既有鋼結(jié)構(gòu)立柱焊接牛腿方案淺探

許大海

摘要 本文結(jié)合某船用柴油機(jī)廠在裝配車間廠房時利用原廠房的立柱增加屋蓋,并在原廠房的立柱上加焊牛腿的改擴(kuò)建工程,對牛腿焊接的可行性及牛腿的焊接方案進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)立柱;焊接牛腿;施工方案

中圖分類號 TG4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)07-0061-03

1 工程概況

為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,某船用柴油機(jī)廠擬對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行改擴(kuò)建,其中新建裝配二車間是在既有的裝配車間和機(jī)加工車間之間利用既有廠房的立柱增加屋蓋(見圖1:立面圖)。新建裝配二車間主跨30m,副跨18m,長度126m,單層鋼結(jié)構(gòu),面積約6 450m2。車間內(nèi)設(shè)40t行吊2臺,利用既有鋼結(jié)構(gòu)柱作為行吊的承重柱,為不影響原有車間的生產(chǎn),需要在既有鋼結(jié)構(gòu)柱加焊牛腿。

圖1:立面圖

2 牛腿焊接可行性分析

1)首先,進(jìn)行力學(xué)檢算,建立力學(xué)模型,以原裝配車間單榀屋架為研究對象,利用3D3S軟件繪制出屋架的N圖、Q圖、M圖。原裝配車間鋼立柱截面H450×300×8×14,屋架截面H(700-500)×180×8×10,跨度18m,榀間距6m,在不考慮吊車作用力的情況下,取屋面恒荷載0.3kN/M2, 6M長吊車梁帶鋼軌重量取10kN。(圖2:單榀屋架受力示意圖,圖3:屋架的N圖,圖4:屋架的Q圖,圖5:屋架M圖)。

圖2單榀屋架受力示意圖 圖3屋架N圖(kN)

圖4屋架Q(kN) 圖5屋架M圖(kN·M)

為方便計(jì)算,假設(shè)在焊接吊車梁牛腿時,H鋼立柱與焊接牛腿接觸的翼緣不參與受力,H鋼按T型鋼考慮,吊車梁牛腿實(shí)焊處T型鋼截面應(yīng)力為拉應(yīng)力:

σt=Mmax/W+FN/A

σt ,牛腿處T型鋼截面處應(yīng)力

Mmax ,牛腿處彎矩,為33.2KN·M

W ,彎曲截面系數(shù) , T型鋼T450×300×8×14彎曲截面系數(shù)Wmax=1396.99cm3,Wmin=414.1 cm3

FN , 牛腿處截面壓力,為46.6kN

A , 牛腿處危險處截面積,型鋼T450×300×8×14截面積為75.76 cm2

σt=Mmax/W+FN/A

=33.2×103/(414.1×10-6)-46.6×103/(75.76×10-4)

=74.02MPa

σt遠(yuǎn)小于Q345鋼材屈服強(qiáng)度310MPa,同時既有柱的施焊處已經(jīng)設(shè)有加筋板,也保證了翼緣板、腹板的局部穩(wěn)定性。

2)為了不影響既有車間生產(chǎn),在既保證牛腿與既有柱現(xiàn)場焊接質(zhì)量,又能提高現(xiàn)場施工進(jìn)度的情況下,牛腿與既有柱焊接選用單面焊雙面成型的焊接工藝。

3)為防止焊接連接處在焊接過程中出現(xiàn)層狀撕裂等焊接缺陷,避免產(chǎn)生局部應(yīng)力,在牛腿現(xiàn)場焊接工藝上采用預(yù)熱(約150~250℃)、緩冷和錘擊等方法。

4)為避免因新增牛腿結(jié)構(gòu)焊接而引起的結(jié)構(gòu)變形,采用以下焊接順序:

即先焊接牛腿腹板,再依箭頭方向順次施焊,避免既有柱翼緣板因局部受熱失穩(wěn)而變形。

5)在施工過程中采取相應(yīng)安全防護(hù)措施,同時要求行吊距操作處最小距離為10m,以此保證施工和既有車間安全生產(chǎn)。

6)充分考慮原有行吊的運(yùn)行狀態(tài)。操作平臺搭建時要求在保證施焊順利的條件下盡量縮減橫向空間,避免和行車滑觸線接觸,以保證安全生產(chǎn)。

7)做好現(xiàn)場測量,在正式施焊前先試焊一單件,對比鋼柱施焊前后尺寸變化,并進(jìn)行焊縫探傷分析,合格后再通焊。

3 施工工藝流程

3.1 流程圖

既有結(jié)構(gòu)測量(包括既有柱、牛腿標(biāo)高和垂直度)→既有柱附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除→既有柱新增牛腿部位表面清除防火涂料、油漆→新增牛腿找點(diǎn)、初步定位點(diǎn)焊→測量精確定位→修正牛腿→焊接牛腿。

3.2 新增牛腿安裝標(biāo)高的控制

新增牛腿標(biāo)高,直接在已有鋼柱標(biāo)記,往上引一固定尺寸得一點(diǎn),將同軸線新增牛腿均固定在該同水平位置。

3.3 新增牛腿構(gòu)件復(fù)查

現(xiàn)場焊接作業(yè)前由現(xiàn)場質(zhì)檢員依據(jù)GB50205-2001《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》對檢查焊接構(gòu)件的坡口、間隙、鈍邊等做現(xiàn)場檢查。

3.4 焊縫周圍區(qū)域的清除

清理既有柱焊接部位30mm范圍內(nèi)的防火涂料、油漆、鐵銹、油污、水分、灰塵等雜物。

3.5 新增牛腿安裝垂直度的控制

先使牛腿腹板中線與原有柱翼緣板中線完全重合,用經(jīng)緯儀復(fù)核其垂直度,調(diào)整后再通焊固定。

3.6 新增牛腿安裝水平度的控制

在牛腿整體焊接前,先點(diǎn)焊上翼緣板于柱身已測得標(biāo)記處,用水平尺復(fù)核其水平度及時調(diào)整后再通焊固定。

3.7 新增牛腿安裝過程的控制

在牛腿、既有鋼柱的整個焊接過程中,設(shè)有專職測量人員,對牛腿的垂直度和標(biāo)高、水平度進(jìn)行監(jiān)測。

4 新增牛腿焊接施工方案

4.1機(jī)械設(shè)備選用

電焊機(jī)的選用:本工程的焊接方法為手工電弧焊,焊條規(guī)格最大為φ5.0mm,選用ZX7-400型手工直流電弧焊機(jī),采用直流反接。焊機(jī)完好,接線正確,電流表、電壓表完好,電源線安全可靠。選用塑性韌性好、含氫量低及抗裂性能好的E5015堿性焊條(即低氫焊條),且焊前烘烤,施焊過程采用保溫桶防潮。

4.2技術(shù)措施

牛腿與既有柱現(xiàn)場焊接是本工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn),為了不影響兩側(cè)車間正常生產(chǎn),在保證施工質(zhì)量、又能提高施工進(jìn)度的前提條件下,制定合理的焊接技術(shù)工藝是關(guān)鍵。先清理既有柱焊接部位的油漆、鐵銹、油污、水分、灰塵等雜物。

1)上下翼緣板與立柱焊接

(1)采用手工電弧焊,牛腿上下翼緣板均開單邊V型坡口,底面采用墊板,分3層焊接。具體型式如下圖:

(2)第1層打底用φ=3.2的焊條,焊接參數(shù)在滿足要求的條件下盡量減小;第2、3層選用直徑為φ=5.0 的焊條。焊接間隙b=6,坡口角度α=45°,鈍邊P=2,焊角尺寸hf=8。當(dāng)焊接第2層時,焊接方向應(yīng)與第1層方向相反,以此類推。每層焊接接頭應(yīng)錯開15～20mm。

(3)工藝參數(shù)

第1層焊接 第2、3層焊接

I=100～130A I=170～190A

U=21～25VU=25～28V

焊速100～160mm/min 焊速100～160mm/min

2)腹板與立板焊接

(1)開K型坡口,對稱焊,具體型式如下:

(2)坡口角度為α=45°,鈍邊P=2,h1=h2=4, 焊角尺寸hf=8。

(3)工藝參數(shù)

I=100～130A

U=24～26V

焊速60～120mm/min

3)焊接順序

先焊接鋼牛腿腹板且上下預(yù)留50mm不焊,再焊接上翼緣且從兩邊向中間焊接(下翼緣與上翼緣板同時施焊,兩名焊工在焊接時的焊接電流、焊接速度和焊接層數(shù)應(yīng)保持一致),最后補(bǔ)焊,順序如下圖所示。

4)墊板、引弧板,引出板裝配要求:

(1)焊接墊板材質(zhì)為Q345B,兩端伸出各60mm。引、熄弧板的材質(zhì)和被焊母材相同,坡口型式與被焊焊縫相同,焊接完成后用火焰切割去除引弧板和引出板,并修磨平整。

(2)鋼襯墊的定位焊在接頭坡口內(nèi)焊接。定位焊焊縫與最終的焊縫相同,所有焊材與正式施焊的質(zhì)量要求相同。

5 結(jié)論

通過第三方現(xiàn)場對焊縫進(jìn)行檢測和監(jiān)理檢查,牛腿與柱的焊縫均合格,達(dá)到一級焊縫要求,既有鋼結(jié)構(gòu)立柱未發(fā)生變形。本工程通過理論計(jì)算后,無需對既有柱進(jìn)行加固,避免了工程盲目投入,節(jié)約了工程成本,又確保了安全,為今后類似加焊牛腿工程提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)正庭,等.最新鋼結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計(jì)手冊.南寧:廣西科學(xué)技術(shù)出版社,2003,8.

[2]龍馭球,包世華主編.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程(Ⅰ).北京:高等教育出版社,2000,7.