大截面工字钢梁腹板加开风管大孔制作工法.doc

大截面工字钢梁腹板加开风管大孔制作工法
苏州**建建筑集团有限公司

1 前言
近年来轻钢厂房对厂房内部净空的需求越来越大，而腹板开孔吊挂风管，可以在不改变檐口高度与结构大小的情况下，有效的减少因梁下吊挂风管而减少的净空。从而使增加净空的成本降低。
腹板开圆孔，与柱形风管相互映衬，使整个厂房上部空间更紧凑，空间感更强，比单一的实腹梁更整齐、美观。
由于上述原因，大截面工字钢梁腹板加开风管大孔的结构形式，深受业主的喜爱，在近年的钢结构建筑中，越来越广泛的被运用。

图1.1 钢结构厂房内的风管孔

2 工法特点
本工法适用于8～12mm厚钢板开孔，开孔直径大于1/2梁高。
大截面工字钢腹板加开风管，主要优点为避免了钢梁下部吊风管，在确保结构稳定性的情况下，有效的增加了厂房净空。
主要难点体现在，截面大腹板平整度难以控制，结构稳定性差。
本工法采用采用数控切割机，来保证圆弧的精确性。
采用留点切割法，有效的减少了因平整度原因产生的校正程序，从而大大减少了返工的现象。
通过对总装胎架的测量与复核，来增加加固环板拼装的精确度。
采用双人对称焊，减少由于焊接引起的变形。
通过加固来确保钢梁腹板的平整度与稳定性。

3 适用范围
该大截面工字钢梁腹板加开风管大孔制作技术广泛应用于各种对厂房净空要求高，风管较多的大跨度钢结构体系中。

4 工艺原理
火焰切割开孔通过大型通用有限元ANSYS计算软件分析，通过仿真模拟计算出焊接变形及控制变形在规范范围的留点数量、分布。
本仿真过程直接耦合温度场单元和位移场单元，在计算时采用了建立在子步级别上得耦合方式。即：将时间划分成足够小区间（子步）在每一个区间内先进行瞬态热分析，求解结束后将热流梯度最大时刻的结果存入单元表中。然后进行单元转换，以相同的几何模型单元划分，进行结构分析。
首先，先计算直接切割产生的变形。如图4.1所示：

图4.1直接开孔后的梁变形示意图
直接切割一般会对腹板的平整度产生较大影响。超过规范要求。
然后，计算留点不切割，对腹板平整度产生的影响。

图4.2 留点切割后的梁变形示意图

模拟留点数量及分布，直至腹板变形符合规范要求（腹板局部平整度小于3mm）。如图4.3所示，采用留四个点，点与点之间的夹角为90度，每个点长度为15mm。

图4.3 留点分布及长度
计算完毕，通过确定的留点数量、分布后，采用火焰切割机开孔，留点部分不切割。在H型钢焊接后，去除一半留点，释放部分应力，减少焊接变形。再在H型钢梁总装时，切除剩余留点。
总装时，严格复核总装胎架的精度，保证总装质量。
H型钢腹板开孔采用加固圆环。
加固板采用双人对称焊接，减少由于不对称焊接引起的变形。

5 施工工艺、流程及操作要点
火焰切割（留点）
H型钢组装
型钢焊接（去除一半留点）

圆环加工
加固圆环装配
拼装胎架的复核

5.1 操作流程
5.1.1 火焰切割钢板
切割前应将钢材表面切割区域内的铁锈、油污等清除干净；切割后断口上不得有裂纹和大于1.0mm的缺棱，并应清除边缘上的熔瘤和飞溅物等。
切割截面与钢材表面不垂直度不大于钢材厚度的10％，且不得大于2.0mm。
火焰切割钢板采用留点切割法，首次切割时应留8点，防止焊接应力一次性释放。通过留点切割法，腹板的局部平面度控制在1～2mm。
在钢板上切割圆环时，为防止因温度不匀造成钢板弯曲，在切割过程边切割边留点，在组立，自动焊接，校正之后再去除，大大减少了钢板变形。
切割时先在钢板上放出完整的切割线，及留点的位置要求，切割完成后钢板进行组立，焊接，校正之后平面度控制较好。

图5.1.1 切割机留点切割

5.1.2 H型钢组装
H型钢组装时，依次将下翼缘板、腹板送入H型钢组立机，仔细检查就位位置，并逐步调整到位。
然后启动组立机，由两台CO2气体保护焊机自动定位点焊。若发现自动点焊有质量问题时，应由合格焊工补焊。
H型钢组装后的焊接顺序是四条T型接头焊缝 → 加筋板焊缝 → 底板和刀板焊缝，焊缝可采用埋弧自动船形位焊，CO2气体半自动焊和手工电弧焊。

5.1.3 H型钢焊接
钢梁翼缘板及腹板的拼接焊缝为全熔透对接焊缝，焊缝等级二级。焊接时应在焊件两端配置起弧和收弧板，其材质和坡口型式应与焊件相同。焊接完毕用气割切除并修磨平整，不得用捶击落。
要求等强度的对接焊缝，除按设计要求开坡口外，为了确保焊缝质量，在焊完坡口一面的焊缝后，反面焊接前宜采用碳弧气刨刨焊根，并清理根部氧化物后才进行焊接。
焊接完毕后，去除环孔留点的一半，继续释放焊接应力。

图5.1.3留点示意图

5.1.4 装配胎架的复核
胎架是在构件装配阶段确保构件不产生变形和构件准确生产的重要保证，胎架的好坏直接决定着构件成型的好坏。
因为在大截面工字钢梁腹板加开风管大孔的制作过程中装配阶段需要切割钢板，加入圆环，更加容易发生变形。
使用水平仪及靠尺对加工胎架测量和复合，保证胎架精度控制在±1.5mm。
胎架水平度控制在±1.5mm。
大截面工字钢梁腹板加开风管大孔对于胎模的要求大于普通钢梁总拼时的要求。
经过将胎架分割为1米*1米的网格，对网格上各点准确的测量及调节：

图5.1.4-1胎架网格划分图

图5.1.4-2钢构件在胎架上装配
5.1.5 加固圆环的制作

在圆环加工前先测量钢板的宽度是否控制在±1.5mm。准确调试弯圆机器，并且对成型圆环进行复测和校正。
圆环弧度控制较好，圆环100％达到无明显凹凸，无影响下道焊接工序的变形,圆环最大半径与最小半径之差控制在2mm。
使用地膜上放出1000 mm圆环式样，将加工好的圆环放置在该式样上，测量圆环相对于该样式的半径误差。
圆环的加工经过100％的检测，有明显的凹凸及其他缺陷均不允许进入下道工序加工，以免影响构件成型。

图5.1.5 加固用圆环
5.1.6 加固圆环的装配
采用双人围焊，减小变形，安排有经验的电焊人员，两人同时进行焊接工作，减小因焊接造成的变形。
先进行点焊固定之后再进行后续的双人同时焊接保证焊接温差造成的变形降到最低。

图5.1.6 开孔加固后的梁

焊接时钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形。包括缩短、角度改变、弯曲变形等。
焊接变形对构件的平整度有极大的影响；尤其是单面进行焊接时，圆环及钢板受热不匀产生变形，再进行反面焊接，变形加重。
因此，采用双人双面对等同时进行焊接十分重要，对等进行焊接时候，钢板及圆环两边同时受热，同时进行冷却，应力相互抵消，可以明显减小焊接引起的变形。

6 材料与设备
6.1 材料
钢材材质主要为Q345B钢及Q235B钢。钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值应不小于1.2。钢材应具有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20％。钢材应具有良好的可焊性和合格的冲击韧性。
手工焊接用焊条的质量，应符合现行国家标准《碳钢焊条》(GB 5117)或《低合金钢焊条》(GB 5118)的规定。选用的焊条型号应与主体金属相匹配。自动焊接或半自动焊接采用的焊条和焊剂，应与主体金属强度相适应，焊丝应符合现行国家标准《熔化焊用钢丝》(GB/T 14957)或《气体保护焊用钢丝》(GB/T 14958)的规定。
Δ 用于国产Q235B钢材间的焊接手工焊采用E43xx型焊条焊剂，埋弧自动焊采用H08Mn2SiA焊丝
Δ 用于国产Q345B钢材间的焊接手工焊采用E50xx型焊条焊剂，埋弧自动焊采用H08Mn2SiA焊丝，配合HJ430焊剂。
Δ 用于国产Q345B与Q235B钢材间的焊接，焊接材料按Q235B钢材间的焊接考虑。

6.2 机具设备配备
序号
机械或设备名称
型号规格
数量
国别
产地
制造
年份
额定功率
（KW）
1
液压折弯机
WC6TY-125型X3200
1
中国
2004
3.2
2
校平机
JPB11-16X2000
1
中国
2004
2
3
液压矫正机
YTJ60
1
中国
2004
6
4
H型钢组立机
Z20
1
中国
2004
20
5
H型钢龙门式焊接机
CHA
1
中国
2004
10
6
数控直条火焰切割机
CNC-CG4000A
1
中国
2004
40
7
逆变式气保焊机
NBC
5
中国
2004

8
逆变式直流弧焊机

5
中国
2004

9
松下气保焊机

5
中国
2004

7 质量控制
7.1施工质量严格按照《钢结构质量验收规范》GB50205-2001执行
7.2施工质量保证质量方法如下：
序号
要因
对策
目的
措施

1、
胎架上表面水平度误差
使用水平仪及靠尺重新进行测量。
使钢梁总拼时保证水平度，钢构件在总拼时不自身产生变形，控制在正负1.5mm之内。
1.使用水平仪对胎架进行全面测量。每平米测量4个基准点，控制在1.5mm
2.使用水平靠尺复测。
2、
单人围焊变形大
改变车间焊接方法
减小电焊应力集中对钢梁平面度的影响，垂直度控制在1.5mm之内。
1、焊接该圆环时采用两人对称焊
2、完善焊接操作工艺，降低焊接变形的频率
3、
圆环加工不到位
采用精加工钢板弯圆，多次多点测量
保证圆环质量，弧线均匀无凹凸。弧线凹凸控制在2mm之内。
购买优质钢板，宽度控制在正负1～2mm
弯圆后进行16点测量，检查有无明显凹凸现象
4、
钢板火焰切割变形
在火焰切割过程中采取留点切割法。
控制钢板在火焰切割时因冷却时间不一造成的弯曲变形，变形控制在2mm之内。
切割圆环时设计8个留点，待组装时再切割一半，拼装装配时切割剩余点

8 安全措施
贯彻执行劳动保护、安全生产、消防工作的各类法规、条例、规定，遵守工地的安全生产制度和规定。
8.1施工负责人必须对职工进行安全生产教育，增强法制观念和提高职工的安全生产思想意识及自我保护能力，自觉遵守安全纪律、安全生产制度，服从安全生产管理。
8.2所有的施工及管理人员必须严格遵守安全生产纪律，正确穿、戴和使用好劳动防护用品。
8.3认真贯彻执行工地分部分项、工种及施工技术交底要求。施工负责人必须检查具体施工人员的落实情况，并经常性督促、指导，确保施工安全。
8.4施工负责人应对所属施工区域的施工安全质量、防火、治安、生活卫生各方面全面负责。
8.5按规定做好“三上岗”、“一讲评”活动，即做好上岗交底、上岗检查、上岗记录及周安全评比活动，定期检查工地安全活动、安全防火、生活卫生，做好检查活动的有关记录。
8.6对施工区域、作业环境、操作设施设备、工具用具等必须认真检查。发现问题和隐患，立即停止施工并落实整改，确认安全后方准施工。
8.7机械设备等设施，使用前需经有关单位按规定验收，并做好验收及交付使用的书面手续。租赁的大型机械设备现场组装后，经验收、负荷试验及有关单位颁发准用证方可使用，严禁在未经验收或验收不合格的情况下投入使用。
对于设施、设备的各种安全设施、安全标志和警告牌等不得擅自拆除、变动，必须经指定负责人及安全管理员的同意，并采取必要可靠的安全措施后方能拆除。
特殊工种的操作人员必须按规定经有关部门培训，考核合格后持有效证件上岗作业。严禁不懂电气、机械的人员擅自操作使用电器、机械设备。
8.8必须严格执行各类防火防爆制度，易燃易爆场所严禁吸烟及动用明火，消防器材不准挪作它用。施工现场配备有一定数量干粉灭火器，落实防火、防中毒措施，并指派专人值班。
未经交底人员一律不准上岗。

9 环保措施
9.1认真贯彻执行有关规章制度，坚持文明施工，定期检查，保证在通风良好处焊接作业。减少使用对大气有污染的产品。
9.2对必须使用的污染物，应派专人看管，严格控制使用数量，以免过多使用造成对大气的污染。
9.3施工现场的场内成品、半成品须合理堆放、整齐有序，堆场外禁止堆放任何机具、材料和杂物、垃圾。
9.4施工场所，设专人负责清洁管理。
9.5应当采取有效措施，控制施工现场产生的各种粉尘、固体废弃物。
9.6固体垃圾应按可降解垃圾及不可降解垃圾分开，以方便资源的再利用。
9.7施工时，注意各台设备产生的噪声会互相叠加，所以，应适时集中机械使用。严格控制噪声产生的时间，尽量保持在八小时以内。
9.8采用新技术、新工艺、新设备、新材料以及自动化、密闭化措施，用低噪声的设备和工艺代替强声的设备和工艺，从声源上根治噪声。控制夜间施工更应注意控制噪音，减轻施工机械产生的噪音。

10 效益分析
由于控制了腹板局部平面度的变形，减少了机械与人工对H型钢矫正的时间。每生产一根梁平均节省4人，节省了人工费。腹板平整度得到保证，减少了校正的工作量，减少了校正的机械费及辅材费。同时加快了施工进度。

11 应用实例
11.01应用实例一 2007年，我公司承建的海瑞恩有限公司钢结构工程主厂房①～轴长约127.5米，～轴长105米，面积约13618.5m2。高低跨。高跨跨度21.25米，屋脊标高10.88米，檐口高度9.75米。吊车梁牛腿高5.8米。底跨跨度27.5米，屋脊标高7.15米，檐口高度6.7米。屋面排水坡度3％。
由于控制了腹板局部平面度的变形，减少了机械与人工对H型钢矫正的时间，一共生产钢梁208根 平均节省4人 共计人工费8.32万元，辅材费1.2万元，机械费0.8万元，扣除QC活动经费0.30万元，共计节约成本：人工费+
辅材费+机械费-QC活动费=10.02万元。节约调整时间208根共分为20批出场，每批原计划矫正2 天 20*2＝40天，构件制作时间减少了40天，加快了施工进度。