航海中央帆体施工组织设计沪宁钢结构制作加工.docx

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航海中央帆体施工组织设计沪宁钢结构制作加工

第一章综合说明

1.1工程概况

中国航海博物馆中央帆体钢结构座落在12.00米标高的砼结构上，顶点标高为+70.00米左右。

两个三角形风帆的底部两支座间相距70米，相交处离地高度约57米，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玻璃幕墙等3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。

钢结构总量约2000余吨。

本公司负责钢结构的制作和现场的预拼装。

1.2工程特点、难点

1.2.1本工程建筑外形犹如两片张开的风帆，建筑造型独特。

1.2.2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。

1.2.3本工程为双曲面、空间管桁架结构，分段节点多。

现场预拼装定位控制难、焊接变形大、拼装时相贯线二次切割量大等诸多特点。

1.3相关单位

建设单位：

上海港城开发（集团）有限公司

代甲方：

上海市建设工程管理有限公司

设计单位：

德国GMP国际有限公司、上海建筑设计研究院有限公司

监理单位：

上海上咨建设监理有限责任公司

总包单位：

上海建工（集团）总公司

钢结构主承包单位：

上海市机械施工有限公司

钢结构深化设计、制作：

江苏沪宁钢机股份有限公司

钢结构安装单位：

上海市机械施工有限公司

第二章制造方案

2.1概述

2.1.1本方案包括钢结构材料准备、构件制作和现场拼装。

2.1.2材料准备包括材料统计、材料检验和材料管理。

2.1.3构件制作包括施工设计、三铰拱、桁架、幕墙柱等构件的制作。

2.1.4现场拼装包括三铰拱、桁架的拼装。

从本工程结构看，大部分构件的外形尺寸比较大，且两向正交桁架均为平面桁架，考虑到运输方便性及避免运输过程中的变形，本工程钢结构加工制造分二个阶段进行，第一阶段为杆件的切割下料和弯管加工制造在工厂内完成，第二阶段为各构件在现场进行吊装分段的拼装及预拼装。

2.1.5本方案还包括焊接工艺、涂装方案及运输方案。

2.2编制依据及施工规范

2.2.1上海建筑设计研究院的本工程钢结构施工图

2.2.2本工程深化设计图

2.2.3施工规范及标准：

（1）《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001；

（2）《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-2002；

（3）《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）

（4）《优质碳素结构钢技术条件》（GB700-88）

（5）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

（6）《钢结构高强螺栓连接设计、施工及验收规程》（JGJ82-91）

（7）《气焊、手工电弧焊及气保护焊缝坡口的基本形式与尺寸》（GB985-88）

（8）《钢结构焊缝外形尺寸》（GB5777-96）

（9）《钢焊缝手工超声波探伤及分级标准》（GB11345-89）

（10）《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB8923-88）

（11）《焊工技术考试规程》（JG/T50822-96）

（12）《建筑防腐工程施工及验收规范》（GB50212-91）

（13）《建筑防腐蚀工程质量检验评定标准》（GB50224-95）

（14）《低合金钢焊条》（GB5118-85）

（15）《直缝电焊钢管》（GB13793）

（16）《网架结构设计及施工规程》（JGJ7）

（17）《网壳结构技术规程》（JGJ61）

（18）《钢网架检验及验收标准》（JG12）

（19）《网架结构工程质量检验评定标准》（JGJ78）

（20）国家及上海市颁布的安全操作规程及文明施工规定等；

（21）中国航海博物馆中央帆体结构工程施工质量验收标准；

（22）国家及上海市颁布的安全操作规程及文明施工规定等。

2.3材料

2.3.1钢材采购

（1）所有钢材除必须有生产钢厂的出厂质量证明书外，并应按GB50205-2001国家标准进行复验，做好复验记录。

（2）制作使用的钢板或型钢，在材质或规格方面，未经监理工程师批准，不得更换钢材型号，如有意外变化，对原设计需做任何改变时，应按有关程序进行变更设计，并征得业主及原设计单位的确认后，方可实施。

（3）钢材采购标准和化学成分、力学性能。

钢材采购标准

钢材牌号

标准名称

标准号

Q345B

低合金结构钢

GB/T1591-94

Q345C

低合金结构钢

GB/T1591-94

钢材化学成分

牌号及

质量等级

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Als

Ceq

Q345C

≤0.20

≤0.55

1.10~1.60

≯0.025

≯0.015

≥0.015

0.43

Q345B

≤0.18

≤0.55

1.20~1.60

≯0.020

≯0.015

≥0.015

0.43

碳当量可根据出厂证明书记载的化学成份含量或制造厂抽检得到的化学成份含量，用下式计算：

MnSiNiCrMoV

Ceq（%）=C++++++

624405414

钢材力学性能

牌号及

质量

等级

钢板

厚度

屈服强度

（MPa）

抗拉强度

（MPa）

伸长度

（%）

V型冲击力（纵向）

180℃弯曲试验钢材厚度（mm）

温度

（℃）

J

≤16

>16

Q345B

≤16

>16~35

>35~50

>50~100

345

325

315

305

470～630

≥21

+20

≥34

d=2a

d=3a

Q345C

≤16

>16~35

>35~50

>50~100

345

325

295

275

470～630

≥22

0

≥34

d=2a

d=3a

2.3.2铸钢件采购

（1）铸钢件化学成分，物理性能取样方法，数量及试验标准按《GB11352》中第5条进行。

（2）铸钢件需逐个经超声波和表面探伤检验合格。

铸件内部可以超声波探测部位，采用超声波探伤，按《GB7233-87》2级要求；所有铸件表面用磁粉或渗透做表面探伤，且应符合GB9444或GB9443的3级要求。

（3）铸钢件采购标准和化学成分、力学性能。

铸钢件采购标准

钢材牌号

标准名称

标准号

GS-20Mn5v

低合金结构钢

DIN17182

焊接结构用低合铸钢的化学成份

钢号

C

Si

Mn

P≤

S≤

Cr≤

Mo

Ni

其他

GS-20Mn5v

（调质）

0.17～0.23

≤0.60

1.00～1.50

0.020

0.015

0.30

≤0.15

≤0.40

—

焊接结构用低合铸钢的机械力学性能

钢号

厚度或直径（mm）

屈服强度

（KN/mm2）

极限强度

（KN/mm2）

抗拉、抗压和抗弯f（KN/mm2）

延伸率

（%）

冲击功

0℃（J）

GS-20Mn5v

（调质）

≤50

≥360

500～650

324

≥24

≥70

＞50≤100

≥300

500～650

270

≥24

≥50

＞100≤160

≥280

500～650

252

≥22

≥40

2.3.3焊接材料

（1）焊接材料应根据焊接工艺评定试验结果确定，应采用与母材相匹配的焊条、焊剂和焊丝，且符合相应的国家标准。

（2）焊接材料除进厂时必须有生产厂家的出厂质量证明外，并应按现行有关标准进行复验，做好复验检查记录。

（3）若采用其它新型焊接材料或进口焊接材料，应重新进行焊接工艺试验和评定，并经监理工程师批准后，方可投入使用。

（4）选定焊接材料应符合下表的规定。

焊接材料标准

名称

型号

标准

标准号

焊条

低合金钢

低合金钢焊条

GB/T5118-1995

焊丝

碳素钢、合金钢

熔化焊用钢丝

GB/T14957-1994

焊丝

低碳钢、低合金钢、合金钢

气体保护焊用钢丝

GB/T14958-1994

焊丝

碳钢

碳钢药芯焊丝

GB/T10045-2001

焊丝

碳钢、低合金钢

气体保护电弧焊用碳钢、

低合金钢焊丝

GB/T8110-1995

焊剂

碳钢

埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂

GB/T5293-1999

焊剂

低合金钢

低合金钢埋弧焊用焊剂

GB/T12470-1990

2.3.4涂装材料

（1）涂装材料应根据图纸要求选定，以确保预期的涂装效果，禁止使用过期产品、不合格产品和未经试验的替用产品。

（2）对试验件应进行专门的涂装工艺设计，试验件的不同涂层应选用同一厂家的产品，涂装材料进厂后，应按出厂的材料质量保证书验收，并做好复验检查记录备查。

（3）涂装材料进厂后，经专业质量检评单位（第三方）负责抽检合格后，承包人应进行试喷涂试验，试验结果符合相关技术要求时，报请监理工程师批准后，方可进行正式涂装。

（4）涂装材料应兼有耐候、防腐蚀、美化结构等多种功能，使用期应满足图纸要求年限，并报监理工程师会同业主、原设计单位研究批准后，方可实施。

2.4制造工艺流程

等待吊装

铸钢件制作

2.5技术准备工作

技术部认真研究业主提供的施工技术文件（设计施工图、设计规范、技术要求等资料），并邀请设计院对工厂进行设计技术交底，经技术部门消化理解后，编制《中央帆体钢结构制造工艺方案》、《中央帆体钢结构制造验收规则》、完成施工图转换、焊接工艺评定、工装设计和质量计划编制等技术准备工作。

技术准备主要包括以下内容，如下图所示：

技术准备

2.5.1施工图转换流程图

工厂制造用的施工图设计按对整体结构分解后的杆件和单元件分别进行绘制，并全部采用计算机完成，施工图设计主要包括以下内容：

节点拼装总图、节点拼装顺序图、杆件图、节点图及材料明细表等。

施工图设计程序如下：

增补检验批划分

施工图转换流程图

材料明细表

工艺设计流程图

现场拼装工艺

2.5.2焊接工艺评定

（1）焊接工艺评定之前应根据本工程焊接坡口形式提出相应的焊接工艺评定指导书，用来指导焊接工艺评定试验（已做过的焊接工艺评定试验，经工程监理确认后可免做或替代）。

焊接工艺评定试验经多次检验或试验评定合格后，由公司检测中心根据试验结果出具焊接工艺评定报告。

（2）焊接工作正式开始前，对工程中首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法、焊接接头形式、焊后热处理等必须进行焊接工艺评定试验，对于原有的焊接工艺评定试验报告与新做的焊接工艺评定试验报告，其试验标准、内容及其结果均应在得到工程监理认可后才进行正式焊接工作。

（3）焊接工艺评定试验的结果应作为焊接工艺编制的依据。

（4）焊接工艺评定应按国家规定的《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-2002及相关标准的规定进行。

（5）由于本工程主要采用Q345B、Q345C这种材质，这种材质为结构制作中的常用钢材，因此对于钢材的可焊性试验计划可以免做。

（6）对于焊接工艺评定，本公司将沿用以前已做的而且与本工程相关的工艺评定，并注明覆盖范围。

（7）依据设计图纸要求，本工程的焊接接头数量有以下几种：

A、对接焊缝Q345C：

12、16、20、22mm

Q345B：

12、16、20、22mm

B、T型角接Q345C：

25mm；Q345B：

25mm

（8）依据规范“GJG81-2002”厚度履盖要求，见下表

对接接头试板厚度（mm）

焊接方法

评定合格试件厚度（mm）

工程适用厚度范围

板厚最小值

板厚最大值

手工焊

埋弧焊

CO2焊

≤25

0.75t

2t

＞25

0.75t

1.5t

2.5.3管理、技术、检测人员及焊工培训

为达到优良的制造质量，使业主、设计满意，本公司决定，对参加中国航海博物馆中央帆体钢结构制造的管理人员、技术人员和焊工进行上岗前全员技术培训和质量意识教育、技术交底和应知应会教育，对于主要工种，如焊工、涂装工、组装工、划线工、检查工等进行特殊培训和考试，实行持证上岗制度。

其中，电焊工按焊接方法、焊接位置分别进行考试，合格者发给相应范围的合格证书，不得超越证书范围作业。

2.5.4工装设计

为保证钢结构生产制造的质量、提高制造精度、生产效率，尽量使构件进行标准化生产，宜设计制造或改制一系列工装，经对本工程的结构特点分析，拟采用以下工装进行试验件的制造，如下表所示。

工装设计一览表

类别

项目

适用部位

制管

钢管加工样板

钢管加工

钢管弯曲用成形压模

所有钢管的弯曲成形

钢板成型

钢板加工样板

钢板加工

钢板弯曲用成形压模

所有钢板的弯曲成形

组装焊接

钢管对接组装胎架

钢管小段节组装

组装胎架

主桁架组装

检测胎架

整体检测

2.5.5钢材预处理与钢板矫平

钢材预处理采用专用钢板预处理生产线对钢板进行除锈，喷车间底漆和烘干，保证钢材的除锈质量达到Sa2.5级。

钢板矫平采用钢板矫平机对钢板进行矫平，矫平的目的是消除钢板的残余变形和减少轧制内应力，从而可以减少制造过程中的变形。

2.6放样

2.6.1放样、切割、制作、验收所用的钢卷尺、经纬仪等测量工具必须经二级以上计量单位检验合格。

此外，主梁分段重要尺寸的测量应以一把经检验合格的钢卷尺为基准。

10米以内长度测量张紧力为5Kg拉力，大于10米长度测量张紧力为10Kg拉力。

2.6.2所有构件应按照钢结构详图设计图纸及制造工艺的要求，进行计算机的放样，核对所有构件的几何尺寸。

按工艺要求制作必要的角度、槽口，制作样板和胎架样板。

2.6.3对于拼焊结构，应根据具体工艺要求应加放焊接收缩余量和加工余量。

2.7号料

2.7.1号料时，针对本工程的使用材料特点，我们将复核所使用材料的规格，检查材料外观质量，制订测量表格加以记录。

凡发现材料规格不符合要求或材质外观不符要求者，及时报质管、技术部门处理；遇有材料弯曲或不平值超差影响号料质量者，须经矫正后号料，对于超标的材料退回生产厂家。

2.7.2根据锯、割等不同切割要求和对刨、铣加工的零件，预放不同的切割及加工余量和焊接收缩量。

2.7.3因原材料长度或宽度不足需焊接拼接时，必须在拼接件上注出相互拼接编号和焊接坡口形状。

如拼接件有眼孔，应待拼接件焊接、矫正后加工眼孔。

2.7.4下料完成，检查所下零件的规格、数量等是否有误，并进行炉批号跟踪。

2.7.5不得在钢板上遗留任何永久性的划线痕迹。

2.8切割下料

2.8.1根据工程结构要求，构件的切割应首先采用数控、等离子、自动或半自动气割，以保证切割精度。

2.8.2钢管、方管和钢板切割边按照要求打磨光洁。

2.8.3切割前必须检查核对材料规格、牌号是否符合图纸要求。

2.8.4切割时，必须看清断线符号，确定切割程序,减小切割变形。

2.8.5焊接坡口采用自动或半自动切割。

2.8.6零件切割下料的允许偏差

项目

允许切割偏差

件宽度和长度

±3.0

切割平面度

0.05t且不大于2.0

割纹深度

0.2

局部切口深度

1.0

2.8.7材料使用工艺流程

材料使用工艺流程图

制作、拼装

材料预处理

2.9放样与切割工艺流程

本工程切割最为重要的当属钢管的相贯线切割，为此本公司采用钢管数控切割机

进行本工程钢管的相贯线切割。

型钢数据专用机床切割

2.10钢管的弯制

2.10.1钢管弯制方法

本工程中两向正交桁架的弦杆及边缘桁架的弦杆按设计图纸均要求加工成弧形，钢管须进行弯管，鉴于本工程中钢管弯曲曲率半径较大，将采用油压机或液压弯管机冷弯成形；

（1）圆管的弯制

在弯曲钢管时，配备弯管机使用的各种规格尺寸的专用弯曲钢模，不但可在弯曲过程中严格控制弯曲半径和钢管壁厚减薄量，弯曲钢模还可最大限度地减少钢管弯曲时受力部位的变形。

对于所有弧形杆件，组装前须进行弯管加工。

考虑到弯管的曲率、管径，拟采用800吨油压机进行弯制或用液压弯管机进行弯管的加工方法。

（2）压模的制作：

首先根据每根弦管的曲率制作成型加工样板。

然后进行压模的制作，参见下图：

（3）弧线成型

弯管时首先在直管上作好弯曲点的开挡尺寸标记，开档尺寸一般在500mm左右，然后按以上弯曲点进行徐徐弯制，同时用加工成型样板边加工边检查，直至达到弯曲要求，加工过程中，钢管的回弹率将由实验确定，然后依此回弹率确定上图中的R值。

对于主桁架上下弦杆的弯曲，由于其弯曲半径大，在相当长的范围内近似于直线，所以可采用油压机直接进行压制，根据钢管的大小配置相应的上下压模，同液压弯管机弯管要求相同进行加工成型。

2.10.2钢管弯曲成型后的测量检查

钢管弯曲成型后必须进行弧形弯曲加工精度检测，其检测方法为：

利用弯曲成型台驾和圆弧样板进行检测，用元弧样板对弯曲半径进行检测，对超差处必须进行修正。

钢管弯曲检测内容

允许偏差

钢管表面不平度

≯2mm

钢管弯曲后端面椭圆度

≯3mm

钢管与检验样板间隙尺寸

≯2mm

第三章现场拼装及预拼装

3.1概述

本工程建筑外形犹如两片张开的风帆，建筑造型独特。

针对本工程的结构特点，主要构件均在现场进行整体拼装或连续匹配拼装，因此各构件的拼装及预拼装是同步进行的。

整个帆体为双曲面、空间管桁架结构，分段节点多，这就造成了现场预拼装胎架搭设难、构件定位控制难、焊接变形大、拼装时相贯线二次切割量大等诸多特点。

3.2主体钢结构现场拼装顺序及拼装内容

根据整个工程的钢构件的划分及吊装顺序，本工程现场拼装及预拼装共有以下几种构件：

第一:

三铰拱桁架的拼装。

第二:

边缘桁架及边缘箱梁的拼装。

第三：

平面桁架的拼装。

3.2主体钢结构分段划分要求

由于主体钢结构的拼装是在现场进行，因此制作分段即为吊装分段。

3.3主体钢结构现场拼装顺序及拼装内容

所有主体钢结构的现场拼装均采用在胎架上分段立体拼装的方法进行拼装及预拼装，以确保分段接口尺寸的正确。

现场拼装机具根据杆件的重量和分段重量，选择采用二台50吨汽车吊进行分段的拼装。

3.4主体钢结构现场拼装场地的布置

根据吊装的实际最佳位置和主体钢结构拼装的最大外形尺寸，进行现场拼装场地的合理布置，主要反映以下内容：

现场主要拼装平台的分布

现场拼装胎架及拼装用吊车通道的布置

材料堆场的布置及拼装设备的合理分布

临建设施的合理布置

具体详见施工总体部署中钢结构现场施工场地布置总平面图。

3.5三铰拱桁架现场拼装及预拼装方案

（1）现场拼装方法及拼装工艺流程

三铰拱桁架现场拼装采用整体拼装的方式进行，即在进行分段拼装的同时进行及预拼装。

同时考虑到三铰拱桁架自身的拱高比较高，为降低整个拼装胎架的高度，三铰拱桁架的整体拼装采用卧拼方式进行。

详见后页附图现场拼装步骤说明。

三铰拱桁架现场拼装及预拼装的流程如下：

三铰拱桁架拼装胎架制作—桁架分段拼装定位—校正—检验—对接焊缝焊接—UT检验—焊后校正—监理工程师检查—涂装—检验合格。

（2）三铰拱桁架现场拼装及预拼装胎架设置

三铰拱桁架现场拼装及预拼装胎架的设置应考虑桁架的几何线型要求，并考虑到实际胎架的设置高度，由于桁架整体线型在不断变化，所以胎架设置时应将桁架标高进行适当转换位置，以降低胎架高度便于实际操作，另外胎架设置时应充分考虑胎架的稳定性及强度，同时并设置高空走道脚手，具体胎架布置如后附图所示。

桁架拼装胎架的设置如后附图所示，胎架设置时应先根据坐标转化后的X、Y投影点铺设钢箱路基板，并相互连接形成一刚性平台（注：

地面必须先压平、压实），平台铺设后，进行放X、Y的投影线、放标高线、检验线及支点位置，形成田字形控制网，并提交验收，然后竖胎架直杆，根据支点处的标高设置胎架模板及斜撑。

胎架设置应与相应的屋盖设计、分段重量及高度进行全方位优化选择，另外胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需的高度，胎架搭设后不得有明显的晃动状，并经验收合格后方可使用。

为防止刚性平台沉降引起胎架变形，胎架旁应建立胎架沉降观察点。

在施工过程中结构重量全部荷载于路基板上时观察标高有无变化，如有变化应及时调整，待沉降稳定后方可进行焊接。

（3）三铰拱桁架现场拼装及预拼装细则工艺

三铰拱桁架分段整体拼装时，先吊上桁架上下弦杆，根据胎架底线及分段定位线进行定位，定位用小铁板与胎架进行焊接定位，然后吊上桁架腹杆，腹杆安装时从中间向两边进行安装，以便控制装配积累误差，另外腹杆安装时必须定对胎架地面中心线，不得强制进行装配，一般情况下相惯线接口不得任意进行切割修正，组装完成后，将不焊处用色笔划出。

三铰拱桁架焊接采用CO2气保焊，焊接采用双数焊工进行对称焊接，焊接从中部向两端进行，焊接时先焊下弦杆的对接焊缝，以便能保证桁架的拱度为正值，后焊上弦杆的对接焊缝，然后焊接下弦腹杆，最后焊接上下弦杆间的腹杆，三铰拱桁架在焊接过程中必须随时注意桁架的挠度和侧向变形，应随时进行测量，否则须调整焊接顺序。

三铰拱桁架拼装步骤一:

拼装胎架的设置

三铰拱桁架拼装步骤二:

上、下弦杆的装焊

三铰拱桁架拼装步骤三:

腹杆的装焊

三铰拱桁架拼装步骤四:

嵌补杆件的预拼装

三铰拱桁架拼装步骤五:

铸钢件的预拼装

（4）桁架组装完成后，经自检合格后，交付专职质检人员检查，再交监理验收。

验收合格后，才能焊接。

三铰拱桁架为便于运输及控制运输变形，应在两端断口处作好临时加强措施。

另外焊接过程中应注意对称施焊，焊接完成后，修补、打磨、火工校正，做好各分段接口处的对合标记，待用。

（5）焊接采用CO2气体保护焊进行多层多道焊，减少热敷入量，焊接时从桁架中部向两端施焊，防止焊接应力过大而引起分段拆开时变形过大。

（6）焊接结束后，修补、打磨、自检、专检，切割余量后提交监理，然后补漆，做好高空吊装前的一切准备工作。

（7）施工安全

班前、班后对机械、索具检查，每个操作人员对自己工作区域进行安全检查，如有隐患及时清除。

2米高空施工系上安全带，扣好安全扣，专职安全员进行巡回检查、督促，确保施工过程安全。

（8）三铰拱桁架地面拼装的测量验收

地面拼装的质量好坏将直接影响高空分段拼装的质量，测量工作的质量是钢屋盖高精度拼装的首要关键工作，测量验收应贯穿各工序的始末，对各工序的施工测量、跟踪检测全方位进行监测。

三铰拱桁架地面拼装的测量方法、测量内容如下表所示：

三铰拱桁架地面拼装控制尺寸表

序号

内容

项目

控制尺寸

检验方法

1

拼装单元总长

±30

全站仪、钢卷尺

2

对角线

±6

全站仪、钢卷尺

3

各节点标高

±10

激光经纬仪、钢卷尺

4

桁架弯曲

±5

激光经纬仪、钢卷尺

5

节点处杆件轴线错位

±5

线垂、钢尺

6

坡口间隙

±2

焊缝量规

7

单