浅谈徐州市奥体中心体育场钢结构工程质量控制实践

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  摘要:结合徐州市奥体中心体育场钢结构工程质量控制的实践,详细叙述了钢结构制作和安装过程中质量控制的一些要点和应注意的环节,对类似钢结构工程质量控制提供借鉴。
  关键词:体育场钢结构质量控制控制措施
  
  1工程概况
  徐州市奥体中心项目位于徐州市新城区,包括容纳3.5万座的体育场、2000座的综合训练馆、2000座的游泳跳水馆、2046座的球类馆、商业、地下车库和体育宾馆共7个单体建筑,总占地面积709.2亩,总建筑面积240096㎡。项目建成后将是2014年江苏省第十八届省运会的主场馆,也是苏北地区体量最大的体育中心。
  体育场主体结构采用钢筋混凝土框架结构,为超长混凝土结构,框架抗震等级为一级,屋盖为类椭圆形的环形空间结构,主体结构的混凝土支墩柱通過117个铸钢支座与屋盖钢结构连为一体,屋盖的展开面积大约为59194㎡。
  体育场屋盖由X型交叉柱、双向单层网格、三向单层网格、弦支网格、索承网格环形桁架等部分组成,其造型美观、设计新颖轻巧,多种结构形式并成,整个屋盖的造型呈马鞍形曲面,结构平面长轴263米、短轴243米,桁架最高中心点标高为43.277m,最大悬挑跨度约39.9米。屋盖结构内部采用索承网格体系,外部采用单层网壳体系。屋盖钢结构体系俯视图如下:
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  体育场悬挑罩篷共有42榀带拉索的环形桁架组成,最大悬挑跨度约39.9米,最小悬挑跨度约为16米。罩棚钢结构总用钢量约10000吨,构件的形式有箱形扭曲构件、变截面锥形圆管、大直径弯曲管、超厚板等,多为异形构件,其施工难度不亚于北京奥运会主体育场“鸟巢”。
  2 工程施工的难点、特点和主要质量控制措施
  2.1 工程的难点和特点
  (1)设计新颖,构造复杂,施工难度大
  体育场罩棚钢结构为类椭圆形的环形空间结构,造型美观、设计轻巧。其外侧为网壳结构,内侧为索承结构。多种结构形式并存,导致各部位施工方法各异,施工难度相当大。
  (2)多种构件形式,导致加工困难
  工程构件加工涉及箱型弯扭构件加工、变截面圆锥管加工、大直径弯弧管加工、超厚板加工(90mm、120mm厚)等,无论是对构件的深化设计还是加工制作都赋予极大的挑战。
  (3)结构体量大,工装投入量大
  屋盖系统结构体量大,所有构件需要在地面拼成吊装单元后方可吊装,针对不同的分段或分片,拼装胎架的形式各不相同,因此拼装胎架材料用量比较大。 结构在安装时,需要使用大量的支撑和工装。由于屋盖结构无伸缩缝,支撑和工装无法倒用,导致安装支撑和工装用量也比较大。
  (4)构件多而杂,高空作业量大,安全和成品保护要求高
  屋盖系统结构在地面拼成整体后,仍然存在大量的散件。这部分散件,均需要在高空进行安装,高空作业量大,且保证安全操作的投入会很大。
  (5)节点形状特殊,测量定位精度要求高
  为实现屋盖整体曲面效果,各构件的安装定位、标高测量控制及安装校正是现场安装能满足设计要求的前提。
  (6)索张拉使结构提升、支撑卸载控制措施要求高,应力和变形控制是关键。
  2.2 钢结构施工主要质量控制措施
  根据本工程钢结构的特点,并笔者以往大型钢结构工程管理经验,按照“提前分析、预控为主,防控结合,狠抓落实”的工作思路,制定了以下防范措施:
  首先我们把整个施工管理控制过程分为几个阶段,即施工图纸与施工方案审核阶段;钢结构加工厂资质审查以及驻厂监造阶段;现场临时支撑系统定位和大型预埋件的安装阶段;钢结构现场组装焊接阶段;构件单元吊装阶段;临时支撑卸载拆除阶段等。主要工作内容如下:
  1、钢结构施工图的审核与专项方案的编制与审核
  钢结构施工详图由施工单位深化设计,深化图纸是否存在与原结构设计相互对应、施工中是否具有可操作性、是否与其他相关专业设计冲突等问题,往往需要主要管理人员提前进行图纸审查和协调。
  对于本工程,我们首先组织审查了钢结构施工单位编制的施工详图,确认其为有资质的设计单位编制;其次审查施工详图是否经过了原设计院的审核确认;再次是审核施工详图对原施工图纸的响应程度,相关专业的设计变更对钢结构施工的影响程度等并进行科学管理的协调。
  针对本工程钢结构设计新颖,构造复杂,施工难度大等特点,在借鉴以往类似工程成功管理经验的基础上,我们先后要求施工单位编制了《钢结构空间、平面测量方案》、《大型钢支座定位和预埋方案》、《钢结构现场组装方案》、《预应力钢拉索专项施工方案》、《钢结构防腐涂装施工方案》、《钢结构安装及吊装安全施工方案》、《锥形钢管制作加工方案》、《临时支撑系统布置与卸载拆除方案》等,并聘请国内知名专家选择重点方案予以把脉,很好地控制了本工程的质量。
  另外根据本工程钢结构构件的非常规性,在结合国家现行有关验收标准即《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001的基础上,会同参建各方还制定了针对本工程的工程质量验收标准,如《徐州市奥体中心体育场工程钢结构索承结构验收标准》、《徐州市奥体中心体育场钢结构工程施工质量验收标准》、《异种钢材超厚板焊接方案》、《铸钢件验收标准》、《超常规的钢结构检验批划分原则和标准》等,对控制安装节点以及尺寸偏差起到了很好的控制效果。
  2、对钢结构制作厂家的资质审查以及制作过程的控制
  在钢结构分包商选择过程中,我主要管理人员重点审查了钢结构制作厂家的资质、生产能力和施工技术标准、质量管理体系,包括:有证焊工的数量及操作水平,焊接设备和能力、制作车间工装平台的大小、相贯线加工设备的数量及性能、焊接设备(如是否有坡口机等)、卷板机、焊接探伤设备等,以及相应的质量控制及检验制度。
  由于本工程用钢量大,构件造型复杂,工期紧迫,在钢构件加工制作过程中,要求驻厂监理除参与到钢结构制作厂家的技术交底外,还每天坚持到车间内巡检,对加工的每道工序严格按规范进行验收,定期召开厂内监理例会,发现问题及时提出要求加工单位整改。对每个加工点加工的首件构件,还通知设计院、业主代表、监理、施工方到场联合验收,验收合格后才可进行批量加工生产。另外,驻场监理还对钢结构制作厂家在预定工期中完成钢构件加工数量以及相应复杂构件加工能力进行了评估,并制定了相应的奖惩措施,很好地控制了加工周期。
  3、钢结构现场施工质量控制
  (1)埋件质量控制:对非常态、超大跨度、结构复杂的空间体系,钢结构基础埋件结构形状往往比较复杂,而且这些埋件的使用寿命与主体结构一样为永久构造,为有效控制其质量,必须在其安装前、安装后、砼浇筑时、砼浇筑后进行位置监测。标高和轴线的精度控制必须比规范要求严些,以防其偏位,这样才能满足主体钢构安装要求。
  (2)对钢结构安装前的质量控制:
  ①钢结构安装前监理单位必须要求钢结构施工方建立平面控制网和高程控制网,还要见证钢结构单位与土建施工单位的测量控制原始点的移交以及控制点的复核过程。
  ②大型机械设备的检查。徐州市奥体中心体育场为大跨度空间结构,安装必须采用大型机械吊装。因此所有吊机进场必须报验资料(含吊车司机、信号员资质、大型机械安监资料等),经监理部检查验收合格后方可使用。同时还督促施工方进行装机后首吊试车运行试验,现场吊机的行走线路必须满足吊机的荷载以及吊机运行时周围有影响的一切障碍必须清除。
  ③支撑塔架的检查。主要在地面制作和安装时,监理部要检查焊接质量,安装分节处是否焊接牢固,安装后的揽风绳是否固定,塔架的定位标高、塔架是否与结构等相撞、影响;以及检查有否按照施工方案实施。另外还要对所有支撑塔架的定位进行复核。
  (3)安装过程的质量控制
  ①焊接控制:本钢结构工程构件的连接设计多为焊接连接。焊接工序是整个钢结构施工过程重中之重。
  首先依据《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002),要求钢结构施工单位编制具有可操作性的焊接施工方案;其次检查施工用所有焊接设备(包括加热、测量、控制装置)是否处于正常状态,仪表是否鉴定且在有效期内;检查焊工资质。焊接工作应由取得相应资质、并在有效期限内的焊工合格证的焊工承担,严禁无证上岗,或资质与岗位要求不符。并且焊工要经过高空作业技术培训,督促施工方提供操作人员体检表以及高空作业培训证明,从而适应现场环境的需要,提高焊接质量。
  另外焊条要有专人进行烘焙和发放,焊接完成后对每条焊缝做好相应原始记录(内容包括焊缝位置、编号、施焊时间人员等),焊接缺陷返修的控制,不得超过2次,以确保主结构的焊缝质量。
  最后对焊接质量检查。包括外观和无损检测,外观检查按照JGJ81-2002规范执行。无损检测(UT)按照GB11345和设计文件执行,一级焊缝100%检验,二级焊缝抽检20%,并且在焊后24小时检测。监理单位要全程监理,并及时通知第三方检测。
  ②吊装质量控制。吊装前检查施工准备工作是否完好即吊点设置、卡码焊接、卡码尺寸是否合格、是否符合设计要求;吊装前构件是否经过检查验收并且合格;连接部位是否打磨处理干净;安装过程是否按照施工方案实施;以及检查吊装是否对周围环境产生影响以及施工方安全员和各种责任人到岗情况等。
  (4)临时支撑卸载质量控制
  临时支撑卸载是将屋盖钢结构从支撑受力状态下,转换到自由受力状态的过程,即在保证现有钢结构临时支撑体系整体受力安全、主体结构由施工安装状态顺利过渡到设计状态。
  临时支撑卸载的前提条件是屋面主结构施工吊装、焊接、检测完成、达到验收标准后,卸载工作方可实施。
  临时支撑在卸载过程中要遵循“分区、分节、等量,均衡、缓慢”的原则。监理单位在钢结构卸载的过程中要检查全部焊缝是否焊接完成、无损自检和第三方检测是否完成、返修是否完成、连接卡码是否切割、屋面杂物是否清理以及卸载工作是否按照施工方案实施等。还要检查卸载前后设计选定结构沉降观测点的测量成果是否产生偏差等。
  (5)预应力索的张拉控制
  本工程为大悬挑复杂索承网格结构体系,工程规模大,并且属于新型结构体系,施工过程复杂。为使本工程达到设计质量要求,我们要求施工单位做到以下几点:
  张拉过程的同步性控制
  由于本工程为对称的类椭圆形结构,下弦拉索張拉时,上弦的钢结构会产生变形,为了保证上弦钢梁在拉索张拉过程中的稳定性,需要缓慢而均匀的对其加载,尽量减少在上弦钢梁的不均匀变形,这样就对拉索张拉的同步性提出了较高的要求。对于本工程,不但要制定合理的张拉方案,并且在施工过程中要采用智能同步控制系统对整个施工过程进行监控,以保证施工质量满足要求。
  节点深化设计及关键节点的有限元分析
  本工程拉索节点受力相当之大,构造复杂,特别是环索与径向拉索的节点,受力部位非常关键。对于本工程施工单位采用三维建模软件对整个工程和所有节点进行详细建模,以保证拉索下料长度及节点加工制作的精确性,并对关键节点进行有限元分析,以保证节点受力的安全性,在可能的情况下对节点构造和外形进行优化。
  柔性结构体系的施工过程模拟计算
  为了验证施工过程的合理性和可行性,并为整个拉索安装和张拉过程提供理论依据,要对施工过程进行详细的仿真模拟计算。对于本工程,采用的是大型通用有限元分析软件MIDAS对施工过程进行模拟计算,以保证施工质量和施工过程的安全。
  施工过程的索力、应力及变形监测
  对于预应力钢结构体系,在施工的每一个阶段,其刚度和平衡状态均会发生改变,结构都会经历一个自适应的过程而使内力重分布,形状也随之改变,为了保证施工质量和施工完成后的预应力形态符合设计要求,我们在施工过程进行中对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测,以确保结构施工期安全,保证结构的初始状态与原设计相符。
  拉索张拉工装的设计
  本工程张拉点较多,张拉力很大,对张拉过程的要求高,因此要设置合理的张拉工装,并保证施工质量并节省施工造价。
  ⑥后续施工措施——屋面板安装
  预应力结构张拉完成后,还需要注意结构的其他荷载施加过程,在后续的结构施工过程中,如屋面板安装、悬挂荷载的施加步骤和方法,要尽量保证比较均匀、对称、匀速地施工,避免出现过大的集中荷载。
  (6)防腐及涂装工程质量的控制
  钢结构的防腐和涂装对钢结构的施工质量也影响较大,因为防腐和涂装质量的合格与否直接影响钢结构今后使用期间的维护费用,还影响钢结构工程的使用寿命、结构安全及发生火灾时的耐火时间(防火涂装)。因此我们对防腐和涂装质量也高度重视,对各个工序进行了严格的检查验收。
  本工程的防腐涂装具体检测方法为:油漆喷涂后马上用湿膜测厚仪垂直按入湿膜直至接触到底材,然后取出测厚仪读取数值。膜厚的控制应遵守两个90%的规定,即90%的测点应在规定膜厚以上,余下的10%的测点应达到规定膜厚的90%。测点的密度应根据施工面积的大小而定。外观检查应满足:涂层均匀,无起泡、流挂、龟裂、干喷和参杂物现象。
  3、结束语
  由本工程可看出钢结构工程施工中的质量控制要点主要有:深化图纸审核以及各项方案、检验标准的编制、驻场监造质量控制、安装前的质量控制、焊接工程质量的控制、吊装质量控制、临时支架卸载质量控制、预应力张拉的控制和防腐及涂装工程质量的控制等。
  通过对以上各阶段的钢结构质量的控制,我司有效地控制了影响本工程钢结构质量因素的发生,达到了预期的质量目标,也为竣工后评杯奠定了坚实的基础。
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