高層建筑鋼柱制作及施工關(guān)鍵技術(shù)

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(江蘇恒鴻建設(shè)咨詢有限公司，江蘇 宜興 214200)

引言

隨著土地資源的日益緊張，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑越來(lái)越多。由于建筑高度的增加，施工難度也急劇增加，目前超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工技術(shù)已成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在高層鋼結(jié)構(gòu)工程中，鋼柱的施工尤為重要，其質(zhì)量問題直接影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，因此，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的鋼柱施工技術(shù)和質(zhì)量控制進(jìn)行研究十分必要。

1 工程概況

某工程為高層辦公樓，總面積約23萬(wàn)m2，其中地上17萬(wàn)m2，地下6萬(wàn)m2，包含塔樓、裙房及地下室等區(qū)域，塔樓地上50層，地下5層，總高約219.70 m，為鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件有十字暗柱、外框鋼管混凝土柱以及H型樓層鋼梁和鋼骨梁；裙房9層，總高約42.10 m，為框架結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件有十字形鋼骨柱、箱型柱、H型樓層鋼梁等；地下室5層，為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用十字形鋼骨柱和H型鋼骨柱，該工程鋼柱的截面形式如圖1所示。

2 鋼柱的加工工藝

該工程所用鋼管柱的最大截面為Φ1 400 mm×35 mm，箱型柱最大截面為900 mm×900 mm×30 mm×30 mm，十字形柱的最大截面為600 mm×300 mm×16 mm×16 mm，由于鋼柱體質(zhì)量大，進(jìn)行合理的加工制作和質(zhì)量控制十分必要。

圖1 某工程鋼柱形狀

2.1 鋼管柱的加工工藝

鋼管柱加工分為壓制和卷制兩種方式，考慮到壓制會(huì)出現(xiàn)表面壓痕以及內(nèi)應(yīng)力過(guò)大等情況，該工程對(duì)于直徑Φ≥1 300 mm的鋼管采用卷制加工成型的方法，對(duì)于直徑Φ<1 300 mm的鋼管柱直接使用直縫鋼管。

大直徑鋼管柱卷制加工的工藝流程為：①鋼管小段加工成型；②筒體節(jié)段縱縫內(nèi)部焊接；③筒體節(jié)段縱縫外部焊接；④內(nèi)隔板的組裝和焊接；⑤鋼柱端面加工；⑥筒體節(jié)段對(duì)接接長(zhǎng)及環(huán)縫焊接；⑦牛腿定位焊接；⑧連接板焊接和整體檢測(cè)。

鋼管柱卷制時(shí)采用數(shù)控機(jī)床精密切割鋼板，由于鋼管柱的鋼板厚度大，在壓制過(guò)程中鋼板的延伸率發(fā)生變化后會(huì)導(dǎo)致筒體直徑偏大，因此，鋼板切割前應(yīng)將鋼管直徑縮小2～3 mm下料。為保證每一管節(jié)縱縫區(qū)域曲線光順，必須在縱縫兩側(cè)各加設(shè)一定的壓頭余量。

鋼板下料后，采用油壓機(jī)對(duì)兩端進(jìn)行預(yù)彎壓制，即先在鋼板端部150 mm范圍內(nèi)壓一次，然后在300 mm范圍內(nèi)重壓兩次，以減小鋼板的彈性，防止頭部失圓，壓制后的鋼板用樣板進(jìn)行檢驗(yàn)。鋼管柱筒體在專用鋼管數(shù)控卷板機(jī)上加工成型，筒體內(nèi)外側(cè)均用自動(dòng)埋弧焊焊接，對(duì)口錯(cuò)邊的偏差須≯1.5 mm、管端橢圓度偏差須≯3 mm。筒體小節(jié)段焊接、矯正后安裝內(nèi)隔板，最后在專用胎架上對(duì)接接長(zhǎng)。柱身牛腿采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)稱焊接，并嚴(yán)格控制牛腿的相對(duì)位置、垂直度以及高強(qiáng)螺栓孔群與箱體中心線的距離。鋼管柱的制作公差要求如表1所示。

表1 鋼管柱構(gòu)件的制作公差

2.2 箱型鋼柱的加工工藝

箱型柱的制作流程為：①將箱體一塊翼緣在胎架上定位并在翼緣上劃出內(nèi)隔板位置線；②組裝內(nèi)隔板；③箱體U型組裝；④箱體蓋板安裝；⑤裝焊牛腿；⑥整體檢測(cè)。

箱型柱制作時(shí)，要重視內(nèi)隔板定位焊接、箱體蓋板安裝、箱體縱縫焊接及箱體端面加工等工序。

以下翼緣頂端為標(biāo)準(zhǔn)定位內(nèi)隔板，在下翼緣及兩塊腹板的內(nèi)側(cè)畫出隔板、頂板等裝配用線，然后將組裝好的U型箱體吊至焊接平臺(tái)，把橫隔板、工藝隔板與腹板和下翼緣板焊接起來(lái)，工藝隔板只需進(jìn)行三面角焊縫圍焊，橫隔板則要清根處理并進(jìn)行100%的探傷檢查。箱體蓋板采用專用箱型BOX機(jī)組裝，通過(guò)流水線上的液壓油泵對(duì)箱體蓋板進(jìn)行施壓，使蓋板與箱體腹板、橫隔板、工藝隔板等相互緊貼，尤其是箱體底板與橫隔板必須頂緊。

箱體縱縫采用對(duì)稱打底焊接，打底高度不大于焊縫坡口高度的1/3，通過(guò)對(duì)稱施焊法、約束施焊法等方法控制焊接變形和扭轉(zhuǎn)變形。箱體兩端用銑床加工使箱體端面與中心線垂直，以有效保證箱體的幾何長(zhǎng)度，控制端口截面尺寸。

2.3 十字形鋼柱的加工制作

十字形鋼柱的制作分H型鋼加工、T型鋼加工、整體組裝和焊接三個(gè)步驟。H型鋼的定位焊點(diǎn)長(zhǎng)度為40～60 mm，間距為300 mm，焊角<6 mm，翼板厚度在55 mm以下的焊接變形應(yīng)采用流水線矯正機(jī)進(jìn)行矯正，翼板厚度在55 mm以上的除了要采用合理的焊接工藝外，還要輔以手工火焰進(jìn)行矯正；T型鋼采取先制作H型鋼，再將H型鋼拆分成兩個(gè)T型鋼的方法，因此，在進(jìn)行H型鋼腹板下料時(shí)，其腹板寬度為兩塊T型鋼腹板寬度之和，加工方法是先將H型鋼的腹板在直條切割機(jī)上斷續(xù)割開，待組焊、矯正完畢，再利用手工割槍將預(yù)留處割開，使之成為兩個(gè)T型鋼。

十字形柱在H型鋼及T型鋼組焊完畢并校正合格后組立，如圖2所示。先在H型鋼端頭腹板上確定裝配基準(zhǔn)線，做好標(biāo)記并打樣沖眼，然后按照裝配基準(zhǔn)線加工穿筋孔和組立。十字形柱的組立在胎架上完成，輔以千斤頂將部件頂緊，采用氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊蓋面。如果采用小車埋弧焊則必須調(diào)直軌道，1.2 m范圍內(nèi)設(shè)支架，以保證小車行駛中兩支架間的軌道不產(chǎn)生變形。十字形柱制作的公差如表2所示。

圖2 十字形柱組立示意圖

3 鋼柱施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)地腳螺栓支架

該工程鋼柱通過(guò)地腳螺栓與基礎(chǔ)大底板連接，為了支承、固定鋼柱地腳螺栓，保證在底板混凝土澆

表2 十字形柱制作公差要求

筑過(guò)程中錨栓不至于發(fā)生位移，在每根柱腳下設(shè)置專門的固定支架，如圖3所示。支架底部與底板混凝土墊層中的預(yù)埋件焊接，在鋼支架上安裝錨栓組，支架有斜撐固定。該工程地腳螺栓支架的安裝流程為：①挖土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，安裝支架架體及斜撐預(yù)埋件；②澆筑墊層，待墊層強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后安裝支架；③綁扎基礎(chǔ)底板鋼筋；④調(diào)整支架位置，將支架立柱與基礎(chǔ)底板底層鋼筋網(wǎng)焊接；⑤為保證基礎(chǔ)底板混凝土澆筑過(guò)程中支架的穩(wěn)定性，采用長(zhǎng)1.2 m的L50×5角鋼將支架與底板鋼筋網(wǎng)拉接起來(lái)。

圖3 地腳螺栓支架

單根柱地腳螺栓的垂直度及其相互位置通過(guò)上下套模保證，套模按柱腳底板螺栓孔的位置套鉆而成，套模安裝時(shí)，其相對(duì)于軸線的誤差須≯1.0 mm。為保證地腳螺栓組在混凝土澆筑過(guò)程中不移動(dòng)，用L50×5的角鋼和膨脹螺栓直接從大底板下表面搭設(shè)鋼架支撐，先將地腳螺栓套模與底板鋼筋隔開，在鋼筋綁扎后再將上套模與鋼筋籠焊接固定。

3.2 鋼柱焊接

為保證鋼柱的精度，采用先內(nèi)后外、先收縮量大的再收縮量小的焊接方法，但不同截面柱要采用不同的施焊方法，并在焊接過(guò)程中自始至終進(jìn)行標(biāo)高、水平度和垂直度的監(jiān)控。

鋼管柱的焊接方法如圖4所示，由4名施焊速度基本相同的焊工同時(shí)從四個(gè)對(duì)稱面施焊，以減小結(jié)構(gòu)因不對(duì)稱焊接而發(fā)生的變形；箱型柱的焊接順序如圖5所示，每道焊縫收頭處需熔至上一道焊縫端部50 mm處，即錯(cuò)開50 mm，使焊道的接頭不集中在一處；十字形柱按圖6所示的方法施焊，安排兩名焊工分①、②、③、④步焊接，先同時(shí)對(duì)稱焊接翼緣，再同時(shí)對(duì)稱焊接腹板。

圖4 鋼管柱的焊接方法

圖5 箱型柱的焊接方法

圖6 十字形柱的焊接方法

4 結(jié)語(yǔ)

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼柱是重要的受力構(gòu)件，對(duì)于體量大的高層建筑，單一的鋼柱結(jié)構(gòu)形式很難滿足樓層及屋面造型的需求。在該工程中采用了鋼管、箱型、十字形三種截面形式的鋼柱，施工過(guò)程中針對(duì)每種截面形式采用不同的鋼柱制作工藝，制定不同的焊接方法，為保證鋼柱的施工質(zhì)量還專門設(shè)計(jì)了支架以固定柱腳錨栓。目前該工程在有序施工中，其中鋼柱的施工方法取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。