楊炳 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州434023)
彭威 (海航實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,海南 ???70100)
龔玉云,查昕峰,盧夢瀟 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州434023)
型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),在歷次地震中均變現(xiàn)出良好的抗震性能,已被廣泛應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)中[1~4]。十字形截面鋼骨柱是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的一種重要形式,研究十字形截面鋼骨柱的施工技術(shù),以此來提高該類結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度和質(zhì)量,以便推廣在工程中的應(yīng)用,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)于十字形配鋼的型鋼混凝土結(jié)構(gòu),國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。理論研究主要表現(xiàn)在對對稱配鋼型鋼混凝土柱在軸壓下力學(xué)性能[5]、軸壓和彎矩共同作用下的性能[6~8]、低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能[9~11]進(jìn)行了較為廣泛的研究,并基于試驗(yàn)結(jié)果和理論計算提出了相應(yīng)的承載力計算方法及抗震構(gòu)造措施[12,13]。實(shí)際工程應(yīng)用方面,武廷超等[14]、魏愛生等[15]、姜濤等[16]、陳劍波等[17]均對實(shí)際工程中應(yīng)用鋼骨柱遇到的難點(diǎn)和問題進(jìn)行了總結(jié)和歸納。但上述研究均未涉及十字形鋼骨柱的施工技術(shù),也未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)及報道。
鋼骨柱的施工難點(diǎn)及問題主要表現(xiàn)在鋼骨柱結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量控制、構(gòu)件堆放及吊裝、鋼骨柱結(jié)構(gòu)安裝的精度控制和焊接變形及質(zhì)量控制等方面。為此,筆者選取??趪H金融中心項(xiàng)目為例(該項(xiàng)目主體工程屬于外框架-內(nèi)核心筒結(jié)構(gòu),裙樓部分為鋼混組合框架結(jié)構(gòu),框架柱均屬于十字形截面鋼骨柱),總結(jié)了十字形截面鋼骨柱工廠制作方法、現(xiàn)場吊運(yùn)及安裝、焊接及檢測等關(guān)鍵施工技術(shù),以便為以后在海南地區(qū)新建該類截面形式結(jié)構(gòu)提供范例。
??趪H金融中心項(xiàng)目位于海南省??谑忻捞m區(qū),該項(xiàng)目場地用地面積35343m2,擬建建筑物為3棟超高層建筑,主體為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu),裙樓部分為鋼混組合框架結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中,A樓和B樓均為37層,高約155.6m,C樓為24層高約102.9m,總建筑面積約28.1×104m2。C樓南側(cè)設(shè)有4層裙房,整個建筑場地設(shè)有3層地下室。該工程鋼骨柱材質(zhì)主要為Q345B,共分為2個部分:一部分是A、B樓的核心筒區(qū)域H型鋼骨柱,另一部分是核心筒周邊框架柱內(nèi)的大截面十字形鋼骨柱。
A、B樓核心筒周邊對稱設(shè)置48個框架柱,其內(nèi)布置大截面十字形鋼骨柱??蚣苤鶅?nèi)鋼骨柱的重量約為1700t,栓釘數(shù)量約為124000套。框架柱內(nèi)的鋼骨柱沿高度方向分為3個不同的截面,具體形式如圖2所示。鋼骨柱與砼梁連接處設(shè)置20mm厚的加勁板,并在鋼骨柱的腹板上設(shè)置過筋孔,在翼緣板上焊接鋼筋套筒。
圖1 海口國際金融中心建筑效果
該工程核心筒周邊均為大截面十字形鋼骨柱,結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,技術(shù)含量高且施工難度大。施工過程中焊接量巨大,極易引起變形。鋼骨柱加工制作時的重要和難點(diǎn)主要體現(xiàn)為:①在保證焊接質(zhì)量、焊縫變形的前提下又要保證鋼骨柱幾何尺寸滿足要求;②確保鋼骨柱上過筋孔位置準(zhǔn)確;③采取何種措施確保預(yù)留的加工工藝余量與安裝偏差滿足施工規(guī)范要求。
十字形截面系由一個H型鋼、2個T型鋼及中間加勁板通過焊接而形成。根據(jù)鋼骨柱的特點(diǎn),制定了對應(yīng)的加工制作工藝。工藝流程如下:零件下料→型鋼組立→精密切割→焊接、矯正→端面加工→鉆床制孔→標(biāo)識、存放。
圖2 型鋼混凝土柱示意圖
根據(jù)現(xiàn)場塔吊的起吊能力及經(jīng)濟(jì)適用性分析,鋼骨柱的吊裝設(shè)備主要是現(xiàn)場安裝的兩部塔吊,分別位于框架鋼骨柱的南北兩側(cè),部分超過塔吊起重能力的鋼骨柱采用汽車吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。采取分層、分段吊運(yùn),逐段焊接的吊裝方案:框架柱內(nèi)鋼骨柱每一樓層作為一個分段,除了二層以下北側(cè)外框柱十字型鋼骨柱一層分2次吊裝,分段后重量在6t左右,符合塔吊運(yùn)力要求。
起吊前,應(yīng)將枕木墊置于鋼骨柱下方;起吊時,確保柱的下端不在地面上產(chǎn)生拖動,并通過相關(guān)措施保證鋼骨柱起吊時垂直于地面,須有足夠的高度保證鋼骨柱在回轉(zhuǎn)過程中的安全,并保持鋼骨柱平穩(wěn)。
框架柱屬大截面、超重十字形鋼骨柱[3],考慮到吊裝時如果使用傳統(tǒng)纜風(fēng)繩、硬性支撐施工技術(shù),會產(chǎn)生設(shè)置較多臨時措施、增大作業(yè)影響面等弊端。經(jīng)研究決定,該工程吊裝選用“無纜風(fēng)”施工技術(shù),鋼骨柱安裝就位后運(yùn)用雙夾板連接板進(jìn)行臨時固定,由螺栓、連接板共同承受構(gòu)件自重、風(fēng)荷載及施工臨時荷載,如圖3所示。待鋼骨柱對接焊接完畢、且無損檢驗(yàn)質(zhì)量合格后,再割除臨時連接板。
鋼骨柱安裝工藝流程:地腳螺栓預(yù)埋(制作、安裝)→底板下層鋼筋綁扎安裝→支模、澆筑柱墩混凝土→螺栓位置復(fù)測→預(yù)埋段首節(jié)鋼骨柱安裝(校正、焊接)→柱腳二次灌漿→支模、澆筑C60混凝土→底板鋼筋綁扎、澆筑混凝土→逐節(jié)鋼骨柱吊裝焊接。
1)地腳螺栓預(yù)埋。鑒于鋼骨柱柱腳節(jié)點(diǎn)預(yù)埋施工的特殊性,錨栓的預(yù)埋需要設(shè)置鋼支架,地腳錨栓的材質(zhì)為Q345,錨栓直徑均為?28和?32。為了保證地腳螺栓的埋設(shè)精度,需要設(shè)置專用的錨栓定位環(huán)板,以保證澆注混凝土?xí)r地腳錨栓不會發(fā)生大的側(cè)移和沉降;該預(yù)埋件除了需要具有一定強(qiáng)度外,還需要采取相關(guān)加固措施(如埋件與鋼筋焊接、鋼筋支撐模板等)將其與模板進(jìn)行有效連接,禁止破壞和損傷已安裝就位的地腳螺栓。在鋼梁安裝之前,需要將螺紋進(jìn)行清理,若螺扣存在損傷,則需要進(jìn)行修復(fù)或替換。埋設(shè)前后需經(jīng)常對螺栓的軸線、標(biāo)高及伸出長度進(jìn)行檢測,以確保支座埋件、地腳螺栓埋設(shè)精度滿足要求,有利于提高鋼骨柱的安裝速度和施工質(zhì)量[4]。
2)首節(jié)鋼骨柱安裝。首節(jié)鋼骨柱吊裝就位時,應(yīng)嚴(yán)格保證柱底板上四邊中心線與定位軸線對準(zhǔn)。鋼骨柱安裝就位后,從標(biāo)高及垂直度2個方面來對柱進(jìn)行校正。用經(jīng)緯儀來對鋼骨柱垂直度進(jìn)行檢驗(yàn),存在偏差時再運(yùn)用千斤頂來校正。方法如下:首先架設(shè)經(jīng)緯儀,選擇地點(diǎn)位于鋼骨柱所在相互垂直的軸線上。經(jīng)緯儀從2個方向瞄準(zhǔn)柱底軸線后測得柱頂中線的偏差度,再運(yùn)用千斤頂調(diào)校鋼骨柱,使其垂直度偏差達(dá)到許可要求范圍內(nèi)。
3)柱腳二次灌漿。鋼骨柱安裝完成后,用灌漿料將鋼骨柱底座與基礎(chǔ)表面空間的空隙填滿,以固定柱底板和承受上部的荷載。二次灌漿施工工藝流程:基礎(chǔ)處理→確定灌漿方式→支?!酀{料的攪拌→灌漿→養(yǎng)護(hù)。
過去很長一段時間,職業(yè)院校教學(xué)的主要目標(biāo)大多是培養(yǎng)一線的生產(chǎn)、服務(wù)技術(shù)技能型人才。通過職業(yè)教育,學(xué)生畢業(yè)后具有很強(qiáng)的崗位競爭力,可快速適應(yīng)職業(yè)的變化。然而,隨著時代的發(fā)展和教育改革的縱深推入,對職業(yè)院校的教育帶來了挑戰(zhàn),也提出了諸多的新要求。但受到多重因素影響,多年來,產(chǎn)教融合模式還只停留在職業(yè)院校單方面,行業(yè)和企業(yè)等各方的參與程度十分有限,缺乏主動性。究其原因,很大程度上是因?yàn)轶w制、機(jī)制方面的原因,國家在立法層面上無法保障企業(yè)正常參與職業(yè)教育的權(quán)利,相關(guān)部門也沒有出臺有關(guān)的配套政策,導(dǎo)致院校、企業(yè)、行業(yè)之間很難形成合作切入點(diǎn)和利益共同點(diǎn)。
4)逐節(jié)鋼骨柱安裝。鋼骨柱需要逐節(jié)進(jìn)行安裝,每次安裝之前,需在鋼骨柱上標(biāo)出中心線和相對標(biāo)高。安裝過程中,待鋼骨柱上下中心線對齊重合后再固定,打開上方柱下端的活動雙夾板,將其與下節(jié)柱頂對應(yīng)的安裝耳板通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行臨時連接固定。再通過水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、導(dǎo)鏈、千斤頂?shù)裙ぞ邅碚{(diào)節(jié)鋼骨柱垂直度,滿足要求即可。最后待連接螺栓固定后進(jìn)行焊接臨時連接板,待探傷檢測合格后拆除臨時連接板,將臨時連接板上焊縫殘渣打磨平整,即完成了鋼骨柱的安裝。
1)標(biāo)高校正。為保證框架梁安裝精度符合要求,重點(diǎn)控制柱肩梁處中心和標(biāo)高。鋼骨柱每段都有砼梁加勁板及過筋孔,鋼骨柱安裝時要注意高差,通過增大或減小鋼骨柱接頭間焊縫間隙調(diào)整本節(jié)鋼骨柱的標(biāo)高,確保同一根鋼骨柱上的砼梁高差與設(shè)計相同(誤差在允許范圍內(nèi))。
2)垂直度校正。鋼骨柱吊裝就位后,及時檢測并校正其垂直度。校正合格后需立即緊固螺栓,框架梁安裝前再次檢測并校正鋼骨柱垂直度。具體操作方法:將下節(jié)柱頂施測軸線偏差值為依據(jù),以下節(jié)柱頂中心點(diǎn)為后視方向在柱身相互垂直的2個方向,將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)上節(jié)鋼柱柱頂中心點(diǎn),判斷上節(jié)柱中心點(diǎn)的投影點(diǎn)與本節(jié)柱底處該點(diǎn)所對應(yīng)中心點(diǎn)偏離度,向相反的方向調(diào)校本節(jié)柱的垂直度。
圖3 吊裝柱構(gòu)件臨時固定示意圖
焊接時預(yù)熱溫度與板厚和焊接方式有關(guān)。當(dāng)被焊件厚度小于19mm且溫度低于0℃時,將母材預(yù)熱至21℃,并在施焊過程中始終保持不低于該溫度;當(dāng)被焊件厚度大于19mm,應(yīng)按表1規(guī)定進(jìn)行對應(yīng)溫度預(yù)熱。預(yù)熱過程中注意均勻加熱,預(yù)熱范圍應(yīng)在焊縫兩側(cè)至少100mm以上。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)定值后,恒溫30min左右[5]。溫度測試點(diǎn)須選擇在離坡口邊沿距板厚3倍(最低100mm)處。采用表面溫度計測試。
表1 預(yù)熱溫度
層間焊接時,每個接頭均應(yīng)一次性焊接完畢,層間溫度應(yīng)控制在85~110℃之間,為了使焊接過程中產(chǎn)生的擴(kuò)散氫擁有足夠時間能夠盡量溢出,從而避免焊縫出現(xiàn)裂紋,該工程在焊接完成后進(jìn)行后熱處理,溫度保持在200~250℃。溫度達(dá)到要求后用多層石棉布包裹,待接頭區(qū)域、焊縫表面積背部溫度均與環(huán)境溫度相同時可以去除石棉布。焊接施工前制定合理的焊接參數(shù),如表2所示。
表2 焊接參數(shù)
該工程采用手工電弧焊配合CO2氣體保護(hù)焊的焊接工藝,十字型鋼骨柱進(jìn)行焊接時,必須由2名焊工在對稱位置以相同速度同步進(jìn)行,如圖4所示。首先在無連接板的一側(cè)焊至1/3板厚,割去柱間連接耳板,并同時換側(cè)對稱施焊;接著2人分別繼續(xù)在另一側(cè)施焊,再換至腹板進(jìn)行相同順序焊接,如此輪換至焊完整個接頭;所有對接點(diǎn)的焊縫經(jīng)外觀檢查合格后方可進(jìn)行100%超聲波無損檢測。為了控制施焊過程中產(chǎn)生的焊接變形及殘余應(yīng)力,基于焊接施工前通過的焊接工藝評定,采取預(yù)留收縮余量、局部矯正及補(bǔ)償和錘擊法等措施,保證焊縫質(zhì)量達(dá)到要求[18]。
圖4 鋼骨柱焊接順序
焊接是鋼骨柱安裝施工過程中的關(guān)鍵工序,焊接質(zhì)量的好壞直接影響建筑的整體性能,進(jìn)而決定著建筑的抗震性能,因此需對焊接過程進(jìn)行全面監(jiān)控,仔細(xì)做好焊接前后及過程中的質(zhì)量控制。
2)通過焊接工藝評定報告后,依據(jù)工程評定結(jié)果編制焊接工藝指導(dǎo)書,確定出最佳焊接工藝參數(shù),制定完整、合理和詳細(xì)的工藝措施和工藝流程。
3)該工程焊接量大,焊縫質(zhì)量要求高。所有焊工都必須參加專業(yè)培訓(xùn)并通過考試,取得相應(yīng)的等級證和操作證,必須保證持證上崗。
4)使用的焊材應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》JGJ81-2002的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)驗(yàn),合格后才能用于施焊。
5)合理有序地安排焊接次序,采用結(jié)構(gòu)對稱、節(jié)點(diǎn)對稱和全方位對稱的焊接原則。
6)焊縫焊接完成后,校驗(yàn)焊縫外觀和尺寸后,還應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001的有關(guān)規(guī)定,方能簽上焊工鋼印號,全溶透焊縫應(yīng)按設(shè)計圖紙要求進(jìn)行超聲波無損檢測,發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量不合格后應(yīng)及時進(jìn)行返修處理,直至驗(yàn)收合格。
鋼骨柱焊縫檢測主要采用外觀檢查、尺寸檢查和無損檢測3種方法進(jìn)行,并及時采取適當(dāng)方法處理檢測出的不合格構(gòu)件。
施焊完成后,應(yīng)及時清除飛濺物及焊渣,再用焊縫量規(guī)、放大鏡等工具對焊縫外觀進(jìn)行檢查:一級焊縫不得存在未焊滿、根部收縮、咬邊和接頭不良等缺陷;一級焊縫和二級焊縫不得存在裂紋、夾渣、焊瘤、燒穿、弧坑、針狀氣孔和熔合性飛濺等缺陷。外觀質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001的Ⅰ級規(guī)定。
焊縫焊腳尺寸、焊縫余高及錯邊應(yīng)符合《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002有關(guān)規(guī)定。
焊縫焊接完成后,校驗(yàn)焊縫外觀和尺寸合格后,進(jìn)行磨光、磨平處理;且焊縫冷卻時間≥24h后,按設(shè)計要求采用超聲波探傷儀對全熔透焊縫進(jìn)行檢測,以確保工程焊接質(zhì)量100%合格,其內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)應(yīng)符合下列要求:①一級焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的檢驗(yàn),其合格等級應(yīng)為現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級法》(GB11345)B級檢驗(yàn)的Ⅱ級及Ⅱ級以上;②二級焊縫應(yīng)進(jìn)行抽檢,抽檢比例應(yīng)不小于20%。其合格等級應(yīng)為現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》(GB/T 11345-2013)B級檢驗(yàn)的Ⅲ級及Ⅲ級以上;③對不合格的焊縫,根據(jù)超標(biāo)缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息,采用刨、切除,砂磨等方法去除后,以與正式焊縫相同的工藝方法進(jìn)行補(bǔ)焊,其核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相同[19]。
??趪H金融中心項(xiàng)目工程鋼骨柱具有施工難度大、質(zhì)量要求高,工期緊等特點(diǎn)。筆者主要從鋼骨柱加工制作、吊裝、安裝及校正、焊接、檢測這5個方面詳細(xì)闡述了十字形鋼骨柱施工技術(shù)在工程中運(yùn)用的操作重點(diǎn)、要點(diǎn)及控制點(diǎn)。通過制定科學(xué)合理的施工技術(shù)方法,嚴(yán)格組織和優(yōu)化施工,確保了鋼骨柱的施工進(jìn)度、質(zhì)量及安全要求,從而保證了該建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和工期滿足要求,也為海南地區(qū)今后該類十字形大截面型鋼混凝土柱的施工提供了范例。
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