高強(qiáng)度螺栓大型鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)施工技術(shù)

郭慶生 張?jiān)?/p>

1 概述

高強(qiáng)度螺栓分為兩種受力類(lèi)型:摩擦型高強(qiáng)度螺栓和承壓型高強(qiáng)螺栓，前者是靠連接板疊間的摩擦阻力傳遞剪力，可用于承受動(dòng)力荷載，后者是以栓桿被剪斷或連接板被擠壞作為承載力極限狀態(tài)，它的承載力極限值大于摩擦型高強(qiáng)度螺栓，適用于承受靜荷載的結(jié)構(gòu)，不宜用于承受動(dòng)力荷載。高強(qiáng)度螺栓分大六角頭型和扭剪型兩種，它們都是通過(guò)擰緊螺帽，使螺桿受到拉伸作用，產(chǎn)生預(yù)拉力，使被連接板件間產(chǎn)生壓緊力。對(duì)大六角頭螺栓的預(yù)拉力控制方法有:力矩法和轉(zhuǎn)角法。力矩法是通過(guò)控制擰緊力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)控制預(yù)拉力，擰緊力矩可由試驗(yàn)確定，使施工時(shí)控制的預(yù)拉力為設(shè)計(jì)預(yù)拉力的1．1倍。應(yīng)先按擰緊力矩的50%進(jìn)行初擰，然后按100%擰緊力矩進(jìn)行終擰，對(duì)于大型節(jié)點(diǎn)在初擰之后還應(yīng)按初擰力矩進(jìn)行復(fù)擰，然后再進(jìn)行終擰。轉(zhuǎn)角法是先用普通扳手進(jìn)行初擰，使被連接板件相互緊密結(jié)合，再以初擰位置為起點(diǎn)，按終擰角度，用長(zhǎng)扳手或風(fēng)動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)螺母，擰至該角度值時(shí)，螺栓的拉力即達(dá)到施工控制預(yù)拉力［1］。

俄羅斯的高層民用及公共建筑比較少，超高層鋼結(jié)構(gòu)和大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程很少見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)加工廠(chǎng)設(shè)備比較陳舊，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件及技術(shù)比較落后，結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)偏重于高強(qiáng)度螺栓連接，對(duì)于焊接連接的質(zhì)量控制沒(méi)有信心。俄羅斯當(dāng)?shù)氐慕Y(jié)構(gòu)施工規(guī)范與我國(guó)有一定的差別，兩國(guó)的工作習(xí)慣及政治文化差異都給鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝工作帶來(lái)了一定的困難。項(xiàng)目部的技術(shù)人員克服了在中國(guó)沒(méi)有12．9級(jí)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的規(guī)范技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)等困難［2］，根據(jù)項(xiàng)目及設(shè)計(jì)文件的具體情況制定了合理的施工技術(shù)方案，順利完成了大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)的施工任務(wù)。

2 鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

俄羅斯莫斯科市某超高層建筑總高340 m，共93層，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在32層～36層及60層～64層采用由鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架及帶狀桁架組成的兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。32層～36層鋼桁架連接節(jié)點(diǎn)全部采用12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接，超過(guò)了我國(guó)規(guī)范高強(qiáng)度螺栓的最高性能等級(jí)10．9級(jí)。最大連接板板面達(dá)3 m×1．9 m，鋼板厚度達(dá)28 mm，3層鋼板彎曲疊合連接在一起，單塊連接鋼板上高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量最多的超過(guò)200個(gè)。鋼構(gòu)件采用由盧森堡生產(chǎn)的熱軋鋼，構(gòu)件截面尺寸較小，高度及寬度僅500 mm左右，最大翼緣厚度達(dá)到了100 mm，使得鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點(diǎn)只能采用不同板厚的多層彎曲疊合鋼板進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)及施工難度較大。鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

本工程采用力矩法施工，大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副施加扭矩的計(jì)算公式如式(1)所示［3］:

其中，D為螺栓的公稱(chēng)直徑，m;P為螺栓軸力，N;M為施加于螺母上的扭矩值，N·m;K為扭矩系數(shù)。

扭矩系數(shù)K與下列因素有關(guān):

1)螺母和墊圈間接觸面的平均半徑及摩擦系數(shù)值;2)螺紋形式、螺距及螺紋接觸面間的摩擦系數(shù)值;3)螺栓及螺母中螺紋的表面處理及損傷情況等。

高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)是衡量高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量的主要指標(biāo)，是一個(gè)具有一定離散性的綜合折減系數(shù)，在安裝使用前必須按供應(yīng)批進(jìn)行復(fù)檢［4］。

3 完全12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓節(jié)點(diǎn)施工技術(shù)及質(zhì)量控制

高強(qiáng)度螺栓的安裝工作依據(jù)總的鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度方案順序依次進(jìn)行，根據(jù)轉(zhuǎn)換層鋼桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工分區(qū)，將高強(qiáng)度螺栓施擰工作分為七個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工。具體的安裝方法是:先采用安裝螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定，安裝螺栓采用10．9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓，安裝螺栓使用數(shù)量為連接節(jié)點(diǎn)螺栓群數(shù)量的1/2，安裝銷(xiāo)子為連接節(jié)點(diǎn)螺栓群數(shù)量的1/10。待結(jié)構(gòu)測(cè)量校正完畢后再將安裝螺栓換為12．9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓。

針對(duì)本工程螺栓節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜多樣，經(jīng)研究決定螺栓施擰順序?yàn)橄仁Q鋼柱部分螺栓群，然后施擰上下弦螺栓群，最后施擰斜腹桿的螺栓群。將鋼柱作為施擰節(jié)點(diǎn)中心部分，以此向四周擴(kuò)散施擰，減少由于高強(qiáng)度螺栓的施擰力所帶來(lái)的附加應(yīng)力，保證高強(qiáng)度螺栓施擰質(zhì)量及連接板頂緊面的完全貼緊。單個(gè)高強(qiáng)度螺栓群的施擰順序采取從中心向四周擴(kuò)散的原則進(jìn)行，高強(qiáng)度螺栓的施擰順序如圖2所示。

確定科學(xué)合理的扭矩系數(shù)是保證高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量的重要措施，經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)施工規(guī)范的深入理解會(huì)同當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)及質(zhì)量監(jiān)督單位經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定本工程12．9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓的扭矩系數(shù)為:K=0．141，符合當(dāng)?shù)貒?guó)家標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。施工時(shí)先按擰緊力矩的50%進(jìn)行初擰，然后按初擰力矩進(jìn)行復(fù)擰，最后按100%擰緊力矩進(jìn)行終擰。

12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓對(duì)于各項(xiàng)化學(xué)成分的含量控制較高，對(duì)于進(jìn)場(chǎng)的高強(qiáng)度螺栓的化學(xué)成分要會(huì)同質(zhì)量監(jiān)督部門(mén)進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)檢，以保證施工過(guò)程及建筑結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中的安全，本工程高強(qiáng)螺栓的化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求［5］。相應(yīng)的對(duì)于高強(qiáng)度螺栓的力學(xué)性能、硬度及彎曲性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)范要求以后才予以接收使用。

圖2 多個(gè)螺栓群的組合施擰順序圖

表1 化學(xué)成分含量

鋼構(gòu)件的加工質(zhì)量決定了整個(gè)安裝工作的質(zhì)量和進(jìn)度目標(biāo)是否能夠保證實(shí)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)加工廠(chǎng)的駐場(chǎng)人員克服了國(guó)際間工作習(xí)慣的差異，加工規(guī)范的差異以及政治文化等諸多差異，堅(jiān)持做好鋼結(jié)構(gòu)連接板彎曲曲率的校驗(yàn)及螺栓孔技術(shù)指標(biāo)的復(fù)檢等工作，做到不合格的產(chǎn)品不出廠(chǎng)，一些復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)堅(jiān)持在當(dāng)?shù)毓S(chǎng)進(jìn)行預(yù)拼裝的工作，有效地保證了現(xiàn)場(chǎng)的安裝進(jìn)度和安裝質(zhì)量。

由于項(xiàng)目處在城市的核心地區(qū)，施工場(chǎng)地狹小，再加上高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量和種類(lèi)眾多，構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間及循序很大程度上由業(yè)主指定的當(dāng)?shù)毓?yīng)商所控制，這些不利的條件給安裝工作的進(jìn)度帶來(lái)了很大困難。針對(duì)這種情況，項(xiàng)目指定了嚴(yán)格科學(xué)合理的材料進(jìn)場(chǎng)制度，每道程序都由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，增加管理人員，做好材料的動(dòng)態(tài)歸類(lèi)和統(tǒng)計(jì)工作，有效地理順了施工順序，加快了施工速度。

該項(xiàng)目在施工前期做了大量細(xì)致的當(dāng)?shù)匾?guī)范的搜集整理、規(guī)范翻譯、規(guī)范理解及與當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)院的溝通工作，根據(jù)項(xiàng)目的特殊情況制定出了科學(xué)合理的技術(shù)施工及管理方案，并按照方案嚴(yán)格執(zhí)行，得到了良好的效果，順利通過(guò)了結(jié)構(gòu)驗(yàn)收，提前完成了施工任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上的施工過(guò)程，可以總結(jié)歸納出以下施工經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論:

1)深刻理解當(dāng)?shù)氐氖┕を?yàn)收規(guī)范，積極與當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)部門(mén)進(jìn)行充分的溝通工作，明確關(guān)鍵施工方法和技術(shù)參數(shù)，尤其是12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的扭矩系數(shù)。

2)做好高強(qiáng)度螺栓的驗(yàn)收和復(fù)檢工作，12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的含碳量高，對(duì)于加工工藝要求較高，使用不合格的產(chǎn)品在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)螺栓斷裂的現(xiàn)象，造成人員傷害及給結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患。

3)克服困難堅(jiān)持做好連接鋼板在鋼結(jié)構(gòu)加工廠(chǎng)螺栓孔技術(shù)指標(biāo)及鋼板彎曲曲率的檢查把關(guān)工作，把不合格產(chǎn)品控制在鋼結(jié)構(gòu)加工廠(chǎng)以?xún)?nèi)。

4)由于12．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度較高，對(duì)于較粗直徑的螺栓要求施加的扭力較大，若采用電動(dòng)扳手極易造成設(shè)備的損壞影響工程的進(jìn)展，建議采用加力人工扳手，能夠做到經(jīng)濟(jì)安全并能夠保證施工質(zhì)量和進(jìn)度。

5)針對(duì)連接鋼板及高強(qiáng)螺栓的數(shù)量規(guī)格眾多，制定并認(rèn)真執(zhí)行嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)物資管理制度是保證施工順利進(jìn)行的前提條件。

［1］ 鮑廣鑒．鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及實(shí)例［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005:25-29．

［2］ GB 50017-2003，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］ 蘇聯(lián)國(guó)家建筑委員會(huì)．建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則3．03 01-87支撐與防護(hù)結(jié)構(gòu)［Z］．

［4］ 中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)．建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2004:630-632．

［5］ 蘇聯(lián)國(guó)家建筑委員會(huì)．建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則4543-71合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)規(guī)范［Z］．