角鋼定位器在杯基鋼柱吊裝中的應用技術研究

張勝勇

（中鐵十六局集團城市建設發(fā)展有限公司 北京 100018）

1 引言

近年來鋼結構建筑在我國得到了蓬勃發(fā)展，從一般鋼結構發(fā)展到高層、超高層建筑及大跨度空間鋼結構［1］。鋼結構工程質量的保證，決定因素除材料合格、制作精度高外，還需依靠科學合理的安裝工藝［2］。在廠房建設中，鋼柱吊裝是鋼結構施工中重要節(jié)點，是確保整體鋼結構工程安全、質量與進度的重中之重［3］。根據(jù)實體項目，研發(fā)一種適用于杯口基礎的鋼柱吊裝校正工藝方法，既保證施工安全可靠，又保證操作簡便、精度高、工效快、通用性強的吊裝定位裝置。

2 工程概況

科爾沁馬城賽事大樓工程位于內(nèi)蒙古通遼市開發(fā)區(qū)，總建筑面積約11.3萬 m2，地下一層［4］，分為酒店、寫字樓及后勤庫區(qū)。其中后勤庫區(qū)結構形式為鋼結構排架結構，基礎采用杯口型承臺基礎。排架系統(tǒng)由排架柱及柱間支撐組成，鋼架上柱為實腹式工字型柱［5］，下柱為雙肢鋼管柱，柱距9 m，柱腳采用插入式柱腳。上柱支撐采用交叉撐，采用槽鋼組合斷面，下柱支撐采用交叉形撐［6］，采用槽鋼組合斷面，上下柱柱間支撐與柱子均采用節(jié)點板焊接連接。庫區(qū)鋼構件總計2 400 t，鋼柱吊裝共計220根。

3 角鋼定位器施工原理

定位裝置由角鋼定位器及輔助鋼筋組成，首先采用規(guī)格∠50×5的角鋼以垂直焊接的方式，根據(jù)基礎頂面預先彈好的安裝控制線對杯口相鄰兩側的角鋼定位器進行預定位。隨后進行吊裝鋼柱，調整鋼柱并校正合格后，采用輔助鋼筋設置水平支撐，頂住杯口四壁與鋼柱焊接。將剩余兩側的角鋼定位器全部焊接完成，通過角鋼組合及水平支撐筋完成鋼柱的吊裝定位。

4 角鋼定位器三維建模

通過強大的三維建模功能，在鋼柱吊裝前進行三維模擬構畫，見圖1。建立角鋼組合的構造模擬，完善組合中各分部角鋼的布設，保證現(xiàn)場實際施工的可行性，見圖2。

圖1 角鋼定位器研制結構

圖2 角鋼定位器三維圖

圖1中，1為杯口基礎；2為角鋼一，與杯口基礎左右側壁垂直頂固；3為角鋼二，作為角鋼一的側肢支撐；4為角鋼三，作為角鋼一的側肢支撐；5為角鋼四，與角鋼一垂直焊接，另一側與杯口基礎前側壁垂直頂固；6為角鋼五，與角鋼四垂直焊接，另一端與杯口基礎左側壁垂直頂固；7為角鋼六，與角鋼一垂直焊接，另一側與杯口基礎前側壁垂直頂固；8為角鋼七，與角鋼四及角鋼六垂直焊接。

5 施工操作要點

5.1 鋼柱吊裝驗算

（1）鋼柱重量計算

鋼柱總重量約為：4 957 kg。

（2）起重重量

［4 957 kg（鋼柱）＋300 kg（索具重量）］×1.2（動力系數(shù)）＝6 308 kg。

（3）起升高度

17.4 m（鋼柱底部至柱頂高度）＋10 m（索具高度）＋0.5 m（安裝時提升高度）＋0.3 m（室內(nèi)外高差）＋1 m＝29.2 m。

（4）起重機選擇

由上述數(shù)據(jù)可知：起重機工作半徑R≥8 m，起重高度32.5 m≥29.2 m，起重重量W總10 214 kg≥6 308 kg查起重機性能表，25 t汽車起重機可滿足要求。

（5）吊裝鋼柱鋼絲繩驗算

①鋼絲繩吊裝采用鋼筋加鎖扣勾住柱頂螺栓孔吊裝法，鋼絲繩的吊索拉力為7.4 t，由于鋼絲繩基本都是垂直的，所以鋼絲繩采用6×37＋1、d＝46 mm型號。

② 根據(jù)吊裝重量，選用6×37＋1、d＝46 mm、抗拉強度為1 670 MPa鋼絲繩時，其破斷拉力總和P破＝1 040 kN，根據(jù)公式［P］＝（P破÷9.8）×φ修÷K＝（1 040÷9.8）×0.82÷6＝14.5 t＞6.3 t，故安全。其中：φ修為修正系數(shù)，K為安全系數(shù)。

5.2 杯口復查

（1）位于杯口基礎鋼柱安裝前，基礎養(yǎng)護強度達到75%時，即可使用。同時需要在基礎中心標識橫縱中心線及標高標記標識。

（2）對杯底標高進行一次水平儀檢查和調整，以保證柱吊裝后牛腿頂面標高的準確［7］。為使杯底標高調整值（Δh）為正值，柱基施工時，杯底標高控制值一般均要低于設計值50 mm［8］。見表1。

表1_杯口尺寸允許偏差

5.3 角鋼組件制作、預定位安裝

（1）預制定位器角鋼組件

現(xiàn)場對基礎軸線進行復測見圖3，確定無誤后根據(jù)定位軸線在基礎頂面彈出角鋼定位器安裝控制線，控制線為角鋼定位器內(nèi)邊線，并與鋼柱的安裝中心線相對應，根據(jù)安裝控制線及實測基礎杯口尺寸提前制作預定位角鋼組件。預定位組件由圖1中，角鋼一與角鋼二、角鋼三垂直頂固焊接，角鋼二與角鋼三均勻布設在角鋼一左側，焊接形成獨立單體Ⅰ。角鋼四與角鋼五垂直頂固焊接，角鋼五布設于角鋼四中線位置，形成獨立單體Ⅱ，見圖4。

圖3 基礎測量復核標高及軸線

圖4 制作完成的角鋼組件

（2）角鋼組件預定位安裝

根據(jù)安裝控制線預先安裝預定位角鋼組件（獨立單體Ⅰ、獨立單體Ⅱ），基礎復查及支座安裝合格后，運用垂直焊接的方式，在杯口預定位兩側安裝角鋼定位器［9］。邊框角鋼端頭預切50 mm×50 mm卡槽，卡掛在基礎杯口頂面并頂緊，獨立單體Ⅰ選用角鋼一雙側搭接頂位，獨立單體Ⅱ選用角鋼四臨基礎側搭接頂位，反方向與獨立單體Ⅰ垂直滿接，以防止定位器位移?？ú蹜鶕?jù)杯基卡位處隨型調整且保證滿卡，見圖5、圖6。

5.4 線墜吊架焊接

鋼柱吊裝前預先在柱頂焊接水平短鋼筋作為線墜吊架。截取4根25 cm長12鋼筋，對應平行于基礎的定位軸線分別垂直焊接在柱頂橫梁上，鋼筋吊架距柱邊20 cm處，分別拴系線墜并垂吊至柱底。線墜使用5 kg鋼質線墜，尼龍絲線垂吊，在柱頂鋼筋處捆綁牢固，防止滑移，見圖7。

圖5 定位器預安裝三維圖

圖6 定位器雙側角鋼垂直焊接

5.5 鋼柱吊裝

鋼柱安裝采用滑行法在跨內(nèi)依次進行［10］。起吊時吊機將綁扎好的鋼柱緩慢吊起垂直下放到杯口上方，穩(wěn)住柱腳插入杯口落于杯底支座上，并貼緊已安裝的預定位角鋼，按照安裝控制線找正平面位置，隨即利用柱頂預先垂吊的線墜檢測鋼柱垂直度。用鋼尺分別從兩個方向測量吊線至鋼柱距離，同時指揮吊車并使用鋼管撐桿斜頂法調整垂直度偏差，保證鋼柱按設計位置安裝就位，見圖8、圖9。

圖7 線墜吊架焊接實物

圖8 鋼柱吊裝示意

圖9 鋼柱垂直度校正測量示意

5.6 支撐筋焊接、角鋼組件安裝完成

（1）支撐筋焊接油漆標記，以使支撐點受力位置一致保證準確穩(wěn)固。焊接時將鋼筋支撐頂緊杯壁及鋼柱中心，焊機電流適當調大，采用斷弧焊工藝將鋼筋支撐與鋼柱焊接牢固，見圖10。

圖10 支撐筋焊接完成

（2）角鋼組件安裝完成

為盡量節(jié)省鋼柱吊裝校正期間的焊接工作量，在安裝預定位角鋼時，根據(jù)安裝控制線預先制作預定位安裝組件并焊接，此項工作可在鋼柱吊裝前完成，不占用鋼柱吊裝總體時間，鋼柱校正合格且支撐筋焊接完成后，其余兩側定位角鋼可不設置側肢支撐，直接采用垂直焊接的方式與預定位角鋼連接，為節(jié)省材料用量并進一步壓縮操作時間。其余兩側定位角鋼垂直焊接工藝流程由圖1中角鋼六（獨立單體Ⅲ）、角鋼七（獨立單體Ⅳ）按照實量尺寸現(xiàn)場加工制作。獨立單體Ⅲ緊貼鋼柱進行安裝并與獨立單體Ⅰ垂直焊接，另一側卡槽卡在基礎杯口頂面并頂緊。獨立單體Ⅳ緊貼鋼柱并與獨立單體Ⅱ、Ⅲ反方向平鋪垂直焊接，整體角鋼定位器安裝完成，見圖 11、圖 12。

圖11 定位器三維圖

圖12 定位器安裝完成

5.7 杯口混凝土澆筑

在澆筑混凝土前，應先清除杯口內(nèi)部、基礎頂面的垃圾、泥土或鋼柱吊裝所使用的殘余材料，防止?jié)仓r落入杯基中。

杯口采用C35細石混凝土澆筑，采用小型振搗棒振搗密實，振搗時嚴禁碰觸角鋼組件、支撐筋及鋼柱，以免振搗時導致鋼柱位移，待澆筑的混凝土強度達到設計要求后，方可拆除角鋼定位器［11］，進入下一步工序施工。

6 角鋼定位器創(chuàng)新優(yōu)勢

（1）在鋼柱吊裝校正的施工過程中，國內(nèi)傳統(tǒng)做法一般采用槽鋼固定架配合鋼筋支撐固定校正鋼柱或采用螺旋千斤頂配合經(jīng)緯儀定位校正鋼柱［12］。采用角鋼定位器配合線墜定位校正鋼柱做法優(yōu)點：一是無需纜風繩及地錨，節(jié)省大量手拉葫蘆、鋼楔子等材料機具，避免投入大量人工；二是無需錨固螺栓，避免鉆孔破壞基礎結構，角鋼及輔助鋼筋材料使用量較小，現(xiàn)場焊接工作量較少，節(jié)省人工；三是使用線墜校正鋼柱垂直度，工序簡單，操作方便，無需多人配合經(jīng)緯儀檢測，施工效率高；四是角鋼定位器制作簡易，充分利用現(xiàn)場邊角余料，質量可靠，安全性好，保證快速進入下道工序施工。

（2）在經(jīng)濟上的優(yōu)勢：以本工程施工難度最大的節(jié)點工期為例，采用角鋼定位器運用在鋼柱吊裝校正施工之中，鋼柱安裝質量得到很大提高，施工工期得到了很大縮減，施工安全可靠，為后期工序施工提供了堅實的保障。結合所依托項目實際情況所得數(shù)據(jù)，采用角鋼定位器定位校正鋼柱比未使用此項技術指導下的施工節(jié)省工期20 d，人工費成本降低70%，機械費成本降低20.4%。

綜合測算：采用角鋼定位器比傳統(tǒng)纜風繩定位校正鋼柱成本降低43.6%，人工費、材料費、機械費總成本為13.27萬元，折合每根鋼柱綜合單價為296.2元／根；采用傳統(tǒng)纜風繩多方位錨固校正鋼柱人工費、材料費、機械費總成本為23.52萬元，折合每根鋼柱綜合單價為525.2元／根。本工程累計可節(jié)省成本約10.25萬元。

7 結束語

本工程通過對鋼柱吊裝校正的綜合研究，以安全保障、質量標準、施工效率、人工成本等方面為出發(fā)點，通過前期的三維構建，進行現(xiàn)場初試，以達到后期普遍應用的效果；縮短了工期，同時節(jié)約了人工的投入，創(chuàng)造了顯著的社會效益及經(jīng)濟效益。同時，該技術在項目上的研發(fā)和應用獲得“一種杯口基礎吊裝校正鋼柱的定位器”國家實用新型專利（專利號ZL 201720733449.8）。此項創(chuàng)新解決了鋼柱吊裝校正施工中重難點問題，在我國鋼結構施工中具有很強的實用性和推廣性。