上海中心大厦塔冠外露钢结构防腐涂装体系的研究与实践

宋伟宁

(上海中心大厦建设发展有限公司，上海，200120)

1 引言

上海中心大厦从118层以上部分被定义为塔冠建筑，是塔楼的第九分区。其中，外露钢结构从121层一直到建筑的顶端，建筑标高区间为562 m～632 m。在国内楼宇建筑中，上海中心大厦塔冠首次达到了600 m以上这样的高度。就自然条件而言，上海历史上极端最低气温根据资料显示为－12．1℃。塔楼施工期间，未涂装部分钢结构曝露在夏天太阳直晒的情况下，表面实测到的最高温度约为74℃;有涂装部分因反射效应温度稍低一些，但也在60℃以上。由于塔冠高度超高，受太阳紫外线辐射会更强烈，同时，在恶劣气象条件下，受大风、暴雨、冰刨和冰粒袭击的机率较之常规高层建筑要来得高。从施工条件来看，地处陆家嘴中心区的上海中心大厦，除了比邻已有的金茂大厦和环球金融中心两座超高层建筑，周边高层办公楼和公寓林立，施工环境制约度高;另外，在600 m以上高空进行施工，施工难度前所未有。因而，对于上海中心大厦塔冠外露钢结构防腐涂装体系的选取，需要综合考虑多方面因素并进行细致的研究。

2 外露钢结构防腐体系初步设计方案与评估

上海中心大厦工程塔冠钢结构防腐处理不仅涉及钢结构防腐年限和质量，还关系到建筑效果、幕墙、机电设备安装、施工可实施性、环境影响、产品保护和造价控制等多方面因素。塔冠外露钢结构基于其客观的使用条件，重防腐措施必然是考虑的方向。在初步设计和施工图设计中，设计师采用了热浸锌方式作为塔冠外露钢结构的防腐体系。但是，当设计进入到深化阶段时，许多当时尚未细究的问题逐渐浮现出来。

从一般意义上来讲，热浸锌钢结构比油漆涂装钢结构防腐年限要长，因而防腐可靠度也更高。但上海中心大厦塔冠基本上是一个设备塔冠，鉴于结构主体的施工进度，塔冠多种设备与钢结构连接部件在钢构件厂家实施镀锌之前全部完成加工安装是不可能的，也是不现实的，因此现场焊接的工作无法避免。镀锌构件一旦实施烧焊，锌层便被破坏，需要现场后期修补，而高空现场补锌的质量难以控制和保证，这往往导致补锌处先于其他部位产生腐蚀，热浸锌整体耐腐年限就会大打折扣。除此之外，上海中心大厦塔冠钢结构如果采用热浸锌涂装将在以下几个方面产生负面影响:

(1)建筑效果方面。因镀锌槽尺寸限制，钢构件必须大量分段，由此产生数量较多的法兰连接节点，影响建筑观感，尤其是在多杆交汇部位。另外，锌层长期暴露在空气中也会慢慢氧化，形成不同程度的氧化色斑，因而早在抗腐能力失效之前，建筑美观已经无法令人满意;若要修复，工作量和难度远超过油漆复涂。

(2)幕墙和机电管线安装方面。外幕墙与环梁及鳍状桁架之间空间狭小，泛光照明大量布线，风力发电装置、长距离的马道，冷却塔和消防水箱与结构杆件之间尺度也十分局促。施工总包表示:大量法兰板的存在，对深化设计和安装尤其是数量众多的多杆交汇节点的安装带来了很大的困难。

(3)环境影响和产品保护方面。热浸锌工艺产生的废水对环境污染度高、能耗大。现场采用补锌，高热锌粉会随风漂散，影响周边环境。同时，难以对已完成安装的幕墙和机电设备进行保护。对此，各相关分包商认为，产品保护无法控制。

(4)安装精度控制方面。热浸锌杆件会产生一定的变形，这对钢构件加工和现场安装精度带来实施和控制方面的困难。

(2015年徐州市中考数学卷第26题)如图1，在矩形OABC中，OA=3，OC=5，分别以OA、OC所在直线为x轴、y轴，建立平面直角坐标系，D是边CB上的一个动点(不与C、B重合)，反比例函数的图象经过点D且与边BA交于点E，连接DE．

(5)造价因素。热浸锌会产生大量的法兰连接板和高强螺栓，且螺栓要经酸洗处理，避免“氢脆”等潜在的结构隐患。因此，造价增加较多。

综合考虑上述因素，塔冠工程技术联席会议否定了原有的施工图设计方案，结合国内外露钢结构防腐体系工程应用进展［1-3］，初步提出利用高品质油漆方案代替原有设计方案。虽然高品质油漆方案整体耐久性理论上不如镀锌方案，但基本上可以归避上述不利因素，只要做到维护全覆盖，在大厦塔冠钢结构防腐方面，有其相对的综合优势。

3 外露钢结构防腐体系的深化研究

3．1 高品质油漆方案评估与工程案例研究

在初步考虑将高品质油漆方案替代热浸锌方案的同时，建设单位组织设计师对国内采用高品质油漆方案的既有建筑物进行了考查，图1为采用高品质油漆方案的上海某超高层顶部钢支撑结构。从实际使用情况来看，尽管采用进口高性能防腐油漆的耐久性会好一些。但是，焊缝尤其是现场焊缝和易积水部位是防锈蚀的薄弱环节，需要谨慎应对。

图1 某高层建筑防腐实况Fig．1 Statues of anti-corrosion for top structure of a high rise building

考虑到上海中心大厦工程的特殊性，项目团队对于国内先进的工程防腐体系进行了调查研究，主要调研对象包括以下工程项目:①三峡水利枢纽钢结构涂装试验;②上海崇隧大桥钢结构防腐体系设计;③广州新电视塔钢结构涂装方案;④上海五角场立交环岛装饰钢外罩防腐;⑤北京T-3航站楼外露钢结构防腐;⑥中国商飞制造中心总装车间涂装等工程。

各工程采用的防腐体系及现状分别如下所述:

(1)三峡工程钢结构涂装试验的结果表明，在喷稀土铝、酶酸钳、锌铝合金、锌 、铝等5种长效防护体系的热喷金属材料中，喷锌腐蚀速度最大，喷铝最小，喷锌铝合金的腐蚀速度与喷铝接近。热喷金属材料加上封闭涂料体系，其防护寿命预计可达20年以上。涂料应配套使用，底漆、中间漆和面漆宜采用同一厂家产品。三峡二期工程大部分钢构件采用热喷金属和涂料联合防腐体系，总干膜厚度为 300 ～340 μm［4］。

(2)上海崇隧大桥防腐设计。大桥钢梁外表面采用了电弧喷铝底涂+环氧封闭漆+环氧云铁中间漆两道+聚氨酯面漆(或氟碳面漆)两道，总干膜厚度为380(360)μm。

(3)广州新电视塔钢结构防腐方案。外筒钢结构钢管外表面其防腐配套体系设计方案为电弧喷铝底涂+环氧封闭漆+环氧云铁中间漆+高性能环保型面漆，总干膜厚度≥320 μm。钢构件现场焊缝处其防腐配套体系设计方案为氧乙炔火焰喷涂镍包铝+氧乙炔火焰喷铝+环氧封闭漆+环氧云铁中间漆+聚硅氧烷面漆，总干膜厚度≥370 μm(图2)。2004年工程完工以来整体包括焊缝部位尚未出现明显锈蚀问题，但现场喷铝的不利因素会导致铝粉末颗粒随风飘散形成较大范围的粘染，对此实施单位也做了相应的改进。

图2 广州新电视塔防腐实景Fig．2 Statues of anti-corrosion for Guangzhou New TV Tower

(4)上海五角场中环“彩蛋”装饰工程。钢构件外表面其防腐配套体系为锌50 μm+环氧云铁中间漆100 μm+可复涂聚氨酯面漆60 μm，总干膜厚度≥210 μm(见图3)。该工程于2005年投入使用后，整体包括焊缝部位尚未出现明显锈蚀问题，施工时也未对周边环境造成污染。

图3 上海五角场立交桥装饰钢外罩防腐实景Fig．3 Statues of anti-corrosion for steel cage of Wujiaochang overpass in Shanghai

3．2 面漆比选

通过对以上工程的调研分析，项目团队基本确定了上海中心大厦塔冠钢结构防腐体系的调整方向。此外，在防腐工程实践中，面漆选取也是较为重要的问题。

在面漆选择方面，目前比较常用的有聚氨酯、氟碳漆和聚硅氧烷三种产品，它们的性能对比见表 1［5］。

表1 面漆性能对比Table 1 Comparison between different paintings

从上述性能和产品使用的比较中，可以看出，聚硅氧烷的综合性能较好。这一产品的优越性能尤其是出色的环保性能(低VOC含量)受到欧美国家的重视。国内重大工程使用的案例有北京T3航站楼(图4)、中国商飞总装车间(图5)、深圳大运中心主体育场等，且实际效果满足设计长效防腐的要求。

图4 北京T-3航站楼Fig．4 Statues of anti-corrosion for Beijing T-3 Airport

图5 中国商飞总装车间Fig．5 Statues of anti-corrosion for assembling workshop of COMAC

4 防腐体系的试验验证与实施

4．1 防腐体系试验验证

经历了大量的调研与分析，项目团队初步形成了采用一种组合型配套防护体系的方案思路，即:工厂加工的部分，底涂采用热喷铝+环氧封闭漆，中间漆为环氧云铁两道，面漆为聚硅氧烷两道;现场焊缝的部分，底涂采用富锌涂层+环氧封闭漆，中间漆和面漆相同。现场以滚涂(涂刷)代替喷涂，避免污染环境和其他成品。面漆采用环保型聚硅氧烷与上海中心大厦绿色建筑的特征相匹配。总的结构防腐配套体学见表2。

表2 塔冠外露钢结构防腐配套体系Table 2 Anti-corrosion system

为了论证此种防腐体系的可靠性，项目团队要求实施单位对上述防护体系进行了施工模拟实证检验。测试对象覆盖非焊接区和焊接区，共90块试板，形成9种对照组，进行5项试验:①中性盐雾试验;②人工气候老化和人工辐射曝露试验;③高低温湿热交变试验;④附着力试验;⑤抗石击硬度试验。前三项试验分别利用实验室环境模拟中性盐雾、气候老化、辐射以及高低温交变环境，试验周期结束后，测试涂层附着力;石击试验为模拟冰雹冲击复合涂层后，评估涂层剥损的情况。试验周期为一个月。

试验结果表明:拟采用的防护配套体系基本上都通过了严格的测试，最小附着力为18 MPa，66%试件附着力测试在20 MPa以上，试验试件如图6所示［6］。在焊缝区，锌加涂膜镀锌、冷镀锌气雾剂和环氧富锌三类产品中，锌加涂膜镀锌的性能最好。在非焊缝区，通过附着力、剥离程度、开裂级等指标比对来选定底涂与中间漆兼容性最好的配套组合;通过变色、失光级和附着力指标来选定面漆与中间漆兼容性最好的配套组合。在热喷铝方面，由于测试指标接近，则通过经济性、施工经验和现场配合能力来选定厂家。承包商推荐的易操作的670HS环氧补漆材料因其补充对照性试验结果不理想而未被项目组采纳。严格的试验，验证了新拟定的防腐体系的合理性;严格的筛选，明确了性价比最高的产品组合配套体系，为大厦塔冠外露钢构防腐把好了材料选择关。

图6 试验试件Fig．6 Experiment specimen

4．2 防腐体系施工质量控制措施

在防腐涂装方面，好的、适合材料的选定仅仅是第一步，更关键的还在于施工工艺的控制、质量的把关和产品的保护。由于上海中心大厦塔冠特殊的高空环境，现场施工质量把控就显得尤为重要。除了制定严格的工艺流程，保证天气、温度、湿度、风速、表面预处理、产品检验、配制和工序间隔等施工程序符合涂装条件，在正式施工前，必须对操作人员进行工艺交底;施工过程中，厂家技服人员必须旁站指导和监督;工序交接应有签字记录。工序检验规定:①自检由操作工自己检验，互检由作业班长检验;②专检由专职检验员检验;③专检合格后报监理工程师检验，检验合格方可进入下道工序。每次检验过程中发现的问题都必须认真处理直到达到质量要求为止。施工质量记录规定:在施工过程中应按质量保证体系的要求做施工记录，确保施工质量的可追溯性，记录内容包括工件名称、型号、编号、施工环境状况、施工时间、施工内容、检验记录等。

若喷铝底涂发生破坏，用锌加涂膜镀锌按照工艺程序进行修复。最后一道面漆和补漆涂装施工:先用毛刷对边角等小部位进行面漆预涂，再整体涂刷面漆。要求精心施工，不得有漏涂、流挂、起泡等外观缺陷，确保外观的美观性。最后，涂装完成的部分应加强成品保护。

5 结论

上海中心大厦塔冠外露钢结构防腐由于它的独特性，经历了从常规经验到更改设计，从广泛调研、针对性分析到形成专项方案并经由试验检验而得以明确配套体系的这样一个过程。在这一研究和实践的过程中得到了以下结论:

(1)大型工程总有其特殊部分或特殊性，针对这样的部分和属性，常规的经验往往无法适用，在钢结构防腐方面也同样如此。上海中心大厦塔冠防腐就是针对其特殊性，在进行大量调查研究并经过试验验证的基础上，找到了适合于这种特殊性的新防护配套体系。

(2)钢结构长效防腐是基于多环节相互依赖的，首先是合适的材料选择，其次是正确工艺和工序的操作，第三是质量把关程序的严格执行，最后是良好的成品保护及修复措施。设计人员、施工人员和监督人员不具备上述系统的意识将难以达到预期的质量目标。

(3)以目前的技术和材料条件，钢结构防腐不可能是一项一劳永逸的工作，其总体成本控制往往取决于第一次防腐的工作理念。首次的防腐工作做得认真和恰当，即使开始时稍许增加了投资和时间成本，但长期的成本控制将会是成功的。

［1］ Paints and varnishes corrosion protection of steel structures by protective paint systems part 5:protective paint systems［S］．ISO 12944-5:2007．

［2］ 彭菊芳，庄振宇．钢结构防腐涂料体系国内外标准现状［J］．上海涂料，2012，5:25-32．Peng Jufang，Zhuang Zhenyu．The development and application of corrosion protective coatings at home and abroad［J］．Shanghai Painting，2012，5:25-32．(in Chinese)

［3］ 王军，付强，闫雪峰．我国跨海大桥钢结构防腐保护与涂装［J］．现代涂料与涂装，2008，10:37-41．Wang Jun，Fu Qiang，Yan Xuefeng．The development and application of corrosion protective coatings of the oversea bridges［J］Modern Dainting Finishing，2008，10:37-41．(in Chinese)

［4］ 曾德龙，卜建欣．三峡金属结构防腐蚀措施研究［J］．中国三峡建设，2003，(2):13-15．Zeng Delong，Bu Jianxin．The study of measures of anti-corrosion for steel structure in Three Gorges Engineering［J］Constructions of Three Gorges in China，2003，(2):13-15．(in Chinese)

［5］ 李荣俊．重防腐涂装用聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷3种面漆比较［J］．上海涂料，2012，5:44-46．Li Rongjun．The comparison between three different paintings［J］Shanghai Painting，2012，5:44-46．(in Chinese)

［6］ 上海中心大厦塔冠钢结构防腐检验报告［R］．2013．The test report of painting work for crown steel structures of Shanghai Tower，［R］．2013．(in Chinese)