張秋生 徐開亮
概論
與傳統(tǒng)的日光溫室相比,連棟溫室具有施工速度快、土地利用率高、工廠化生產(chǎn)程度高、室內(nèi)溫光環(huán)境均勻等優(yōu)點,易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和管理。此外,連棟溫室具有外型美觀、內(nèi)部方便分區(qū)管理的特點,除用于花卉、蔬菜、水果種植外,還廣泛用于科研、生態(tài)餐廳、花卉展銷市場、觀光展示、種苗繁育、特種養(yǎng)殖等。從國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展情況看,現(xiàn)代化智能連棟溫室代表了設(shè)施農(nóng)業(yè)最高水平。
不少溫室從業(yè)人士常比較連棟溫室單位面積用鋼量,但討論溫室連接節(jié)點的并不多見。連棟溫室屬于輕鋼結(jié)構(gòu)類型,連接節(jié)點很多,節(jié)點設(shè)計和施工質(zhì)量的好壞對溫室使用壽命影響很大,因此連接節(jié)點的設(shè)計和施工是溫室工程中的重要內(nèi)容。工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念是在滿足承載力要求的前提下,做到強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件,即要使節(jié)點的承載力大于構(gòu)件的承載力,以保證構(gòu)件先于節(jié)點破壞。節(jié)點設(shè)計合理對國家來講可以節(jié)約資源,對施工單位來講可降低成本,也是一種隱形的利潤。從一些倒塌的溫室看,固然有風(fēng)、雪等荷載過大的外在自然因素,但或多或少存在節(jié)點處理不好的內(nèi)在因素。
連棟溫室柱腳連接節(jié)點是主要節(jié)點之一,常見的柱腳連接節(jié)點有很多連接方式,均是設(shè)計單位根據(jù)溫室類型、尺寸、各種荷載、施工單位習(xí)慣做法等因素確定的。本文將對實際中見到的柱腳節(jié)點連接方式從施工工藝特點、優(yōu)缺點等方面進(jìn)行簡單分析。
連棟溫室柱腳連接方式分類
連棟溫室柱腳連接方式根據(jù)受力計算分為兩種,即剛接(固結(jié))和鉸接。兩者區(qū)別是:剛接除了能承受軸心壓力和水平剪力外,還能承受彎矩,鉸接僅能承受軸心壓力和水平剪力,立柱可自由轉(zhuǎn)動,不能承擔(dān)彎矩。對于基礎(chǔ)以上部分完全相同的連棟溫室,剛接柱腳的基礎(chǔ)大于鉸接柱腳。半剛性連接則介于二者之間,在設(shè)計規(guī)范中并沒有反映出來,也就是在施工中做半剛性連接的理論依據(jù)還不是很成熟,業(yè)內(nèi)也尚未達(dá)成共識。
連棟溫室柱腳常見連接方式
立柱與預(yù)埋螺栓(扁鋼)連接
施工方法為基礎(chǔ)頂部有預(yù)埋螺栓(扁鋼),立柱底板(立柱根部)有安裝孔,現(xiàn)場直接緊固即可,是目前最常用的連接方式。按預(yù)埋螺栓的數(shù)量又有以下幾類:
◆ 1個預(yù)埋螺栓(有的采用預(yù)埋扁鋼)
我國從荷蘭引進(jìn)的很多溫室和部分國內(nèi)溫室施工單位采用此種連接方式,文洛型溫室最為常見,見圖1。此種方式是基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)留預(yù)埋螺栓(扁鋼),一次施工完畢,基礎(chǔ)頂部標(biāo)高即為立柱底部標(biāo)高,立柱底部與混凝土基礎(chǔ)直接接觸,傳遞荷載,為典型的鉸接方式。由于立柱不承受任何方向的彎矩,安裝時需要和桁架等構(gòu)件預(yù)先在地面拼裝,形成龍門架后立起來,再與預(yù)埋螺栓角鋼固定。
采用此種方式,在正常情況下,現(xiàn)場無焊接作業(yè),對鋼構(gòu)件鍍鋅層無影響,真正實現(xiàn)工廠化生產(chǎn),現(xiàn)場組裝。但其對基礎(chǔ)施工質(zhì)量要求很高,因連棟溫室一般建設(shè)面積較大,室內(nèi)立柱很多,基礎(chǔ)施工完畢后,立柱在水平方向調(diào)整余量很小,鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中可能立柱水平方向尺寸累積誤差很大,甚至超出要求很多,受上部鋼結(jié)構(gòu)的限制,最后安裝的部分立柱無法安裝,只能把基礎(chǔ)挖出(主要是獨立基礎(chǔ))重新定位或者重新進(jìn)行基礎(chǔ)施工,嚴(yán)重影響工期,見圖2。其次,基礎(chǔ)頂面實際標(biāo)高偏差超出設(shè)計標(biāo)高要求時不好調(diào)整,如基礎(chǔ)頂面實際標(biāo)高高于或低于設(shè)計標(biāo)高時,施工單位應(yīng)把基礎(chǔ)挖出,降低或提高基礎(chǔ)頂面標(biāo)高。但基礎(chǔ)頂面實際標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高時,有施工單位為圖省事,用水泥砂漿調(diào)整標(biāo)高,從外觀上看似乎達(dá)到了標(biāo)高要求,實際上水泥砂漿在此處的副作用顯而易見,混凝土基礎(chǔ)頂面與立柱底部為間接接觸,無法作為立柱的直接支承面,無法保證將上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載準(zhǔn)確地傳遞給基礎(chǔ),有可能造成立柱失穩(wěn),導(dǎo)致溫室倒塌,見圖3。
◆ 2個預(yù)埋螺栓(有的采用2個鋼膨脹螺栓)
此種連接方式雖可承受一個方向的一定彎矩,但承載能力很小,應(yīng)視為鉸接方式,其特點與1個預(yù)埋螺栓基本相同,見圖4。國外引進(jìn)的一些文洛型溫室,立柱在條形基礎(chǔ)上使用鋼膨脹螺栓固定,但基于國內(nèi)基礎(chǔ)施工水平和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對鋼膨脹螺栓的使用場合規(guī)定,在溫室中是否采用鋼膨脹螺栓應(yīng)有足夠的理論計算或?qū)嵺`驗證。
◆ 4個地埋螺栓
此種連接方式與民建的輕鋼結(jié)構(gòu)施工方法類似,基礎(chǔ)分兩步施工,見圖5。國內(nèi)某施工單位根據(jù)溫室內(nèi)立柱多的特點,創(chuàng)造了獨特的施工方法,即根據(jù)溫室跨度和開間數(shù)量,配備一定數(shù)量的工藝安裝板,板上已劃出安裝縱橫十字線,且板上孔大小和位置與立柱底板安裝孔完全一致,板定位時上下表面都有螺母,上表面4個螺母用于固定立柱底板,下表面4個螺母用于調(diào)整工藝安裝板標(biāo)高,板底面標(biāo)高即為立柱底板標(biāo)高。
施工順序為:驗槽并進(jìn)行地基處理后,以天溝方向相鄰幾個軸線的基礎(chǔ)為一組,以組為單位進(jìn)行施工,每組所有立柱位置留預(yù)埋螺栓,并安放1個工藝安裝板?;炷翝仓岸ㄎ还に嚢惭b板中心位置和標(biāo)高,并用工藝安裝板下面的某一個螺母作為立柱底部標(biāo)高標(biāo)記(這個螺母在后續(xù)施工過程中始終保持固定,其余3個螺母均可用于微調(diào),主要是調(diào)整立柱垂直度),工藝安裝板中心位置和標(biāo)高在混凝土澆筑時要求保持不變。第一次澆筑混凝土?xí)r,要求混凝土頂面標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高40~60 mm,回填土作業(yè)完成后撤走所有工藝安裝板,用于下一組基礎(chǔ)的施工定位,直至基礎(chǔ)第一次澆筑全部完成;將所有立柱、天溝、桁架等主要構(gòu)件全部安裝就位并檢驗合格后,用細(xì)石混凝土進(jìn)行二次澆注,將立柱底板與基礎(chǔ)頂面之間的空隙填實。
此種連接方式相當(dāng)于半剛性連接,可承受兩個方向的一定彎矩,立柱可獨立安裝,再安裝其他構(gòu)件,安裝效率高。使用工藝安裝板施工的優(yōu)點是,標(biāo)高容易調(diào)整;工藝安裝板上孔大小和位置與立柱底板安裝孔完全一致,任何時候都可保證在一組預(yù)埋螺栓群內(nèi)任意兩個預(yù)埋螺栓的中心距離不會發(fā)生變化,只要保證工藝安裝板水平方向位置準(zhǔn)確即可;工藝安裝板還可重復(fù)使用;以組為單位順序施工,基礎(chǔ)施工人員可分為兩組,一組為技術(shù)工人,主要進(jìn)行預(yù)埋螺栓的施工,工作重點是控制工藝安裝板位置準(zhǔn)確,另一組為普通工人,可進(jìn)行回填土等簡單作業(yè),兩組人員實現(xiàn)流水作業(yè),實現(xiàn)勞動力合理調(diào)配,連棟溫室面積越大,效率優(yōu)勢越明顯。缺點是如果水平方向偏差超過要求時不好處理,只能采用與1個預(yù)埋螺栓方式相同的處理辦法,或者把預(yù)埋螺栓高于立柱底板部分氣割掉,設(shè)法利用搭接法將立柱底板焊接在預(yù)埋螺栓的剩余螺桿上。
◆ 4個地埋螺栓和預(yù)埋鋼板于一體
此種連接方式是4個預(yù)埋螺栓和1個預(yù)埋鋼板于一體,提前在工廠焊接為一個整體,在現(xiàn)場一次澆筑到位,預(yù)埋鋼板頂部標(biāo)高即為立柱底部標(biāo)高,見圖6。此種連接方式相當(dāng)于半剛性連接,可承受兩個方向的一定彎矩,立柱可獨立安裝,再安裝其他構(gòu)件,安裝效率高。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)安裝后期,安裝積累誤差超過要求時,把預(yù)埋螺栓露出預(yù)埋鋼板部分氣割掉,立柱與預(yù)埋鋼板焊接,對水平方向偏差較大時可有一定的適應(yīng)性。預(yù)埋鋼板實際標(biāo)高偏差低于設(shè)計標(biāo)高要求時,可加鋼板調(diào)整。缺點是如果預(yù)埋鋼板實際標(biāo)高高于設(shè)計標(biāo)高,則不好處理。
立柱與預(yù)埋鋼板現(xiàn)場焊接
施工方法為基礎(chǔ)頂部留有預(yù)埋鋼板,無預(yù)埋螺栓,預(yù)埋鋼板上表面標(biāo)高即為立柱底部標(biāo)高,一次澆筑到位,立柱底板和預(yù)埋鋼板現(xiàn)場焊接,見圖7。優(yōu)點是立柱軸線位置在水平方向偏差較大時可有一定的調(diào)整,預(yù)埋鋼板標(biāo)高為負(fù)偏差,立柱安裝時可在預(yù)埋鋼板上加薄鋼板調(diào)整,采用此種方式主要原因是因為基礎(chǔ)施工質(zhì)量較差。缺點是如果預(yù)埋鋼板實際標(biāo)高高于設(shè)計標(biāo)高,則不好處理;采用現(xiàn)場焊接,原有鍍鋅層被破壞,同時還影響焊接質(zhì)量,焊后需要進(jìn)行二次防腐處理,防腐效果比熱浸鍍鋅差。溫室立柱壁厚大多在2.5~4 mm之間,如果立柱底部沒有焊接鋼板,直接與預(yù)埋鋼板焊接,對立柱底部性能影響更大,如果立柱底部焊有厚鋼板,厚鋼板直接與預(yù)埋鋼板焊接,焊接作業(yè)只是破壞厚鋼板的鍍鋅層,對立柱本身性能無影響,相比而言焊接厚鋼板要好的多,但還是無法解決二次防腐的問題。十幾年前建設(shè)的連棟溫室肩高在4 m左右、開間4 m居多,立柱截面尺寸、高度、質(zhì)量都不大,此種方式施工比較方便。近幾年,由于景觀溫室、生態(tài)溫室餐廳、展銷溫室等各種用途的溫室興起,溫室建設(shè)普遍向高大化發(fā)展,肩高達(dá)到6 m、8 m,有的甚至超過10 m,開間方向也在加大,達(dá)到8 m甚至更大,溫室內(nèi)立柱減少,導(dǎo)致立柱截面尺寸、質(zhì)量比原有立柱大很多,而溫室鋼結(jié)構(gòu)施工很少使用大型機(jī)具,立柱固定時穩(wěn)定性變差,施工存在危險性。
連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)安裝采用螺栓連接,現(xiàn)場組裝,業(yè)內(nèi)有一種觀點認(rèn)為,與柱腳采用焊接相比,柱腳采用預(yù)埋螺栓更方便拆除,異地重建。但筆者認(rèn)為此觀點值得商榷,首先是為什么要異地重建,筆者認(rèn)為非技術(shù)因素可能是造成異地重建的原因,如商務(wù)糾紛、市場變化、經(jīng)營管理不善、缺乏規(guī)劃等,有的是不得已而為之,有的是有意而為之。其次是拆遷成本,如果施工階段需要異地重建,造成的損失要少一些,但一定是某個方面出現(xiàn)問題。如果連棟溫室已經(jīng)使用幾年或十幾年以上,或許得不償失?;A(chǔ)、混凝土地面及水池等無法移走,只能產(chǎn)生建筑垃圾;按近幾年的行情看,鋼結(jié)構(gòu)部分的造價約每平方米一百多元,占溫室總造價比例不高,螺栓等連接件會有銹蝕,拆除不一定容易,且拆除作業(yè)對構(gòu)件會產(chǎn)生變形等傷害,尤其是溫室大量采用自攻自鉆釘現(xiàn)場施工,如溫室構(gòu)件之間連接、塑料溫室卡槽與溫室構(gòu)件、玻璃溫室及陽光板溫室鋁合金與溫室構(gòu)件連接、供水管線、供電線槽固定、很多溫室設(shè)備系統(tǒng)的小部件固定等,對鋼構(gòu)件的傷害甚大,異地重建對第1次傷害無法進(jìn)行修復(fù),還會造成二次傷害;供水、供暖、供電、灌溉管線等,經(jīng)過幾年使用,拆除后能否重復(fù)利用有待考證;對于溫室上應(yīng)用最廣的3種覆蓋材料,塑料薄膜本身幾年一換,不存在拆除問題,玻璃如果拆除、二次運輸安裝,破損問題無法避免,陽光板現(xiàn)有常見的固定方式除采用鋁合金型材外,也大量使用自攻自鉆釘鉆孔后與鋼構(gòu)件直接固定,決定了不應(yīng)進(jìn)行拆除和二次利用。綜合看,連棟溫室異地重建于國于民無利,從這個角度看柱腳采用預(yù)埋螺栓連接和焊接相比無優(yōu)勢可言。從技術(shù)角度看溫室鋼結(jié)構(gòu)常年處于高溫高濕的環(huán)境下,對防腐的要求很高,鋼構(gòu)件采用熱浸鍍鋅防腐處理工藝,現(xiàn)場組裝,柱腳采用焊接作業(yè),防腐性能變差,因此基礎(chǔ)施工質(zhì)量如果能夠得到保證,采用預(yù)埋螺栓連接方式應(yīng)優(yōu)于采用焊接方式。
預(yù)埋鋼管
此種方式國內(nèi)應(yīng)用較少,一般應(yīng)用于連棟塑料薄膜溫室,對基礎(chǔ)施工的精準(zhǔn)度要求低,見圖8。施工方法為:預(yù)埋鋼管與基礎(chǔ)同時施工,預(yù)埋鋼管比立柱直徑稍大,或者與立柱直徑相同,預(yù)埋鋼管進(jìn)行縮徑處理,立柱根部和預(yù)埋鋼管都留有螺栓孔,立柱插入后用螺栓固定。
此種方式可鉸接或剛接,我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,傳遞彎矩的預(yù)埋鋼管要保證上部鋼柱插入預(yù)埋鋼管的有效深度不小于預(yù)埋鋼管外管徑的4倍,上部鋼柱與預(yù)埋鋼管間隙不大于2 mm。
立柱與基礎(chǔ)一體化施工
此種連接方式為剛接,施工方法為立柱與基礎(chǔ)同時施工,養(yǎng)護(hù)到一定強(qiáng)度后再安裝天溝等構(gòu)件。此種連接方式應(yīng)用不多,多應(yīng)用于連棟塑料薄膜溫室,對基礎(chǔ)施工的精準(zhǔn)度要求低。由于立柱與基礎(chǔ)澆筑為一體,施工完畢后固定不動,天溝作為連接構(gòu)件在空中順延連接一直到兩端山墻,如天溝方向立柱間距累積誤差超出要求,山墻會出現(xiàn)傾斜,很難調(diào)整。圖9為某施工工地采用立柱與基礎(chǔ)一體化施工。正常施工應(yīng)先支模板,再澆筑混凝土,最后分層回填土,且夯實,保證一定的壓實系數(shù)。實際施工過程中施工單位偷工減料,直接挖坑,然后澆筑混凝土,但遺憾的是挖坑很隨意,毫無章法,基坑形狀、大小不一,上大下小,導(dǎo)致每個基礎(chǔ)尺寸、形狀、砼用量都不同,溫室抗傾覆能力極差,甚至出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)施工完畢而塑料薄膜尚未覆蓋就被大風(fēng)吹倒的悲劇,屬于典型的豆腐渣工程,教訓(xùn)極其深刻。
基礎(chǔ)施工注意事項
目前,我國連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn),構(gòu)件加工誤差可控制在比較好的水平,而基礎(chǔ)為現(xiàn)場施工,受諸多因素影響,施工質(zhì)量不盡人意?!朵摻Y(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50205-2001對基礎(chǔ)支撐面和預(yù)埋螺栓位置允許偏差規(guī)定為主控項目,要求驗收時全部合格。與工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)相比,溫室室內(nèi)立柱更多,基礎(chǔ)施工屬于隱蔽工程,質(zhì)量控制更為重要,我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室地基基礎(chǔ)設(shè)計、施工與驗收技術(shù)規(guī)范》NY/T 1145-2006對基礎(chǔ)施工做了詳盡的規(guī)定,是在征求國內(nèi)溫室設(shè)計、施工、監(jiān)理單位意見后編制的。施工單位只要精心施工,完全可以實現(xiàn)基礎(chǔ)施工質(zhì)量達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)要求,保證溫室后續(xù)安裝工程順利完成。針對一些在溫室施工和使用中看到的問題,建議業(yè)內(nèi)相關(guān)人士,在溫室設(shè)計和施工時需要考慮如下注意事項。
防止柱腳被水浸泡和濕潤土壤包圍
溫室用于種植時,如果柱腳標(biāo)高與室內(nèi)種植地面基本相同或高出很少,或者業(yè)主自行把種植地面提高,灌溉時柱腳難免處于潮濕狀態(tài);一些用于參觀展示的溫室,處于美觀性考慮,把溫室常用的外漏式柱腳藏到水泥地面以下;一些溫室內(nèi)設(shè)置有景觀水池和景觀花壇,柱腳被水浸泡或被花壇圍住,這些做法都會造成柱腳銹蝕,影響溫室鋼結(jié)構(gòu)使用壽命,見圖10。正確的做法是設(shè)計時柱腳標(biāo)高高于室內(nèi)種植地面,一般高300~500 mm,或者對柱腳進(jìn)行混凝土包腳處理,見圖11;用于參觀展示的溫室,盡量保證室內(nèi)柱腳高于地面,且不低于100 mm,可在柱腳周圍擺放花盆等措施彌補(bǔ)美觀缺陷,如果無法避免柱腳藏到水泥地面以下,亦應(yīng)該對柱腳進(jìn)行混凝土包腳處理,厚度不少于50 mm,高于地面不少于150 mm;對于在景觀水池中的立柱,柱腳標(biāo)高應(yīng)至少高于水面200 mm,禁止被水浸泡,對于在景觀花壇中的立柱,應(yīng)先進(jìn)行混凝土包腳處理,再填充種植土壤,包腳應(yīng)高出種植土壤200 mm以上。
施工時保護(hù)好預(yù)埋螺栓的螺紋
在澆筑混凝土前,有螺紋的部分涂抹適量的黃油,防止銹蝕,并用塑料布包裹,以避免混凝土澆筑時砂漿影響螺紋,導(dǎo)致安裝時螺母不易擰入;鋼結(jié)構(gòu)安裝時,要防止立柱、桁架等構(gòu)件水平側(cè)向沖擊力撞傷地腳螺栓螺紋;立柱底板垂直對準(zhǔn)預(yù)埋螺栓后,再緩緩下落就位。
鋼結(jié)構(gòu)安裝與基礎(chǔ)施工協(xié)調(diào)配合
由于我國幅員遼闊,連棟溫室與民用建筑相比,具有專業(yè)性強(qiáng)的特點,少數(shù)溫室施工單位可做到全部工程施工,對基礎(chǔ)施工質(zhì)量可以做到很好。但大部分溫室施工單位只負(fù)責(zé)地上部分施工,基礎(chǔ)施工交由項目所在地土建施工單位,有的土建施工單位對溫室特點不甚了解,對基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制不嚴(yán),甚至用沒有資質(zhì)的施工隊進(jìn)行施工,人員水平參差不齊,或沒有看懂圖紙或沒有領(lǐng)會圖紙要求,憑經(jīng)驗施工,給后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)、覆蓋材料及設(shè)備的安裝帶來很大的麻煩。如個別基礎(chǔ)支撐面標(biāo)高和預(yù)埋螺栓位置偏差甚至超過了
100 mm;溫室大多通過基礎(chǔ)找坡,有施工單位將基礎(chǔ)標(biāo)高做成相等或波浪形,造成返工;圖9所示的施工質(zhì)量之差,非親眼所見,否則無法想象會有這種現(xiàn)象發(fā)生,而且此類施工質(zhì)量在不同的工地均會發(fā)生。因此溫室設(shè)計或施工單位在基礎(chǔ)施工之前,應(yīng)與土建施工單位交底或強(qiáng)調(diào),哪些工作內(nèi)容需要重點注意;土建施工過程中最好派技術(shù)人員進(jìn)駐現(xiàn)場,對關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工進(jìn)行指導(dǎo)與把控;《溫室鋼結(jié)構(gòu)安裝與驗收規(guī)范》NY/T 1832-2009規(guī)定了溫室鋼結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)在溫室地基基礎(chǔ)驗收合格后進(jìn)行,溫室施工單位在安裝鋼結(jié)構(gòu)前應(yīng)在接收基礎(chǔ)驗收材料的同時,對基礎(chǔ)進(jìn)行全方位的復(fù)核,取得真實有效的數(shù)據(jù),做到心中有數(shù),提前做好糾偏措施。通過各項管理措施,避免溫室后續(xù)施工過程中產(chǎn)生不必要的麻煩。
作者簡介:張秋生(1970-),男,山西太谷人,高級工程師,大學(xué)本科,學(xué)士,研究方向為溫室工程設(shè)計和園藝裝備開發(fā)。參與了4項住建部國家標(biāo)準(zhǔn)和13項農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作,所在團(tuán)隊獲2011~2013年度全國農(nóng)牧漁業(yè)豐收獎農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣成果獎二等獎。
農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝2016年5期