浅谈空间曲面钢结构制作的质量控制

　　摘要：空间曲面状，造形飘异、结构复杂，钢构件形状不规则，在多个平面内弯曲，牛腿多且要在空间多维方向定位，制作难度大，需要从准备工作、原材料以及制作过程控制好工程质量。
　　关键词：空间曲面，钢结构，制作，质量控制
　　引言
　　广州亚运城综合体育馆钢结构工程，为空间曲面状，造形飘异、
　　结构复杂，钢构件形状不规则，在多个平面内弯曲，牛腿多且要在空
　　间多维方向定位，所以制作难度大，大部分构件都要制作胎架进行预
　　拼装。本工程单榀构件最大跨度为99.7m，重量为45吨，标高为
　　33.5m，主要由体操馆、综合馆和历史博物馆组成。其中体操馆的
　　钢构件主要有：钢管柱、格构柱、内环直柱、管桁架、方筒桁架、钢管飘带桁架以及钢管雨篷桁架等构件组成。综合馆的钢构件主要有：钢管柱、内环双曲箱型梁、外环管桁架以及屋面钢梁等构件组成；历史博物馆：钢管柱、核心筒剪力墙板、楼面桁架、屋面拱桁架及碗体构件等构件组成。体操馆、历史博物馆现场拼接口及连接节点均采用焊接连接，而综合馆屋面系统次梁与主梁连接采用高强螺栓连接，因屋面为双曲面状，因而对螺栓孔加工的精度要求也很高。本钢结构工程于2009年8月安装完成，我有幸参与了本钢结构工程的制作及安装施工建设，现就关于空间曲面钢结构的制作质量控制谈谈我的看法。
　　一、制作前的准备工作
　　1、执行质量保证体系。检查班组作业人员的资质证书，尤其是焊工和起重操作人员的操作证书，做到持证上岗。做好技术交底工作，包括主要生产设备的操作规程技术交底；投入本工程的机械设备以及测量器具应有检定机构出具的合格证。
　　2、做好焊接工艺评定，根据评定报告编制作业指导书，指导书的编写要操作性强，可用于指导施工作业。
　　3、审查构件制作进度计划和工艺方案。
　　4、检查质量、安全技术交底记录。
　　二、原材料的质量控制
　　1、钢材应选用大型钢厂的钢材，因为大型钢厂生产的钢材各元素含量相对稳定，有利于控制焊接质量及焊接变形量。
　　2、钢材进场后取样送检。按制定的钢结构工程检测方案要求，原材料进场后，先检查钢材的质量证明书，然后按要求对原材料取样，在待送检的样品上用油性笔写上钢材的材质、规格、见证人员的姓名以及取样日期。
　　3、高强度螺栓由有资质的检测机构进行抗滑移系数试验，并出具试验报告。
　　4、焊材的品种、规格、性能等符合现行国家产品标准要求和设计要求。检查数量：全数检查。检验方法:检查焊接材料的质量合格证明文件、中文标志及检验报告等。焊丝、焊条等焊材要抽样送检，检测合格才能使用。
　　5、防腐涂料、稀释剂和固化剂的品种、型号、颜色及有效期等与其质量证明文件相符，符合现行国家产品标准和设计要求。全数检查，检查产品的质量合格证明文件、中文标志及检验报告等。按规范要求进行抽样送检，结果合格才能使用。
　　原材料的抽样送检尤其要重视的是及时性，由于施工场地及流动资金的因素，绝大部分工程的材料进场都是在快要使用时才进场，而检测需要一定的周期，所以必须及时取样送检，待检测结果合格才可使用，以保证材料的质量。
　　三、制作过程的控制
　　加工过程中，我们对制作车间加强管理，对重要构件进行重点监控。重点检查钢构制作方法，机械设备工作是否正常，加工过程是否稳定。
　　1、钢构件制作的第一道工序是放样下料，目前大部分钢构制作下料是使用机械设备切割，准确性较高的机械设备一定程度上保证了下料的精度，如构件边缘宽度、长度，加工边直线度，加工面垂直度以及表面粗糙度等。建议钢板下料采用等离子火焰多嘴切割机，钢管下料采用等离子相贯线切割机。操作人员要细心，控制好尺寸，使误差值在允许偏差范围内。切割后要检查下料件是否有弯曲或其它变形，如有变形则要先进行矫正。下料后，下料件必须加工基准线或冲点标准，为拼装时留下依据。
　　2、钢构件、部件的组装成形。不规则的结构，构件形状复杂，很多时候需要搭设胎架，并根据设计软件的三维尺寸数据利用空中投影来定位，尤其是牛腿的定位精度，直接影响到现场安装的质量、进度。而胎架的架设是否平整稳固以及胎架的成形尺寸直接影响到构件的成形尺寸，因此我们要对搭设的胎架进行复核，复核尺寸的偏差越小，构件的精度越高，能够控制在1mm以内最好。但对于圆管环桁架的牛腿定位，往往胎架离开地面较高，且圆管不易找中心，因而在组装后难以准确复核牛腿的定位尺寸，因而我们可将复核的偏差范围适当放大，而主要控制钢构件组装成形的偏差。对钢构件、部件的外形尺寸用钢尺复核，要求允许偏差符合规范及设计要求。
　　外环桁架钢管相贯线切割管桁架格构柱
　　3、对于采用高强螺栓连接的连接件，孔加工的精度影响到现场安装的质量及进度，所以需要严格控制好。我们可以使用钢尺检测孔径尺寸以及孔距的尺寸，并用全站仪对构件的螺栓孔位置定位以及复核。高强度螺栓的孔径偏差及孔距偏差都按相关允许偏差要求进行验收。
　　4、焊接工程是钢结构施工的一道关键工序，对于结构复杂，尤其是双向曲面的工程，焊接变形难以控制；而箱型截面小，施焊空间小,使焊接人员难以操作；钢管内部加强板多，焊接量大，管长不透气，一施焊里面全是烟，难以作业等都会给焊接带来许多难题，焊接质量的控制也比较困难。对于焊接梁可使用埋弧焊，而组装后的焊接使用CO2气体保护焊可保证焊接质量并加快进度。
　　⑴埋弧焊。埋弧焊可用于钢板组立成梁的施焊中，适用于结构简单，对工艺要求不高的焊接，主要要控制好埋弧焊机焊接参数，比如焊接电流、焊接电压、焊接速度等，同时还要注意焊丝直径、焊丝倾斜角度、焊丝数目和排列方式，焊剂粒度和堆放高度等。在实际生产中根椐工艺参数对焊缝成形和质量影响，结合施工生产各方面的实际情况，通过焊接工艺评定试验仔细选择焊丝直径、电流、电压、焊接速度、焊接层数等参数，即可保证焊缝的质量。在此施工阶段，容易出现的质量问题主要是产生大量气孔以及部分焊缝咬边现象，只要操作人员能严格按照工艺参数焊接即可解决。
　　⑵CO2气体保护焊。对于复杂的多空间曲面构件，其焊接的质量不仅与其自身的工艺参数有关，构件的拼装顺序也直接影响到焊接的质量。在拼装焊接工艺方面，拼装工序不合理容易导致一些位置难施焊甚至无法施焊的现象。
　　⑶管结构焊接。我们要严格控制焊前清理，组对、校正复验，预留焊接收缩量，定位焊，焊前防护，焊前清理，焊前预热，焊接、焊后处理与无损检测等工序，保证焊接质量。钢管的对接焊缝多采用坡口形状全熔透对接焊。两对接管的间隙一般为2㎜-5㎜，坡口一般在50o左右。针对斜腹杆与上下弦相贯，由于用于桁架的钢管厚度都较薄，只要焊工能按工艺要求进行施工，管桁架中的焊缝一般都能达到规范及设计的熔透要求。
　　⑷箱形结构的焊接。应先把翼板、腹板分别矫直、矫平，将腹板打好坡口。装配时将翼板放在平台上，划出腹板和肋板的位置线，并打上样冲眼。用90o角尺检验垂直度后定位焊，同时在肋板上部焊上临时支撑角钢、固定肋板之间的距离，再装配两腹板，使它紧贴肋板立于翼板上，并与翼板保持垂直。装配完两腹板后，由焊工按正确的焊接顺序先进行箱形梁内部焊缝的焊接，并经焊后矫正，再装配、焊接盖板。
　　⑸厚板的焊接。厚板在轧制过程中，由于板厚较大，钢材微观结构中的晶格不能均匀细化，局部的气孔和夹杂等缺陷较难消除，因此厚板的问题多集中在于防止钢板厚度方向的层状撕裂上。厚板施焊前，要进行预热，预热温度在规范要求内，多层焊应连续施焊，每一层焊道焊完后及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质量的缺陷，先清除再焊。在连续焊接过程中要检测焊接区母材的温度，保证层间最低温度与预热温度保持一致。对于施焊中断时，我们要采取适当的后热保温措施，再焊接时重新预热，达到预热温度。
　　⑹铸钢件的焊接。铸钢件的焊接，由于铸钢件含碳量高，冷裂纹性强，因而在铸钢件与合金材质的钢管对接焊接中，容易出现裂纹。广州亚运城综合体育馆工程主要在体操馆内环管桁架、内环斜钢柱、外环三节柱、体操馆左上角飘带钢柱以及历史馆碗体网壳等部位使用了铸钢件节点。我们严格按工艺要求施工，做到焊前铸钢件预热至200Co左右，焊后用保温棉包裹保温。考虑到裂纹的强渗透性，我们都是在完成焊接四天后进行无损探伤检测，并抽检了一部分铸钢件做磁粉检测。在无损探伤检测及磁粉检测中，均为合格，达到了一次检测全部合格。
　　5、构件的矫正。焊接H型钢的矫正采用机械设备-矫正机进行矫正的。而管构件及桁架的矫正，采用加热矫正，加热温度达到规范范围内后自然冷却，以释放焊接应力。
　　6、除锈、涂装及编号。目前普遍使用的是机械抛丸除锈。抛丸除锈后的钢构件表面粗糙度比较均匀。对于大型钢构件使用人工喷砂除锈，容易出现局部漏喷且灰尘大，需要做好除尘措施。对于高强度螺栓连接接触面及现场拼接焊缝位置，在抛丸除锈后，涂装底漆前用胶带纸包裹好，待安装完后补涂。
　　底漆、中间漆应在室温下贮存于通风良好的仓库内，并对底漆、中间漆的名称、型号、颜色等进行检查，有厂家的出厂质量合格证明书，并符合设计要求。涂装作业应注意天气及作业区的空气湿度，一般在抛丸除锈后2小时内涂装底漆；涂层与涂层之间的间隔时间，一般在4小时以上。涂装均匀，厚度达到设计要求。
　　构件编号用油漆喷涂在构件明显部位，重大构件应标明重量、重心位置和定位标记；采取有效措施防止构件运输中变形。
　　四、结语
　　钢结构工艺的管理水平对整个钢结构制作质量起着决定性的作用，工艺控制不到位，将严重影响后续焊接的质量。因而在拼装过程中，严格检查管理部门对车间的工艺交底文件，看制作工艺是否有针对性和可操作性。工艺交底文件要越简练越好，长篇大论对焊工没有指导作用。空间曲面钢结构工程难点在牛腿的定位，由于结构复杂，牛腿需要在空间立体内定位，定位困难大，且组焊后定位尺寸不好复测，因而要求车间在组焊前要复核牛腿定位尺寸，并记录下数据，焊后用测量仪器复测牛腿的定位尺寸。

《浅谈空间曲面钢结构制作的质量控制》

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