钢结构间隙超差处理预案

【国家体育场工程】 【钢结构安装组对间隙、错口偏差处理措施预案】目 录1、主要依据12、错口、间隙偏差情况及分析12.1截止到春节前12.2 截止到06年5月15日前22.3 原因分析33、错口及焊缝间隙偏差处理方法63.1 错口偏差处理方法63.2 间隙偏差处理方法及焊接工艺评定验证试验74、偏差处理工艺要求104.1 换板件或后装段方法104.2 千斤顶、火工矫正方法104.3 堆焊焊接工艺115、技术质量保证措施13附件一：宽间隙焊缝焊接试验方案附件二：宽间隙焊缝焊接试验检测报告1、主要依据1）钢结构施工图及相关技术要求2）国家体育场钢结构安装施工组织设计3）国家体育场主结构、立面次结构、顶面及肩部次结构安装方案4）国家体育场钢结构工程中期评估报告5）国家体育场钢结构施工质量验收标准（QB/GJJT-GTCG-2005）6）建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81-2002)2、错口、间隙偏差情况及分析2.1截止到春节前截止到春节（2006年1月29日）前，国家体育场钢结构工程施工主要进行柱脚、桁架柱的拼装和安装，以及个别立面次结构杆件。由于柱脚和桁架柱基本进行了整体预拼装，因此总体的施工质量较好。已完成的构件拼装和安装的对口错边、焊缝间隙均进行全面的检查，形成了全面的自检资料，通过检查表明拼装和安装的质量控制情况较好，绝大多数能够满足设计和规范要求。下面为具体的质量检查情况统计：2.1.1 错口偏差总测量接口总数为1032个，满足板厚t/10及不超过3mm要求的接口为1027个，占总数的99.5%；超过要求的接口为5个，占总数0.5%，最大偏差量5mm。其中：错边量4mm以上的，主要集中在主结构板厚（50mm以上）较大的现场对接接口位置，少量分布在桁架柱牛腿与腹杆对接接口位置。2.1.2 间隙偏差总测量接口总数为1032个，满足焊缝间隙允许偏差接口为882个，占总数的85.5%；超过允许偏差值但间隙量在20mm以下的接口数为146个，占总数的14.1%；间隙量在20mm以上的接口数为4个，占总数的0.4%。其中，最大间隙量29mm。焊缝间隙20mm以上的，主要集中在桁架柱牛腿和腹杆的对接口位置、以及外柱间立面次结构与牛腿的对接口位置。2.2 截止到06年5月15日前春节过后，国家体育场钢结构施工主要集中在立面次结构、大楼梯和顶面主桁架的拼装和安装。通过对已经安装就位的吊装构件的组对间隙和间隙的全面检查和统计，安装的总体质量控制较好。但由于现场场地等条件的限制，主桁架不能进行整体预拼装，使得高空安装的质量控制难度增加。目前已有少量构件就位后，发现部分接口的间隙和错边量较大，超出了验收规范和设计要求，这些接口目前没有焊接，正待处理。截至2006年5月15日，现场安装的错口和间隙统计数据如下：2.2.1 主桁架偏差1）、主桁架错口偏差总测量接口数为269个，满足板厚t/10及不超过3mm要求的接口数254个，占总数94.5%；超过规范要求的接口数15个（未焊接），占总数5.5%。其中，最大偏差量8mm。2）、主桁架间隙偏差总测量接口数为269个，满足验收标准要求的接口为223个，占总数82.8%；超出允许偏差但不超过20mm的接口为40个，占总数的14.9%；超过20mm的接口为6个（未焊接），占总数2.3%。其中，最大偏差量35mm。不合格接口（未焊接）共17个，占总接口数的6.3%。其中，间隙和错边同时存在的接口为4个，仅存在间隙的接口为2个，仅存在错边的接口为11个。不合格接口中，因详图原因8个，施工原因9个。2.2.2立面次结构偏差1）、立面次结构错口偏差 总测量接口数352个，满足板厚t/10及不超过3mm要求的接口为350个，占总数的99.4%；超过规范要求的接口数2个，占总数0.6%。其中，一个接口错边为45mm，另一个接口错边为8mm,，均按照工程洽商要求处理完毕并验收合格。2）、立面次结构间隙偏差总测量数量为352个，满足验收标准要求的接口数340个，占总数的96.6%；超出允许偏差但不超过20mm要求的接口数为7，占总数的1.9%；超过20mm接口数5个（未焊接），占总数1.5%。其中，最大偏差量33mm。不合格接口共6个（4个未焊接），占总接口数的1.7%。其中，间隙和错边同时存在的接口为1个，仅存在间隙的接口为4个，仅存在错边的接口为1个。不合格接口中，因详图原因4个，施工原因2个。2.2.3 大楼梯偏差1）、大楼梯错口偏差总测量接口数为146个，满足板厚t/10及不超过3mm要求的接口143个，占总数的97.9%；超过要求的接口3个，占总数2.1%。其中，两个接口未焊接，一个接口按处理方案要求处理完毕并验收合格。2）、大楼梯间隙偏差总测量接口数146个，满足验收标准要求的接口142，占总数的97.2%；超出允许偏差但不超过20mm的接口4个，占总数的2.8%。不合格接口（未焊接）共2个，均由于错口超标造成，占总接口数的1.4%，均为施工原因。2.3 原因分析国家体育场钢结构工程现场安装错口、间隙超限现象，主要有以下几点原因：1）、国家体育场钢结构的特殊造型，构件相互交织无规律，构件形式和节点复杂；而且，设计时所依据的钢结构设计规范主要适用于一般的工业与民用建筑，其对国家体育场钢结构这种的大跨度异型工程的特殊情况不能全面涵盖，因此，对可能出现的现场安装偏差等难题，没有设计适当的调整措施。2）、钢结构构件由于体积庞大、吨位重，加工厂不能对每个吊装单元进行试拼装，而现场拼装由于工期紧、场地狭小限制不能进行现场试拼装；而且，为了保证工期要求和克服场地限制，主桁架两个相邻吊装单元一般都是场外拼装一个、场内拼装一个，导致现场拼装误差比较大。3）、国家体育场钢结构施工质量验收标准的编制是以钢结构施工质量验收标准（GB50205-2001）为基础和依据，而钢结构施工质量验收标准（GB50205-2001）关于各种允许偏差的规定均是基于一般工业与民用建筑钢结构工程制定的，而国家体育场钢结构工程结构复杂、构件异型、且存在大量的立体拼接装，必然会出现测量误差较大、制作与安装误差超出标准允许偏差机率较高、制作及现场拼装与高空安装允许偏差不交圈较为突出等现象。比如，主桁架地面拼装上下弦两端轴线高度允许偏差为5mm，长度允许偏差+5-10mm，那么在高空安装组拼就可能分别产生10mm错口和36（28+210）mm的焊缝间隙。再如，按照国家体育场钢结构施工质量验收标准规定，当牛腿长度小于等于1m时，允许翘曲2 mm；当牛腿长度大于1m时，允许翘曲3 mm。现场安装时，错边允许偏差为t/10，且不大于3 mm。按照上述规定，如果牛腿的翘曲和错边在同一方向，则其偏差可达4 mm以上。对于这种不交圈现象，只有通过现场地面组配装才能有效解决；而现场狭窄，不具备大体积组配装的条件，因此不可避免出现地面拼装验收合格、高空安装时偏差超标的情况。4）、相邻吊装单元构件从开始加工到现场吊装，时间跨度特别大，短的两个月、长的半年之多；如此大的地域跨度和时间跨度，导致构件几何尺寸受温度影响特别大。5）、由于工期紧迫的影响，构件安装的测量成果反馈到加工厂不能得充分的体现，导致构件制作、安装误差累积严重。比如，一个吊装单元吊装完成后其测量成果反馈到加工厂，往往其相邻吊装单元已经拼装完毕。鉴于上述原因，高空安装接口出现个别错口及间隙超差的现象是很难避免的。另外，由于顶面次结构和肩部次结构是主结构卸载完成后安装，而设计院由于受现有条件的限制，不能给出卸载变形后次结构的几何尺寸，导致顶面次结构及肩部次结构构件只能按照卸载前的几何尺寸进行加工，将来可能会存在大量的构件接口出现超差现象。因此，为了保证国家体育场钢结构工程的顺利进行，制定国家体育场钢结构工程错边及焊缝间隙处理预案，并通过试验研究确定合理的、切合实际情况的允许焊缝间隙是十分必要的，也是十分有意义的。53、错口及焊缝间隙偏差处理方法3.1 错口偏差处理方法考虑到既能满足设计建筑、结构的高标准、严要求，又便于工程实际操作，对于错边偏差的处理采取分类处理，对于不同类别采取不同的处理方法。3.1.1千斤顶或火工矫正方法对于如图3-1和图3-2所示中错口位置距离构件节点较远，可调节的自由段比较长的构件，在自由段范围内可调的，采用千斤顶或火工矫正方法，以满足国家体育场钢结构施工质量验收标准关于错口偏差的要求，同时满足设计有关建筑外形平缓过渡的要求。 (a) (b)图3-1 立面次结构典型节点图 (a) (b)图3.2顶面次结构典型节点3.1.2 洽商变更换板件或后装段的方法对于如图3-1和图3-2中受到安装接口和节点限制，错口位置距离构件节点较近，可调的自由段长度较小构件，在千斤顶及火工矫正方法无法满足要求时，采取换板件或后装段的处理方法保证满足验收标准和设计建筑外形的要求。换板或后装段的具体做法应针对不同错口的具体情况作具体的洽商变更处理。3.2 间隙偏差处理方法及焊接工艺评定验证试验根据目前安装施工间隙超差的实际情况，对于焊缝间隙的处理方法，按主结构和次结构区别对待。3.2.1 主结构考虑到主结构板厚较次结构板厚大（集中在20-40mm），同时考虑到验收标准中拼装和安装偏差规定的不交圈情况，结合建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81-2002）关于焊缝间隙小于2倍板厚的要求，规定：1）、间隙在35mm以内（小于1.75板厚）的焊缝，可以用焊缝堆焊的方式减小焊缝间隙。2）、间隙大于35mm，采用换板件或后装段的方式进行具体的洽商变更处理。3.2.2 次结构考虑到次结构板厚较薄（集中在10-20mm），同样考虑到验收标准中拼装和安装偏差，结合建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81-2002）关于焊缝间隙小于2倍板厚的要求，规定：1）、间隙在30mm以内（小于3倍板厚）的焊缝，可以采用堆焊方式减小焊缝间隙。2）、间隙大于30mm，采用换板件或后装段的方式进行具体的洽商变更处理。3.2.3 验证试验为了验证上述宽焊缝间隙条件下焊缝综合力学指标，进行相关的堆焊工艺试验、宽间隙焊缝焊接工艺评定试验以及焊接变形试验，主要试验项目如下：1）、堆焊工艺及宽间隙焊缝焊接工艺评定试验根据顶面桁架和立面次结构的材质情况、板厚分布、焊接方法以及焊接位置情况，选用以下几种代表性的项目进行堆焊工艺及相应焊接工艺评定试验。序号材质板厚（mm）间隙b（mm）焊接方法焊接位置检测项目试验数量1Q345C1430GMAW H、V/SMAW H、V、O力学性能和变形检测5组2Q345D2035GMAW H、V/SMAW H、V、O力学性能和变形检测5组3Q345GJD40*35GMAW H、V/SMAW H、V、O力学性能和变形检测5组共 计15组*：其中有1组手工电弧焊仰焊试件板厚为42mm。2）、正常焊缝间隙与宽间隙焊缝变形试验项目对焊接工艺评定试验试板进行焊接变形测量，同时对Q345C材质14mm板厚、Q345GJD材质40mm板厚，与焊接工艺评定同样大小的试板、同样的焊接拘束条件，进行正常焊缝间隙（8mm）分别与30mm、35mm焊缝间隙焊后试板变形测试，对比正常焊缝间隙和宽间隙焊缝焊接的相对变形。验证试验的具体项目和检测具体内容详见附件一：宽间隙焊缝焊接试验方案。试验结果表明：1）、本试验进行的正常间隙和宽间隙焊缝焊接试板的焊接变形相比相差不大，说明宽间隙焊缝对焊接变形影响很小，相应的对焊接应力影响也应很小；2）、所进行的15组焊接工艺评定试验结果全部合格，说明宽间隙焊缝焊接接头的力学性能能满足规范和设计要求；3）、按照本试验中采取的堆焊工艺“在焊缝一侧堆焊以减小焊缝间隙到正常间隙后，再进行正式焊接”，是可以保证焊缝接头的力学性能的，堆焊工艺是可行的。详细的试验结果见附件二：宽间隙焊缝焊接试验检测报告（含：焊接工艺评定报告、焊接变形测量报告）194、偏差处理工艺要求4.1 换板件或后装段方法当需要采取换板件或后装段方法进行处理时，换板件或后装段的尺寸应考虑到现场的操作空间要求，同时应满足国家体育场钢结构施工质量验收标准关于最小拼接长度200mm的要求以及设计有关建筑外形平缓过渡的要求。具体情况采取“一事一议”的方式进行洽商变更，实际处理时严格按照洽商要求以及相关标准、规程进行操作。4.2 千斤顶、火工矫正方法采取千斤顶及火工矫正方法对错边进行矫正，对于矫正量较小时，考虑到构件端口一端留有300mm长组对焊缝未焊，可直接用千斤顶校正，千斤顶施力点的位置尽量远离焊缝接口，同时千斤顶施加的矫正力不应过大，避免过大的矫正力产生构件局部变形；对于矫正量较大时，可以采取千斤顶和火工矫正同时进行。火工矫正时，要严格控制火焰温度，火焰温度应控制在600800，不得对母材材质产生损害。矫正翘曲及水平弯曲的操作要求：1）在构件的上翼缘加热梯形面积，梯形大边朝向凸向侧；2）加热方向由小边向大边；3）与梯形面积相对应，在腹板上加热三角形面积。梯形大边侧腹板加热大三角形面积，小边侧腹板加热小三角形面积；4）火焰加热深度等于板厚；5）火焰加热应分批次进行。火工矫正的注意事项：1）尽量避免同一焰道多次加热；2）严格控制火工矫正的冷却速度；火工矫正施加外力必须慎重且只作为火工矫正的辅助措施；3）火工矫正时不得产生表面缺陷；4）火工矫正时应满足安全技术的有关要求。4.3 堆焊焊接工艺1）、焊前处理：焊前按常规焊接进行坡口清理和打磨。由于间隙超标，需重新设置焊接衬板。衬板选用1012mm同母材材质钢板。衬板与焊缝母材固定牢固，防止在堆焊过程中曲翘变形，影响焊接质量。2）、堆焊顺序构件组对固定完毕后，对于宽间隙焊缝，在各施焊位置上先在一侧堆焊至标准坡口350 +8mm，冷却到常温后再进行焊接。按如下图示意堆焊顺序进行堆焊。堆焊时，横焊焊位采用直角边堆焊，其它焊位采用直角边或斜边堆焊。图3.3堆焊焊接顺序示意图3）、堆焊面清理正式焊接前，对堆焊面按常规焊接坡口面清理的要求进行堆焊面的清理和打磨。4）、堆焊焊接参数：堆焊时采用小线能量焊接，每层厚度45mm，除立焊位外不准摆动电弧，立焊位置电弧摆动不得超过15mm，焊接过程中严格执行多层多道焊，层层清渣工艺，避免堆焊缺陷产生。（1）立焊位堆焊参数焊接方法焊条或焊丝焊剂或保护气保护气流量（L/min）电流（A）电压（V）牌号（mm）SMAWCHE5073.2/100-14018-28GMAWJM561.2CO225-50120-16025-35（2）横焊位堆焊参数焊接方法焊条或焊丝焊剂或保护气保护气流量（L/min）电流（A）电压（V）牌号（mm）SMAWCHE5074.0/130-15022-31GMAWJM561.2CO225-50140-18025-35（3）仰焊位堆焊参数焊接方法焊条或焊丝焊剂或保护气保护气流量（L/min）电流（A）电压（V）牌号（mm）SMAWCHE5074.0/100-14022-31*：详细的堆焊焊接参数见附件二中焊接工艺评定报告。5、技术质量保证措施针对目前安装施工质量情况，除了在加工制作、安装过程中严格按已经制定的国家体育场现场焊接技术管理规定、国家体育场安装管理规定、有关规范、标准、规程以及施工方案执行外，为了减少安装出现的偏差，还应强调以下几点：1）、加强过程控制，加严工厂制作标准，提高工厂构件加工精度；现场安装的测量成果及时向现场拼装反馈；在可能的情况下，将构件制作、安装产生的累积误差在相邻吊装单元现场拼装及时消化吸收，力求构件安装最终的累积误差在规范允许范围内。2）、两相邻吊装单元现场拼装时，通过过程中的测量控制将先吊的吊装单元端口的信息及时反应到另一个吊装单元上，以最大限度的消除由于不能进行现场预拼装带来的隐患。3）、按本方案对宽焊缝间隙进行焊接的焊缝，应严格按照堆焊工艺要求和焊接工艺指导书进行操作，加强过程控制和监督，并对该处的焊缝进行重点自检和第三方探伤检测，确保宽间隙焊缝的焊接质量。4）、对于超出本方案规定的焊缝间隙以及接口错边量较大的构件，应做好记录并及时与设计沟通，做好相关的洽商工作。做好洽商变更内容的交底工作，实施过程中应对处理过程进行重点监督，确保按洽商变更的要求实施；对于更换的板材的材质应符合施工图及详图的要求。同时，加强处理部位的自检和第三方检测，确保焊接质量。附件一宽间隙焊缝焊接试验方案一、试验目的由于鸟巢结构复杂及加工制作、安装等各种偏差的因素，造成个别安装组对焊缝间隙达不到规范要求，为保证施工正常进行并确保工程质量，结合国家体育场钢结构偏差处理预案的规定，决定设置两种焊缝间隙值，参照建筑钢结构焊接技术规程(JGJ181-2002)的要求，进行宽间隙焊接接头试验，即采用堆焊方法减小焊缝间隙的工艺试验暨焊接工艺评定试验，以检验焊接接头的力学性能以及相关的焊接变形，以备实际工程施工中出现类似情况时指导或参照处理。二、试验项目根据国家体育场钢结构工程特点和偏差处理预案的规定，拟进行以下试验项目：序号材质板厚（mm）间隙b（mm）试板规格（mm）*数量焊接方法/焊接位置试验数量试验项目1Q345C148500*500*2GMAW/ H1组收缩量和角变形2Q345GJD408700*500*2SMAW/ V1组收缩量和角变形3Q345C1430500*300*10GMAW/ H、V，SMAW/ H、V、O5组力学检测和变形4Q345D2035700*400*10GMAW/ H、V，SMAW/ H、V、O5组力学检测和变形5Q345GJD40*35700*400*10GMAW/ H、V，SMAW/ H、V、O5组力学检测和变形合 计17组*：其中有1组手工电弧焊仰焊试件板厚为42mm。说明：（1） 试板规格：t=14mm，规格为500（焊缝长）*300（板宽）mm*2块/组，计6组；t=20、40mm，规格为700*400mm*2块/组，分别为5组、6组；全部板材须提供材质单；（2） 试板取样原则：按焊缝垂直于板材轧制方向取样，如下图所示：（3） 坡口形式：均为单坡口350 +b；（4） 焊接材料：SMAW采用CHE507（4.0mm）；GMAW在H位置采用JM58（1.2mm），V位置采用JM56（1.2mm）；（5） 预热温度：t=40mm，预热温度80；t30mm，火焰加热清除水气；层间温度不超过150；（6） 拘束板规格：t=20mm，300 mm *500 mm，数量14块；t=20mm，300 mm *700 mm，数量14块；（7） 拘束条件： l=700mm（500mm）的试板，背面垂直于焊缝设5组拘束板；平行于焊缝方向不设拘束板。焊缝两端拘束板设置在焊缝边缘。（8） 衬板规格：t=14mm时，550*（b+20）*8mm；t=20，40mm时，750*（b+20）*10mm，材质Q345C、Q345D。三、焊接工艺1、焊前处理：焊前按常规焊接进行坡口清理和打磨。由于间隙超标，需重新设置焊接衬板。衬板选择：t30mm，衬板选用810mm；t30mm，衬板选用1012mm同材质钢板。衬板与焊缝母材固定牢固，防止在