摘要：江蘇省園藝博覽會未來花園植物園采用不銹鋼作為主體結(jié)構(gòu)，上覆蓋透明的亞克力板，并有照明、水景等。42個傘柱狀結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成其主體不銹鋼結(jié)構(gòu)，每個傘狀結(jié)構(gòu)單元為外切圓直徑21米的正12邊形，傘單元總覆蓋面積約15000平方米，表面4K鏡面。不銹鋼作為大型建筑結(jié)構(gòu)材料使用屬于國內(nèi)首例，本篇文章總結(jié)了不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)施工的關鍵技術，供后續(xù)類似不銹鋼結(jié)構(gòu)項目施工參考。
關鍵詞：異形鋼結(jié)構(gòu)、傘狀結(jié)構(gòu)，不銹鋼結(jié)構(gòu)，4K鏡面。
公司是一家集精密機械零部件加工，北京不銹鋼零件加工,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標設備設計制造以及沖壓模具、注塑模具、橡膠模具加工的專業(yè)廠家，是中國模具協(xié)會會員企業(yè)。
圖1 傘狀樹平面圖
圖2 傘狀樹立面圖
1.工程概況
未來花園植物園主體結(jié)構(gòu)采用S31603不銹鋼材料，整體結(jié)構(gòu)形式為傘殼結(jié)構(gòu)，共有42把傘連成一體，不銹鋼結(jié)構(gòu)表面4K鏡面，造型視覺富有沖擊力，國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)均無類似案例。傘狀結(jié)構(gòu)中不銹鋼桿件形式有矩管、橢圓管、異形漸變橢圓管。結(jié)構(gòu)形式獨特、新穎，國內(nèi)無類似結(jié)構(gòu)標準和案例供參考。鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新型構(gòu)件和節(jié)點等應用。
圖3 傘狀樹效果圖
2.項目特點、難點
1）本項目采用的S31603不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，具有熱導率低、線膨脹系數(shù)大、無磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)大約只是低碳鋼的一半，而線膨脹系數(shù)很大，焊接后接頭部位會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應力，表現(xiàn)為容易出現(xiàn)焊接裂紋和焊接局部收縮。
2）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)群橫向長度348米，***終效果要求是整體不留溫度收縮縫，整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應力顯著，施工中的溫度應力是施工分析模擬的重點研究對象。要求施工過程中假設的初始溫度情況下傘狀結(jié)構(gòu)之間的施工應力***小。需要分析考慮設置合理的施工過程中的溫度收縮縫，預留的溫度收縮縫需要在合理的溫度情況下進行合攏。
3）不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接收縮變形量大，需要通過分析計算進行安裝焊接順序模擬，計算分析出***合理的桿件安裝焊接順序，實現(xiàn)焊接施工過程中產(chǎn)生的桿件內(nèi)部應力不大于設計的使用要求，同時又能有效控制桿件的焊接變形量。
4）本項目位于廢棄的礦坑中，地況復雜，礦坑地勢高低起伏，需要充分合理的考慮施工機械設備及路線選擇。
5）因不銹鋼結(jié)構(gòu)上部為覆水屋面，需要保證覆水屋面的平面度，對結(jié)構(gòu)整體精度要求就非常高，不但要重視其空間******位置精度，更需******控制各施工環(huán)節(jié)中桿件安裝的相對精度，以保證后續(xù)安裝定位的準確性。
6）項目采用滿堂的格構(gòu)柱和腳手架，造成視野不通透，在礦坑內(nèi)無法實施測量，需要將全站儀架設在輔助高架或者礦坑邊緣位置，并需要高空架設儀器和棱鏡，安裝測量難度大。
7）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)既做為結(jié)構(gòu)件又做為裝飾件的項目。加工工藝復雜，加工精度及表面效果要求高。不銹鋼構(gòu)件加工涉及到圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截面厚方管折彎、激光切割、拼焊、4K拋光等多個復雜的加工工藝。構(gòu)件的加工精度會直接影響傘狀樹的拼裝精度和外觀效果，甚至影響42棵樹整體體系結(jié)構(gòu)安全。
8）對焊縫焊接質(zhì)量驗收標準要求高，大量的現(xiàn)場焊縫要求為一、二級焊縫。焊接焊縫要求打磨、拋光后幾乎看不出來有焊縫的痕跡。
3.施工關鍵技術和工序
3.1施工模擬與試驗
1）施工模擬包括了施工現(xiàn)場地況、路網(wǎng)、主體鋼結(jié)構(gòu)、施工器械的BIM動態(tài)施工模擬，以及施工過程中主體鋼結(jié)構(gòu)施工應力的仿真分析模擬。做到合理高效的制定人員、機械投入計劃，并有效控制施工過程安全質(zhì)量，確定施工過程監(jiān)測測點及監(jiān)測內(nèi)容。
圖4 BIM施工模擬
a 單顆傘狀結(jié)構(gòu)桿件安裝有限元仿真計算分析
b 整體傘狀結(jié)構(gòu)有限元仿真計算分析
圖5 有限元仿真計算分析
2）鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新形構(gòu)件和節(jié)點應用時，采用設計分析與試驗驗證方式是國內(nèi)工程中通行方式，也是后續(xù)各種審查和專家論證時的必要技術條件。試驗***終目的是和設計分析、相關規(guī)范共同構(gòu)成完整設計，達到結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟、施工可行方便，同時也要滿足建筑效果?；谝陨显虿讳P鋼結(jié)構(gòu)需要做相應的試驗。
不銹鋼結(jié)構(gòu)承載力試驗共分為三部分：
（a）1：3 整體承載力試驗；
（b）1：1 局部節(jié)點承載力試驗；
（c）變截面異形橢圓交叉管承載力試驗。
圖6 試驗驗證
3.2專家論證
項目屬于國內(nèi)不銹鋼材料在建筑鋼結(jié)構(gòu)領域的首次使用，無類似施工案例參考，施工方法具有一定的特殊性，因此組織相關專業(yè)技術人員制定專項施工方案，并對施工方案進行專家論證。
《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》 CECS 410:2015，針對不銹鋼施工驗收所規(guī)定的內(nèi)容并不詳盡，因此專門編制了《未來花園不銹鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》，并進行了專家論證。
圖7 專家論證
3.3下料加工
傘狀樹因其特殊的外觀要求，所有結(jié)構(gòu)均沒有現(xiàn)成的型材可供使用，所有型材均有不銹鋼鋼板加工而成，主要為板變圓、圓變方、圓邊橢圓等，其主要工序如下圖：
圖8 型材加工
不銹鋼型材加工完成后開始結(jié)構(gòu)加工，主要包括：下料、拼裝、焊接、矯正、打磨拋光等工序。用******的設備依據(jù)三維模型數(shù)控下料加工避免人工放樣，按照工藝參數(shù)嚴格控制焊接、打磨工藝，開發(fā)構(gòu)件定位、定形尺寸的模具把復雜異形的構(gòu)件標準化裝配。
圖9 構(gòu)件加工定位工裝
3.5現(xiàn)場安裝
現(xiàn)場安裝焊接順序：樹柱→主肋ZL→外環(huán)桿件WH→次肋CL→外環(huán)交叉桿WX→中環(huán)交叉桿ZX→ 內(nèi)部斜桿NX。
圖10 不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)安裝步驟
3.6支撐塔架及腳手架安裝
支撐塔架主要為不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)安裝時，結(jié)構(gòu)未形成完整的受力體系，根據(jù)midas軟件施工模擬分析計算施工過程中***易變形、***薄弱的點位，布置相應的支撐塔架，為傘狀結(jié)構(gòu)安裝的桿件提供一個穩(wěn)定的支撐，同時因為傘狀結(jié)構(gòu)形狀復雜，采用盤扣式腳手架搭設時靈活性更大些，更能結(jié)合結(jié)構(gòu)特性作出適應性的變化。
圖11支撐塔架及腳手架搭設立面圖
3.7測量
測量控制網(wǎng)應遵循先整體、后局部，高精度控制低精度的原則建立。測量控制網(wǎng)的基準點要選在通視條件良好、安全、易保護的地方。相應等級基準點的埋設要不能低于《工程測量規(guī)范》的要求。測量控制網(wǎng)建立后要做好測量控制網(wǎng)協(xié)同維護工作。
本工程平面控制網(wǎng)分二級布設，******級四邊形邊角網(wǎng)作為整體控制，第二級主軸線控制網(wǎng)直接用于施工放樣。
由于兩個基準點都位于礦坑頂部的路面上，在礦坑中進行測量時，可采用后方交會法。方便傘狀樹測量，對建站位置基本無要求，能夠自由建站；對建站地面無要求，不需要進行設站點的硬化與固定?？赏瑫r多個全站儀進行建站測量，同時開展工作，加快測量進度。
圖12 礦坑基準點位布置
3.9不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接
傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接主要采用GTAW+GMAW結(jié)合的方式進行。異形構(gòu)件無法在焊縫根部設置襯墊，通過GTAW打底，有效確保焊縫根部成型質(zhì)量；采用GMAW焊接中間層，提高焊接成型效率；采用GTAW蓋面，控制焊縫余高及表面成型質(zhì)量，減少后續(xù)打磨拋光工作量。
圖13 結(jié)構(gòu)焊接及檢測
3.10表面打磨拋光
打磨拋光工藝流程：表面檢查→（焊縫及兩側(cè)）粗磨→半精磨→精磨→拋光→擦亮。
打磨拋光質(zhì)量控制：
1）材質(zhì)表面不允許有雜質(zhì)點、沙孔；
2）后道工序須消除前道工序打磨痕跡；
3）制定成品保護方案，避免產(chǎn)品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、碰傷、擦花。
圖14 表面打磨拋光
3.11健康監(jiān)測
本項目的傘柱狀結(jié)構(gòu)采用不銹鋼作為主材，且結(jié)構(gòu)造型新型，不僅作為植物園罩棚的支承結(jié)構(gòu)，還承載自重和亞克力板上部水荷載，施工過程的安裝方案也較為復雜。傘柱狀結(jié)構(gòu)空間定位難度大，施工過程復雜，結(jié)構(gòu)施工過程中的主要受力構(gòu)件與一些關鍵部位的內(nèi)力、位移等參數(shù)的變化情況以及結(jié)構(gòu)卸載期間的受力狀態(tài)是否與初始設計相符，是否仍處于容許范圍以內(nèi)，成為一個不可忽視的問題。這就要求本工程在施工階段對鋼結(jié)構(gòu)關鍵構(gòu)件的應力應變、結(jié)構(gòu)位移進行監(jiān)測。
圖15 施工過程中監(jiān)測布置及監(jiān)測結(jié)果曲線
4.注意事項
1）不銹鋼結(jié)構(gòu)桿件的加工、安裝精度應符合設計、規(guī)范要求，構(gòu)件出廠前應進行構(gòu)件的預拼裝，運輸過程中要對桿件做好成品保護。
2）不銹鋼焊接收縮變形量大，焊接工人應嚴格按照焊接工藝評定中規(guī)定的參數(shù)施焊，嚴格控制焊接電流、電壓和焊接速度。焊工需經(jīng)考試合格后持證上崗。
3）不銹鋼桿件在出廠前應進行打磨、拋光處理，以減少現(xiàn)場打磨拋光的工作量，現(xiàn)場安裝、焊接完成后需要對所有構(gòu)件進行二次打磨拋光，以避免不同時期打磨拋光造成的表面明顯色差。
4）溫度收縮縫處理應嚴格控制在25±2度的情況下閉合施焊，旁邊放置測溫計進行溫度監(jiān)測。若一天中25±2度的時段內(nèi)未完成閉合施焊，應停止施焊，待第二天繼續(xù)在25±2度的時段完成施焊。
5.結(jié)語
傘狀樹不銹鋼結(jié)構(gòu)施工過程中通過BIM模擬施工工況進行組織施工；通過midas軟件進行全過程的施工仿真分析計算；對結(jié)構(gòu)的關鍵控制部位進行施工過程的健康檢測；梳理了質(zhì)量控制關鍵點，并在施工過程中進行重點把控，傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度、焊接質(zhì)量、表觀效果得到良好的控制。并編制形成了不銹鋼結(jié)構(gòu)施工的驗收標準和不銹鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷標準。為不銹鋼作為主受力結(jié)構(gòu)在建筑工程中的推廣應用奠定相關技術基礎。
作者簡介
1、 王兆東、員浩陽、賈連軍，南京筑新建筑工程有限公司
2、 羅仁軼，中國建筑第八工程局有限公司總承包公司
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