拱分段均在 5.3 m 左右，分段重量从 7.2 t 至9.6 t。

图 8 三铰拱示意图

1.2.4 侧幕墙立柱

侧幕墙立柱单立管和双立管两种形式，单立管分部在底部边缘箱梁两端，其余均为双立管，双立管两根钢管之间通过钢板连接，钢管规格φ219×16，构件均整体吊装，构件重量为 0.5 t～1.7 t。

图 9 侧幕墙立柱示意图

1.2.5 屋面两向正交月牙形桁架体系

屋面结构为双层格网式壳体分为互为垂直相交的主月牙形桁架和次月牙形桁架，主月牙形桁架为单片管桁架，主弦杆规格为：φ273×16，长度从 2.5 m 至 50 m，最重单片规格为 17 t，长度超过 40 m 即分段吊装，次月牙形桁架为单片管桁架，主弦杆规格为φ245×12，次月牙形桁架被主月牙形桁架断成单根钢管，所以均散装，单根钢管重量为 0.14 t。

图 10 正交月牙形桁架示意图

1.3 帆体钢结构施工流程

1.3.1 帆体钢结构总体施工流程

进场准备→160 t 汽车吊安装 TC7052 塔吊→TC7052 塔吊完成帆体钢结构吊装→在 3 层楼面安装 18 t 屋面吊→18 t 屋面吊和 50 t 汽车吊配合拆除 TC5072 塔吊→25 t 汽车吊拆除 18 t屋面吊→机械退场。

1.3.2 帆体钢结构吊装工作流程

图 11 钢结构吊装流程

2 帆体钢结构施工特点及难点

(1）本工程建筑外形犹如两片张开的风帆，建筑造型独特。

(2）本工程在底部 A、B 支座和相交节点 C 节点处采用大型关节轴承以满足钢结构在风荷载和地震荷载作用下 A、B支座和相交节点 C 节点产生的转动，该轴承的设计、加工、安装无先例可鉴。

(3）本工程为双曲面、空间管架构件，分段节点多。其定位、变形控制难。

(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，多为一级焊缝，施工难度高。此外，大量的高空焊接，焊接变形控制难。

(5）整个结构在索张拉之前结构体系相对薄弱，必须设置可靠的施工支撑体系，确保钢结构安装阶段的结构稳定。

(6）在帆体钢结构安装前，混凝土主体结构施工已全部结束，对拼装场地、机械进退场造成了很大的影响。

3 帆体钢结构施工工艺的确定

由于本工程施工条件的限制，钢结构现场安装时混凝土框架结构已经形成，TC7052 塔吊的起重性能有限(至混凝土结构外半径为 50 m，起重量只有 6.9 t），如何在现有机械配置下将构件运送至主机吊装范围内确保质量、进度、安全且经济可行，是施工前必须重点考虑的，为此监理组织业主、设计、施工各方专家进行讨论，并对多方案进行比较后，提出了“工厂下料切割、现场整体拼装、构件分段短驳、TC7052塔吊垂直运输、塔吊吊装就位并结合提升技术”的整体施工方案，即在工厂完成钢管的弯制、下料、相贯切割等工序，散件运输至现场后利用东侧场地进行构件的整体拼装，由运输车辆将分段构件通过底层混凝土路面运输至混凝土结构永久结构洞口，再由 TC7052 将分段构件垂直运输并完成构件的安装，部分底部边缘桁架利用结构中空位置由 160 t 汽车吊吊装到位，4 个支座处铸钢件利用结构中空位置由 300 t 汽车吊吊装到位，帆体钢结构吊装完成后再分区踏步卸载。

4 帆体钢结构吊装前监理质量控制

(1）施工前监理对图纸、施工组织设计方案(包括质量、安全专项方案）、帆体质量验收标准进行审核，参加帆体钢结构设计专题会和施工专题会，并提出监理意见。

(2）参加中央帆体钢结构质量验收标准和施组专家评审会。

(3）根据施工进度编制监理实施细则并组织施工交底。

(4）对材料供应商和构件外加工厂(钢结构管件、铸钢件、轴承）等进行驻场检查和出场前的验收。

(5）对钢结构各种模拟试验情况进行见证(包括索网张拉试验、铸钢节点模型试验、聚氨脂与压型钢板的粘贴强度和抗老化试验）。

(6）对埋件、构件进场情况进行检查和验收。

(7）对埋件、构件现场加工拼装和焊接情况进行检查和验收，对钢结构探伤过程进行旁站。

(8）对埋件、构件现场吊装过程进行检查监督，并对标高、轴线位置进行监理检查复测。

5 帆体钢结构吊装监理质量控制点

5.1 材质控制

严格按设计图纸要求做好预控，包括质保资料的收集、施工单位是否按设计要求做好相应的检验复试等，并进行现场抽检(包括材质、焊缝长度、壁厚、防腐涂层的厚度等）。

5.2 测量及监测控制

本帆体钢结构属空间结构，较为复杂的三维管桁架结构，桁架曲线在空间不断变化，且吊装精度要求高，传统校正手段操作十分困难且精度难以保证，所以全部采用全站仪进行空间三维定位测量，监理在督促施工单位编制测量专项方案，成立测量工作小组，建立测量平面、高程控制网，落实各项测量工作的同时，也对重要节点由专业测量工程师组织测量复核。

在钢结构吊装过程中，主要的测量复核工作有：预埋件、轴线、铸钢件、轴承、三铰拱、边缘箱梁的测量以及钢结构吊装过程中的变形及沉降观测，施工单位完成测量后将测量成果上报监理，监理再对测量结果进行复核，施工完成后的变形及沉降观测也很重要。

在钢结构吊装过程中，结构的内力和位移是两个重要的参数，其中内力是反应结构受力情况的最直接的参数，跟踪结构杆件施工过程中的内力变化，是理解结构施工工程形态和受力情况最直接的途径，所以本工程特委托同济大学在结构施工过程中对关键部位构件的应力情况进行监测，把握结构的应力情况，确保结构的安全性。

5.3 钢结构支撑系统的控制

本工程结构复杂，在结构没有形成整体前，结构系不稳定体系，为确保支撑系统与分段结构形成稳定的受力体系，本工程采用φ48×35 钢管(Q235）与格构柱 1.1 m×0.95 m(Q235）组成支撑体系，钢管支撑相互间通过槽钢连接形成稳定的体系，所有卸载操作布置在支撑顶进行，钢管与结构通过另行加工的连接件、销轴和耳板连接，监理对施工单位编制的专项安全方案(包括受力计算书）进行审核，对支撑搭设过程进行监控检查，对螺栓拧紧力矩进行检查，对格构柱和槽钢支撑焊接质量进行检查，对钢揽风绳设置及受力情况进行检查，确保了钢结构吊装期间结构体系的稳定和安全。

5.4 焊接质量控制

(1）焊接材料：电焊条采用 E507，检查质保书，查看存放条件是否干燥、通风，不同焊条须分类堆放，标识清洗。

(2）焊工资质：焊工必须持有效证书上岗，且不能以低级别焊工证施焊高级别。

(3）焊接工艺评定：在工程正式施焊前，根据不同的焊接方法，焊接材料、焊接位置、预热要求以及坡口类型按照JGJ 81—2002 进行工艺评定，确定合适的焊接参数，作为焊接施工的依据，焊接工艺评定通过后再开始焊接施工。

(4）焊接前的准备工作：包括焊条的预热、焊接工具及设备的准备、坡口装配质量等，焊接管材的预热采用火焰加热，预热范围为坡口及坡口两侧不小于板厚的 1.5 倍宽度，且不小于 10 cm。

(5）焊接施工。主结构主弦管焊接采用多层多道焊工艺，由 2 名焊工对称施焊，一个接头连续施焊，一次完成。相贯节点的焊接采用无间隙安装，趾部及二侧面端面有剖口，故焊缝相当于部分溶透的组合焊缝，由于角度均小于 30°，所以相贯节点焊缝需进行工艺评定。钢结构与铸钢件焊接前需进行充分预热，预热范围为：焊缝两侧，每侧宽度应大于焊件厚度的 2 倍，且不小于 100 mm。预热应均匀一致。焊接方法采用多层多道焊工艺，每条环焊缝应由两名焊工对称施焊。焊接变形的控制措施：焊接施工时，无论从整体结构还是单个构件都应遵从对称原则，但任何杆件的两端不允许同时焊接。焊接点的设置要均匀分布，不宜集中在某一处。对于较长焊缝，宜采取分段退焊的方法。在减小焊接变形的同时，应考虑到焊接应力的控制。

(8）焊后的检查。外观检验：焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。且一级焊缝不得有咬边、未焊透、根部收缩等缺陷。UT(钢结构无损探伤检测）：UT 在外观检查合格及焊后 24 h 后才能进行，管材对接一级焊缝 100%，二级焊缝 20%，按照 GB 11345—1989 标准执行，本工程钢结构探伤结果经过测试合格率达 100%。

5.5 钢结构支撑系统卸载控制

(1）帆体钢结构安装完成后须将支撑系统卸载，以便将钢结构系统和支撑系统共同受力的状态转化为由钢结构系统单独受力状态，以实现设计意图。本钢结构卸载分二步实施：A、C 节点合拢后进行 C 节点以下部位卸载；B、C 节点以上悬挑部位吊装及焊接完成后再进行 C 节点以上部位卸载。

(2）结构体系转换的原则：以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形谐调为核心、以实时监控为手段。

(3）钢结构卸载的原则：须保证临时支撑结构处于安全状态，保证不会发生整体失稳；必须保证帆体结构的变形协调；卸载时要保证南北两边对称卸载；在满足上述条件的基础上，步骤次数尽可能少，每步幅度尽可能大。

(4）钢结构卸载工艺：通过设置在支撑顶部可调节支承装置，按多次循环微量下降的原则来实现荷载平稳转化，卸载使用氧气割刀，卸载时要在卸载端设置挡板，防止卸载节点与钢结构的相对滑移。

(5）帆体钢结构卸载主要监理控制内容：审核施工单位上报的钢结构卸载方案(包括模拟计算书），并在卸载前完成工作交底，检查各项准备工作是否到位，确保施工质量安全。卸载前所有构件须全部安装到位。所以焊接工作已全部完成并验收合格。钢结构外形已验收合格。落实卸载前和卸载后的钢结构变形监测工作。

6 帆体钢结构安全监理控制

6.1 安全监理工作特点及难点

(1）由于中央帆体钢结构造型独特，重大危险源较多，结构高度高达 70 m，高空吊装和高空焊接作业较多，铸钢件和相贯轴重量重，其中 A 节点重量为 33.3 t，B 节点为 28.5 t，C节点为 46 t，而且铸钢件与关节轴承之间是可以双向转动的，也给吊装和运输带来很大的困难。

(2）现场施工机械较多，2 台塔吊和汽车吊配合施工，吊装危险性大。

(3）冬季施工，当年雨雪天气较多，从 12 月 10 日到下年度 1 月 31 日，连续下雨和下雪的天气多达 20 多 d，气候相当寒冷和湿滑，高空比地面至少风要大 2 级，温度低1 ℃～2 ℃。

(4）专业施工单位众多，工期紧，存在交叉作业。

6.2 施工过程中的安全监理工作

(1）审核施工单位方案，由于帆体钢结构吊装危险性较大，所以施工单位的专项方案须逐级审批(项目部、公司级），并要经过专家评审，监理严格按方案、规范及专家评审意见督促施工落实。

(2）监理对各方安全工作的联系，或对安全的要求、提醒、注意的问题，要求施工单位在施工时引起种重视，避免出现不安全因素，事前采用安全监理工作联系单的形式告知。

(3）当安全监理人员在巡视检查中发现安全事故隐患或者违反安全专项施工方案、法律法规和工程建设强制标准，违章操作、违章指挥、违反劳动纪律时应及时制止，并立即开具安全监理通知单要求限时整改。

(4）发挥施工单位各级管理人员和安全员自身作用。

(5）除日常安全巡视检查外，每周进行安全专项检查，月底组织安全大检查，进行有针对性的监督。

(6）加大对帆体钢结构吊装施工的巡视检查及旁站监督的力度，发现隐患及时进行处理。

(7）核查专业分包的安全许可证和安全协议，检查施工单位安全保证体系建立、健全、运行。

(8）安全人员控制：安全监理和施工单位专职安全员资格证书具备。施工单位三类人员的安全资格审核。特种人员(特殊工种）的资格及证书审查。

(9）核查施工机械、安全设施验收手续，检查进场施工机械挂牌情况，并加强使用过程中的维修保养记录检查。

(10）所有专业分包进场施工，监理均组织进行安全交底，同时督促施工单位落实施工人员进场的专业安全培训或安全教育交底工作。

(11）脚手及胎架搭设严格按施组方案执行，起重吊装所有设备不得带病作业，班前先进行试运行，并检查安全装置是否有效，确认无误再进行作业。

(12）起重作业严禁超载吊装及斜吊，必须严格遵守“十不吊”等有关规定。

(13）所有吊装索具必须认真检查规格及完好情况，起吊前必须确认索具与构件是否连接可靠。

(14）手拉葫芦使用前仔细检查吊钩、链条及轮轴是否有损坏，传动部位是否灵活。

(15）本工程电焊气割作业较多，要求施工单位办理三级动火证明，增派监护人员配备灭火器材和接火斗，并在脚手架上设置水桶，以备急用。

(16）登高作业必须系好安全带，穿防滑绝缘鞋。

7 结 语

上海中国航海博物馆工程从 2007 年 12 月 8 日开始吊装，经过近半年的紧张施工，在克服了 2008 年初严重冰冻天气灾害的不利情况下，通过各参建单位的共同努力，于 2008年 5 月 21 日顺利完成钢结构吊装，2010 年 7 月份已开馆对外进行营业，钢结构施工质量已获得上海市钢结构协会“金钢奖”特等奖，施工过程也未出现任何安全事故，质量和安全均达到了预定的目标。目前该馆已全面通过验收并投入使用，社会反响较好，已成为浦东临港地区乃至上海市的标志性建筑，是青少年科普及革命历史教育的基地。

通信地址：上海市延安东路1200号11楼1113室。

TU712

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1007-4104(2014)02-0076-06

2013-12-19

程小娇(1974—)，高级工程师，注册监理工程师、注册安全工程师，研究方向：工程咨询。