上海中心大廈塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的研究與實(shí)踐

宋偉寧

(上海中心大廈建設(shè)發(fā)展有限公司，上海，200120)

1 引言

上海中心大廈從118層以上部分被定義為塔冠建筑，是塔樓的第九分區(qū)。其中，外露鋼結(jié)構(gòu)從121層一直到建筑的頂端，建筑標(biāo)高區(qū)間為562 m～632 m。在國(guó)內(nèi)樓宇建筑中，上海中心大廈塔冠首次達(dá)到了600 m以上這樣的高度。就自然條件而言，上海歷史上極端最低氣溫根據(jù)資料顯示為－12．1℃。塔樓施工期間，未涂裝部分鋼結(jié)構(gòu)曝露在夏天太陽(yáng)直曬的情況下，表面實(shí)測(cè)到的最高溫度約為74℃;有涂裝部分因反射效應(yīng)溫度稍低一些，但也在60℃以上。由于塔冠高度超高，受太陽(yáng)紫外線輻射會(huì)更強(qiáng)烈，同時(shí)，在惡劣氣象條件下，受大風(fēng)、暴雨、冰刨和冰粒襲擊的機(jī)率較之常規(guī)高層建筑要來(lái)得高。從施工條件來(lái)看，地處陸家嘴中心區(qū)的上海中心大廈，除了比鄰已有的金茂大廈和環(huán)球金融中心兩座超高層建筑，周邊高層辦公樓和公寓林立，施工環(huán)境制約度高;另外，在600 m以上高空進(jìn)行施工，施工難度前所未有。因而，對(duì)于上海中心大廈塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的選取，需要綜合考慮多方面因素并進(jìn)行細(xì)致的研究。

2 外露鋼結(jié)構(gòu)防腐體系初步設(shè)計(jì)方案與評(píng)估

上海中心大廈工程塔冠鋼結(jié)構(gòu)防腐處理不僅涉及鋼結(jié)構(gòu)防腐年限和質(zhì)量，還關(guān)系到建筑效果、幕墻、機(jī)電設(shè)備安裝、施工可實(shí)施性、環(huán)境影響、產(chǎn)品保護(hù)和造價(jià)控制等多方面因素。塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)基于其客觀的使用條件，重防腐措施必然是考慮的方向。在初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師采用了熱浸鋅方式作為塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)的防腐體系。但是，當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入到深化階段時(shí)，許多當(dāng)時(shí)尚未細(xì)究的問(wèn)題逐漸浮現(xiàn)出來(lái)。

從一般意義上來(lái)講，熱浸鋅鋼結(jié)構(gòu)比油漆涂裝鋼結(jié)構(gòu)防腐年限要長(zhǎng)，因而防腐可靠度也更高。但上海中心大廈塔冠基本上是一個(gè)設(shè)備塔冠，鑒于結(jié)構(gòu)主體的施工進(jìn)度，塔冠多種設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)連接部件在鋼構(gòu)件廠家實(shí)施鍍鋅之前全部完成加工安裝是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的，因此現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作無(wú)法避免。鍍鋅構(gòu)件一旦實(shí)施燒焊，鋅層便被破壞，需要現(xiàn)場(chǎng)后期修補(bǔ)，而高空現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)鋅的質(zhì)量難以控制和保證，這往往導(dǎo)致補(bǔ)鋅處先于其他部位產(chǎn)生腐蝕，熱浸鋅整體耐腐年限就會(huì)大打折扣。除此之外，上海中心大廈塔冠鋼結(jié)構(gòu)如果采用熱浸鋅涂裝將在以下幾個(gè)方面產(chǎn)生負(fù)面影響:

(1)建筑效果方面。因鍍鋅槽尺寸限制，鋼構(gòu)件必須大量分段，由此產(chǎn)生數(shù)量較多的法蘭連接節(jié)點(diǎn)，影響建筑觀感，尤其是在多桿交匯部位。另外，鋅層長(zhǎng)期暴露在空氣中也會(huì)慢慢氧化，形成不同程度的氧化色斑，因而早在抗腐能力失效之前，建筑美觀已經(jīng)無(wú)法令人滿(mǎn)意;若要修復(fù)，工作量和難度遠(yuǎn)超過(guò)油漆復(fù)涂。

(2)幕墻和機(jī)電管線安裝方面。外幕墻與環(huán)梁及鰭狀桁架之間空間狹小，泛光照明大量布線，風(fēng)力發(fā)電裝置、長(zhǎng)距離的馬道，冷卻塔和消防水箱與結(jié)構(gòu)桿件之間尺度也十分局促。施工總包表示:大量法蘭板的存在，對(duì)深化設(shè)計(jì)和安裝尤其是數(shù)量眾多的多桿交匯節(jié)點(diǎn)的安裝帶來(lái)了很大的困難。

(3)環(huán)境影響和產(chǎn)品保護(hù)方面。熱浸鋅工藝產(chǎn)生的廢水對(duì)環(huán)境污染度高、能耗大?，F(xiàn)場(chǎng)采用補(bǔ)鋅，高熱鋅粉會(huì)隨風(fēng)漂散，影響周邊環(huán)境。同時(shí)，難以對(duì)已完成安裝的幕墻和機(jī)電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。對(duì)此，各相關(guān)分包商認(rèn)為，產(chǎn)品保護(hù)無(wú)法控制。

(4)安裝精度控制方面。熱浸鋅桿件會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這對(duì)鋼構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝精度帶來(lái)實(shí)施和控制方面的困難。

(2015年徐州市中考數(shù)學(xué)卷第26題)如圖1，在矩形OABC中，OA=3，OC=5，分別以O(shè)A、OC所在直線為x軸、y軸，建立平面直角坐標(biāo)系，D是邊CB上的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)(不與C、B重合)，反比例函數(shù)的圖象經(jīng)過(guò)點(diǎn)D且與邊BA交于點(diǎn)E，連接DE．

(5)造價(jià)因素。熱浸鋅會(huì)產(chǎn)生大量的法蘭連接板和高強(qiáng)螺栓，且螺栓要經(jīng)酸洗處理，避免“氫脆”等潛在的結(jié)構(gòu)隱患。因此，造價(jià)增加較多。

綜合考慮上述因素，塔冠工程技術(shù)聯(lián)席會(huì)議否定了原有的施工圖設(shè)計(jì)方案，結(jié)合國(guó)內(nèi)外露鋼結(jié)構(gòu)防腐體系工程應(yīng)用進(jìn)展［1-3］，初步提出利用高品質(zhì)油漆方案代替原有設(shè)計(jì)方案。雖然高品質(zhì)油漆方案整體耐久性理論上不如鍍鋅方案，但基本上可以歸避上述不利因素，只要做到維護(hù)全覆蓋，在大廈塔冠鋼結(jié)構(gòu)防腐方面，有其相對(duì)的綜合優(yōu)勢(shì)。

3 外露鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的深化研究

3．1 高品質(zhì)油漆方案評(píng)估與工程案例研究

在初步考慮將高品質(zhì)油漆方案替代熱浸鋅方案的同時(shí)，建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)師對(duì)國(guó)內(nèi)采用高品質(zhì)油漆方案的既有建筑物進(jìn)行了考查，圖1為采用高品質(zhì)油漆方案的上海某超高層頂部鋼支撐結(jié)構(gòu)。從實(shí)際使用情況來(lái)看，盡管采用進(jìn)口高性能防腐油漆的耐久性會(huì)好一些。但是，焊縫尤其是現(xiàn)場(chǎng)焊縫和易積水部位是防銹蝕的薄弱環(huán)節(jié)，需要謹(jǐn)慎應(yīng)對(duì)。

圖1 某高層建筑防腐實(shí)況Fig．1 Statues of anti-corrosion for top structure of a high rise building

考慮到上海中心大廈工程的特殊性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)于國(guó)內(nèi)先進(jìn)的工程防腐體系進(jìn)行了調(diào)查研究，主要調(diào)研對(duì)象包括以下工程項(xiàng)目:①三峽水利樞紐鋼結(jié)構(gòu)涂裝試驗(yàn);②上海崇隧大橋鋼結(jié)構(gòu)防腐體系設(shè)計(jì);③廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)涂裝方案;④上海五角場(chǎng)立交環(huán)島裝飾鋼外罩防腐;⑤北京T-3航站樓外露鋼結(jié)構(gòu)防腐;⑥中國(guó)商飛制造中心總裝車(chē)間涂裝等工程。

各工程采用的防腐體系及現(xiàn)狀分別如下所述:

(1)三峽工程鋼結(jié)構(gòu)涂裝試驗(yàn)的結(jié)果表明，在噴稀土鋁、酶酸鉗、鋅鋁合金、鋅 、鋁等5種長(zhǎng)效防護(hù)體系的熱噴金屬材料中，噴鋅腐蝕速度最大，噴鋁最小，噴鋅鋁合金的腐蝕速度與噴鋁接近。熱噴金屬材料加上封閉涂料體系，其防護(hù)壽命預(yù)計(jì)可達(dá)20年以上。涂料應(yīng)配套使用，底漆、中間漆和面漆宜采用同一廠家產(chǎn)品。三峽二期工程大部分鋼構(gòu)件采用熱噴金屬和涂料聯(lián)合防腐體系，總干膜厚度為 300 ～340 μm［4］。

(2)上海崇隧大橋防腐設(shè)計(jì)。大橋鋼梁外表面采用了電弧噴鋁底涂+環(huán)氧封閉漆+環(huán)氧云鐵中間漆兩道+聚氨酯面漆(或氟碳面漆)兩道，總干膜厚度為380(360)μm。

(3)廣州新電視塔鋼結(jié)構(gòu)防腐方案。外筒鋼結(jié)構(gòu)鋼管外表面其防腐配套體系設(shè)計(jì)方案為電弧噴鋁底涂+環(huán)氧封閉漆+環(huán)氧云鐵中間漆+高性能環(huán)保型面漆，總干膜厚度≥320 μm。鋼構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)焊縫處其防腐配套體系設(shè)計(jì)方案為氧乙炔火焰噴涂鎳包鋁+氧乙炔火焰噴鋁+環(huán)氧封閉漆+環(huán)氧云鐵中間漆+聚硅氧烷面漆，總干膜厚度≥370 μm(圖2)。2004年工程完工以來(lái)整體包括焊縫部位尚未出現(xiàn)明顯銹蝕問(wèn)題，但現(xiàn)場(chǎng)噴鋁的不利因素會(huì)導(dǎo)致鋁粉末顆粒隨風(fēng)飄散形成較大范圍的粘染，對(duì)此實(shí)施單位也做了相應(yīng)的改進(jìn)。

圖2 廣州新電視塔防腐實(shí)景Fig．2 Statues of anti-corrosion for Guangzhou New TV Tower

(4)上海五角場(chǎng)中環(huán)“彩蛋”裝飾工程。鋼構(gòu)件外表面其防腐配套體系為鋅50 μm+環(huán)氧云鐵中間漆100 μm+可復(fù)涂聚氨酯面漆60 μm，總干膜厚度≥210 μm(見(jiàn)圖3)。該工程于2005年投入使用后，整體包括焊縫部位尚未出現(xiàn)明顯銹蝕問(wèn)題，施工時(shí)也未對(duì)周邊環(huán)境造成污染。

圖3 上海五角場(chǎng)立交橋裝飾鋼外罩防腐實(shí)景Fig．3 Statues of anti-corrosion for steel cage of Wujiaochang overpass in Shanghai

3．2 面漆比選

通過(guò)對(duì)以上工程的調(diào)研分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基本確定了上海中心大廈塔冠鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的調(diào)整方向。此外，在防腐工程實(shí)踐中，面漆選取也是較為重要的問(wèn)題。

在面漆選擇方面，目前比較常用的有聚氨酯、氟碳漆和聚硅氧烷三種產(chǎn)品，它們的性能對(duì)比見(jiàn)表 1［5］。

表1 面漆性能對(duì)比Table 1 Comparison between different paintings

從上述性能和產(chǎn)品使用的比較中，可以看出，聚硅氧烷的綜合性能較好。這一產(chǎn)品的優(yōu)越性能尤其是出色的環(huán)保性能(低VOC含量)受到歐美國(guó)家的重視。國(guó)內(nèi)重大工程使用的案例有北京T3航站樓(圖4)、中國(guó)商飛總裝車(chē)間(圖5)、深圳大運(yùn)中心主體育場(chǎng)等，且實(shí)際效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)長(zhǎng)效防腐的要求。

圖4 北京T-3航站樓Fig．4 Statues of anti-corrosion for Beijing T-3 Airport

圖5 中國(guó)商飛總裝車(chē)間Fig．5 Statues of anti-corrosion for assembling workshop of COMAC

4 防腐體系的試驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)施

4．1 防腐體系試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)歷了大量的調(diào)研與分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)初步形成了采用一種組合型配套防護(hù)體系的方案思路，即:工廠加工的部分，底涂采用熱噴鋁+環(huán)氧封閉漆，中間漆為環(huán)氧云鐵兩道，面漆為聚硅氧烷兩道;現(xiàn)場(chǎng)焊縫的部分，底涂采用富鋅涂層+環(huán)氧封閉漆，中間漆和面漆相同?，F(xiàn)場(chǎng)以滾涂(涂刷)代替噴涂，避免污染環(huán)境和其他成品。面漆采用環(huán)保型聚硅氧烷與上海中心大廈綠色建筑的特征相匹配?？偟慕Y(jié)構(gòu)防腐配套體學(xué)見(jiàn)表2。

表2 塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)防腐配套體系Table 2 Anti-corrosion system

為了論證此種防腐體系的可靠性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要求實(shí)施單位對(duì)上述防護(hù)體系進(jìn)行了施工模擬實(shí)證檢驗(yàn)。測(cè)試對(duì)象覆蓋非焊接區(qū)和焊接區(qū)，共90塊試板，形成9種對(duì)照組，進(jìn)行5項(xiàng)試驗(yàn):①中性鹽霧試驗(yàn);②人工氣候老化和人工輻射曝露試驗(yàn);③高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn);④附著力試驗(yàn);⑤抗石擊硬度試驗(yàn)。前三項(xiàng)試驗(yàn)分別利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬中性鹽霧、氣候老化、輻射以及高低溫交變環(huán)境，試驗(yàn)周期結(jié)束后，測(cè)試涂層附著力;石擊試驗(yàn)為模擬冰雹沖擊復(fù)合涂層后，評(píng)估涂層剝損的情況。試驗(yàn)周期為一個(gè)月。

試驗(yàn)結(jié)果表明:擬采用的防護(hù)配套體系基本上都通過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試，最小附著力為18 MPa，66%試件附著力測(cè)試在20 MPa以上，試驗(yàn)試件如圖6所示［6］。在焊縫區(qū)，鋅加涂膜鍍鋅、冷鍍鋅氣霧劑和環(huán)氧富鋅三類(lèi)產(chǎn)品中，鋅加涂膜鍍鋅的性能最好。在非焊縫區(qū)，通過(guò)附著力、剝離程度、開(kāi)裂級(jí)等指標(biāo)比對(duì)來(lái)選定底涂與中間漆兼容性最好的配套組合;通過(guò)變色、失光級(jí)和附著力指標(biāo)來(lái)選定面漆與中間漆兼容性最好的配套組合。在熱噴鋁方面，由于測(cè)試指標(biāo)接近，則通過(guò)經(jīng)濟(jì)性、施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)配合能力來(lái)選定廠家。承包商推薦的易操作的670HS環(huán)氧補(bǔ)漆材料因其補(bǔ)充對(duì)照性試驗(yàn)結(jié)果不理想而未被項(xiàng)目組采納。嚴(yán)格的試驗(yàn)，驗(yàn)證了新擬定的防腐體系的合理性;嚴(yán)格的篩選，明確了性?xún)r(jià)比最高的產(chǎn)品組合配套體系，為大廈塔冠外露鋼構(gòu)防腐把好了材料選擇關(guān)。

圖6 試驗(yàn)試件Fig．6 Experiment specimen

4．2 防腐體系施工質(zhì)量控制措施

在防腐涂裝方面，好的、適合材料的選定僅僅是第一步，更關(guān)鍵的還在于施工工藝的控制、質(zhì)量的把關(guān)和產(chǎn)品的保護(hù)。由于上海中心大廈塔冠特殊的高空環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量把控就顯得尤為重要。除了制定嚴(yán)格的工藝流程，保證天氣、溫度、濕度、風(fēng)速、表面預(yù)處理、產(chǎn)品檢驗(yàn)、配制和工序間隔等施工程序符合涂裝條件，在正式施工前，必須對(duì)操作人員進(jìn)行工藝交底;施工過(guò)程中，廠家技服人員必須旁站指導(dǎo)和監(jiān)督;工序交接應(yīng)有簽字記錄。工序檢驗(yàn)規(guī)定:①自檢由操作工自己檢驗(yàn)，互檢由作業(yè)班長(zhǎng)檢驗(yàn);②專(zhuān)檢由專(zhuān)職檢驗(yàn)員檢驗(yàn);③專(zhuān)檢合格后報(bào)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格方可進(jìn)入下道工序。每次檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題都必須認(rèn)真處理直到達(dá)到質(zhì)量要求為止。施工質(zhì)量記錄規(guī)定:在施工過(guò)程中應(yīng)按質(zhì)量保證體系的要求做施工記錄，確保施工質(zhì)量的可追溯性，記錄內(nèi)容包括工件名稱(chēng)、型號(hào)、編號(hào)、施工環(huán)境狀況、施工時(shí)間、施工內(nèi)容、檢驗(yàn)記錄等。

若噴鋁底涂發(fā)生破壞，用鋅加涂膜鍍鋅按照工藝程序進(jìn)行修復(fù)。最后一道面漆和補(bǔ)漆涂裝施工:先用毛刷對(duì)邊角等小部位進(jìn)行面漆預(yù)涂，再整體涂刷面漆。要求精心施工，不得有漏涂、流掛、起泡等外觀缺陷，確保外觀的美觀性。最后，涂裝完成的部分應(yīng)加強(qiáng)成品保護(hù)。

5 結(jié)論

上海中心大廈塔冠外露鋼結(jié)構(gòu)防腐由于它的獨(dú)特性，經(jīng)歷了從常規(guī)經(jīng)驗(yàn)到更改設(shè)計(jì)，從廣泛調(diào)研、針對(duì)性分析到形成專(zhuān)項(xiàng)方案并經(jīng)由試驗(yàn)檢驗(yàn)而得以明確配套體系的這樣一個(gè)過(guò)程。在這一研究和實(shí)踐的過(guò)程中得到了以下結(jié)論:

(1)大型工程總有其特殊部分或特殊性，針對(duì)這樣的部分和屬性，常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)往往無(wú)法適用，在鋼結(jié)構(gòu)防腐方面也同樣如此。上海中心大廈塔冠防腐就是針對(duì)其特殊性，在進(jìn)行大量調(diào)查研究并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，找到了適合于這種特殊性的新防護(hù)配套體系。

(2)鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效防腐是基于多環(huán)節(jié)相互依賴(lài)的，首先是合適的材料選擇，其次是正確工藝和工序的操作，第三是質(zhì)量把關(guān)程序的嚴(yán)格執(zhí)行，最后是良好的成品保護(hù)及修復(fù)措施。設(shè)計(jì)人員、施工人員和監(jiān)督人員不具備上述系統(tǒng)的意識(shí)將難以達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)。

(3)以目前的技術(shù)和材料條件，鋼結(jié)構(gòu)防腐不可能是一項(xiàng)一勞永逸的工作，其總體成本控制往往取決于第一次防腐的工作理念。首次的防腐工作做得認(rèn)真和恰當(dāng)，即使開(kāi)始時(shí)稍許增加了投資和時(shí)間成本，但長(zhǎng)期的成本控制將會(huì)是成功的。

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