大跨度变截面异形型钢结构施工工法.doc

大跨度变截面异形型钢结构施工工法 编 写： 2003年11月大跨度变截面异形型钢结构施工工法一、前言型钢混凝土组合结构正越来越多地运用在大跨度或体形不规则的公共建筑中。在“建设部关于印发超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点的通知”（建质2003 46号）文中，型钢混凝土组合结构被列为加强建筑物抗震措施的结构之一。这种结构具有跨度大、刚度大、强度高、自重轻等优点，型钢构件安装完毕后作为骨架包裹在混凝土内。与预应力结构相比，减少了施加预应力、锚固锁定等工序。其刚度则是普通混凝土结构无法比拟的，较大地提高了建筑物抵抗地震的能力，在大跨度或体形不规则的公共建筑中采用较多。贵阳市金阳新区市级行政中心的会议中心、市委办公楼、市政府办公楼、市人大办公楼工程均有型钢混凝土组合结构。会议中心的椭圆形礼堂，跨度36m44m，阶梯式地面高差5.2m（图1：型钢构件立面图），采用型钢混凝土组合结构，设有型钢柱16根，型钢梁6根（图2：型钢构件平面图），均为“工”字形截面。该工程的型钢梁几何形状很不规则，有折线形、弧形，构件截面及标高变化不一且相互交叉。弧形梁的圆弧半径为34.9m，跨度42.6m，折线形钢梁的最大截面为400mm1500mm，最大跨度39.8m，钢板厚度40mm。因构件的几何形状较为复杂，给构件放样和制作安装都带来了较大的困难，经过反复比较和论证，确定了应用计算机及其辅助系统CAD对构件进行精确放样，安装过程应用调整段消除构件安装误差的方案，确保了型钢柱、梁的成功对接，使构件制作实现标准化、工厂化，提高了生产率，施工方便，经总结形成本工法。二、工法特点1.应用计算机及其辅助系统CAD，对标高变化、截面变化、相互交叉、跨度大的复杂构件进行精确放样，以及设计节点连接形式。2.利用经纬仪、水平尺及可调节螺栓等，在浇筑混凝土过程中监控和调整基础垫板的平面位置和标高，控制柱平面位置及标高符合设计要求。3.梁柱连接节点处，连接梁和柱的柱垫板应在安装梁时再与柱焊接，以消除柱平面位置偏移的影响。4.利用调整段构件，消除多段构件连接时产生的误差累积，确保复杂构件成功对接。非调整段可按图标准化生产，生产率高。5.构件可在工厂内生产，有利于建筑工业化。三、适用范围适用于大跨度、变截面、折线形、弧形等几何形状复杂的型钢结构，尤其是多段连接的型钢结构。四、工艺原理对于几何形状复杂的构件，其放样精确度至关重要，也是确保构件加工图准确无误的关键。随着计算机的普及和应用技术的发展，为复杂形状的构件放样提供了较好的条件。应用CAD，以1:1的比例将型钢结构的平面图及立面图在计算机上绘出，则构件的规格尺寸、相互间的距离、角度可直接在计算机上标注出来，不需要进行大量的距离、角度计算，而且精确度高，避免了放样误差对构件制作的影响，放样误差在构件加工制作时已可忽略不计。解决了放样困难的问题后，再来研究构件制作及安装误差的问题。误差是客观存在的，构件在制作和安装过程中不可避免地带有误差。型钢结构的误差（位置偏移或结构变形）主要有以下4个方面：1.制作误差：制作技术、设备本身不尽完善，引起构件几何尺寸误差，如焊接变形引起尺寸偏差等；2.安装误差：受制作误差及安装时的焊接变形等影响，产生安装误差。因构件为多段拼接，误差将随着构件段数量的增加而累积；3.浇筑混凝土时对钢构件产生侧压：导致构件位置偏移；4.混凝土收缩徐变：可能引起型钢结构变形。如果误差过大（构件对接处错边允许偏差为3mm），将造成构件对接处截面错边量大，产生应力集中，对结构受力不利，甚至构件完全无法合拢。因此，削弱和消除误差，保证构件合拢时能准确对接，是钢结构安装的关键。针对这一问题，本工法提出了应用调整段处理误差累积的方法，即根据现场安装的实际情况，量身定做调整段，确保了构件合拢，使得可能出现的错边现象变为平滑过渡连接，成功地解决了误差累积问题。五、工艺流程及操作要点、工艺流程基础垫板定位构件放样 首段钢柱焊接确定分段位置中间段柱焊接构件出厂钢板下料梁柱节点安装构件焊接型钢梁拼接合拢焊缝检测隐蔽验收浇筑混凝土焊缝检测构件验收构件制作流程图构件安装流程图、操作要点1.制作构件放样 应用计算机及其辅助系统CAD，在计算机上以1:1的比例进行构件放样，根据结构施工图中构件的平面位置和标高，在计算机上建立构件的空间图形来对工程实体进行研究，弄清构件的空间位置和相互关系后，确定节点连接方式。首先绘制构件的平面图和立面图，再逐一分解，绘制单个构件的分段加工图（图3：STL-1大样图），然后绘制节点大样、标注细部尺寸，以此对构件的制作和安装进行交底和指导。在会议中心的实际施工中，应用计算机进行放样的方法，很好地解决了弧形、折线型变截面钢梁的放样，且精确度高，连接处螺栓孔的位置偏移都在容许范围内。如实例中的STL-2、2a、3、3a的、段螺栓连接，及STL-4的直线与弧连接处螺栓孔的定位，即是在计算机上绘出图形后，再定螺栓孔位，经实践证明，是较为成功的。构件分段 构件分段应综合考虑以下几点：a.受力位置，构件连接处不宜设在受力较大处，柱分段位置应避开楼板上下各1/6层高范围，梁分段位置应避开跨中1/3跨范围；b.起重设备（如塔式起重机）的最大起重能力，构件单段重量应避免超过起重设备的最大起重量；c.构件连接形式，构件交叉处，有些构件是在节点处断开，通过节点连接的，构件本身已自然分段（如工程实例中的STL-2、3）；d.根据钢板原材料规格分段，按材料规格自然分段，可节约材料用量，避免浪费。如工程实例中的弧形梁STL-4，将钢板按板材规格长度下料后再进行弯曲，使弧形梁的下料节约了近1/3的钢板。钢板下料 a.坡口，应优先采用“X”形双面坡口，双面坡口容易焊透，而单面“V”形坡口不易焊透，只有在施工现场无法采用双面焊时才考虑采用“V”形坡口形式；b.两段构件连接处的焊缝应错开（翼缘板和腹板）350mm以上；c.根据构件加工图，确定钢板下料图，如钢板需要拼接，须标出钢板拼接位置，拼接焊缝应做射线照相检测，钢板的拼接位置不宜设在受力较大处。构件焊接 构件焊接时，先焊接支撑将钢板固定就位，截面几何尺寸经检查合格后，双面对称施焊，避免构件受热不均而变形；亦可间歇施焊，避免持续高温导致构件变形，间歇时长以钢板温度降到焊接作业前的温度为宜。构件焊缝检测 构件焊接成型后，须做焊缝检测评定，检测优先采用超声波探伤检测（钢焊缝手工超声波探伤方法和结果分级法GB11345），对超声波探伤检测不能评定的焊缝，可作射线照相检测评定（钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级法GB3323）。成品验收 按钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）标准对构件进行验收。2.安装基础垫板定位 首先用经纬仪将垫板平面位置测出，并在砼面上弹墨线，作为垫板平面位置的控制线；然后在柱钢筋上测定标高点，作为垫板标高的参照点；并利用可调节螺栓和水平尺，控制垫板的水平度，避免垫板表面倾斜；最后浇筑混凝土，将基础垫板用螺栓锚固在基础混凝土上。在浇筑混凝土过程中拉线控制垫板平面位置、尺量控制垫板标高、水平尺靠量垫板水平度，须由专人监控。首段钢柱焊接 在垫板上测出钢柱位置，并弹出控制墨线，用塔吊将钢柱吊至垫板上空5mm处暂停，校准位置后下降固定在钢垫板上，检查钢柱垂直度合格后点焊固定，然后对称分层施焊至焊缝焊满。中间段钢柱焊接 中间段钢柱焊接时应先检测柱截面的尺寸，避免误差累积造成截面偏离过大，产生应力集中。上下柱对接校正后点焊固定，然后分层施焊，先焊立缝，后焊平缝。梁柱节点处如有钢筋需穿过钢柱腹板时，应先根据钢筋标高计算并确定钢筋在钢板上穿孔的位置（在工厂内制孔，严禁现场穿孔）。如钢板不能穿孔，可在钢柱上焊接钢牛腿，然后将钢筋焊接在钢牛腿上（钢筋在钢牛腿上的支承长度应不小于15d），以解决钢筋水平锚固长度不足的问题。梁柱节点施工要点 梁柱连接包括螺栓连接和焊接连接。螺栓连接应注意梁翼缘板的螺栓孔与柱垫板的螺栓孔位置不能对齐（柱平面位置偏移）的问题，如实例中的KZ-1、3、5、7的段，即是通过柱垫板与梁下翼缘板用螺栓连接。在安装过程中应考虑柱平面位置偏移的影响，如果柱垫板的螺栓孔位与梁翼缘板的螺栓孔位偏离过大，则上下孔位不能对齐，螺栓无法穿过螺栓孔连接。因此，在加工钢柱的段（调整段）时，柱垫板与柱暂不焊接，必须等到梁与柱连接安装时再将柱垫板与柱截面焊接，这样就将柱的位置偏移转化成了焊缝（柱与柱垫板）的位置偏移，解决了钢柱平面位置偏移的问题。钢梁组对及合拢 因梁跨度较大，为便于安装，梁均分段制作，现场组对合拢。而在安装过程中，安装误差是不可避免的。为解决这一问题，本工法提出了应用调整段来解决安装误差的方法，即在安装梁时，每根梁均由两端向中间合拢，最后合拢时安装的一段即为调整段。调整段处于水平位置时，采用加长该段下料长度的方法，可提前加工，待非调整段(段、段)全部安装固定后，现场实测调整段长度，切割超长部分，即得调整段长度，同法可测量出螺栓孔的准确位置；如调整段处于倾斜位置，则必须等到其它段（段、段）全部安装固定后，现场测量其倾斜角及斜长后，以现场测量的数据为准，修改原加工图，使加工出来的构件与现场实际尺寸相吻合，这样就解决了型钢梁对接时产生的安装误差。焊缝检测 构件安装阶段的检测要求同制作阶段,需进行超声波探伤检测或射线照相检测。构件验收 验收要求同制作阶段要求一致。外观、几何尺寸、节点处理、焊缝检测报告等项目均需检查。六、劳动组织序号工 种人数工 作 职 责1技术指导1绘制构件大样图、设计节点，指导施工。2土建工程师1协调钢筋、模板、混凝土各工种有序施工。3机械工程师1维修保养各种机械，保证正常作业。4吊装工程师1制定吊装方案。5放样工4钢板放样划线。6测工3测定变形或位移量。7起重工4构件吊装。8起重指挥2指挥吊装构件。9电焊工6构件连接焊接。10铆工2螺栓连接，铆焊。11探伤工1焊缝检测。12杂工6配合起重、安装、焊接作业。13安全员1巡视、检查作业现场，保障施工安全。合 计33根据本工法特点，型钢施工分为制作和安装两个阶段。制作可在工厂内完成，安装必须由培训合格的起重工进行吊装作业。构件安装过程需要与钢筋工种、模板工种相互穿插作业，应注意各工种间的协调配合。七、机具设备序号名 称规格型号单位数量备 注1龙门式起重机10t台1制作阶段2龙门式起重机20t台1制作阶段3轨道平车10t台1制作阶段4剪板机403100台3制作阶段5钢板校正平机302600台1制作阶段6刨边机12000台3制作阶段7交流电焊机40kA台3制作阶段8交流电焊机30kA台3制作阶段9恒温箱台2制作阶段10端部铣床台2制作阶段11经纬仪J2台2安装阶段12水平仪台1安装阶段13水平尺把4安装阶段14钢卷尺5m把4安装阶段15直流电焊机BX400台4安装阶段16手动葫芦5t个4安装阶段17保温筒个418烘箱台119滑轮3t个6安装阶段20气焊工具套1安装阶段21磨光机100型台4安装阶段22射线探伤机2520台123塔式起重机TC5015.09Y台1安装阶段24吊车1630t台1塔吊无法完成时采用八、质量控制本工法执行型钢混凝土组合结构技术规程、钢结构工程施工质量验收规范、钢焊缝手工超声波探伤方法和结果分级法及钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级法。九、安全措施1.型钢混凝土组合结构施工交叉作业多，各工种相互穿插，操作人员必须经过培训，持证上岗，按照安全操作规程作业。2.必须保证支架和操作平台稳定和坚固，随时检查，发现异常情况立即处理，并及时报告。3.构件作射线检测时，严禁非检测人员在作业场所内逗留。十、效益分析大跨度变截面异形型钢结构采用本工法施工，构件放样精确，节约材料，施工质量可靠，能保证多段异形构件的准确对接，可成功消除构件安装产生的误差累积，保证一次作业合格，并达到设计要求。非调整段构件生产实现工厂化和标准化，大大提高了生产率，降低成本。十一、工程实例贵阳市*会议中心型钢构件施工实践了本工法，取得了令人满意的效果。成功地解决了大跨度变截面异形型钢结构构件放样和制作安装过程中误差累积的问题；并在构件分段、焊接变形的控制、基础垫板的定位、梁柱节点安装等方面积累了一定经验；非调整段构件实现工厂化和标准化，提高了生产率，降低成本27万元，提前工期20天。二三年十一月