淺談型鋼柱扭曲變形的解決辦法

李 昶 辛宏偉 何亞強(qiáng)

(中國(guó)建筑第四工程局有限公司，陜西 西安 710000)

在結(jié)構(gòu)施工階段型鋼柱安裝過(guò)程中出現(xiàn)了型鋼柱扭曲變形超出規(guī)范要求的情況，項(xiàng)目技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析產(chǎn)生扭曲變形的原因，并制定了切實(shí)可行的對(duì)策，成功規(guī)避了后面鋼柱安裝扭曲變形的問(wèn)題。

1 項(xiàng)目鋼構(gòu)部分概況

曲江·漢華城二期二標(biāo)段項(xiàng)目位于西安市雁塔區(qū)曲江池北路北側(cè)，曲江大道西側(cè)，該項(xiàng)目致力于打造一個(gè)融合商業(yè)零售、商務(wù)辦公、公寓住宅等于一體的多功能、高效率綜合體?？偨ㄖ娣e為80 524.73m2,其中商業(yè)建筑面積為36 906.43m2,辦公建筑面積為22 650.81m2，地下建筑面積為20 907.49m2,建筑基底面積為8 725.69m2。

其中商業(yè)為地下2層，地上5層，建筑總高度為23.800 m，平板筏基礎(chǔ)，因該商業(yè)綜合體造型復(fù)雜且有影院、巨幕廳、中庭等大跨度空間，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致梁、柱截面變大，減小空間凈尺寸，故主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大、抗震及防火性能好，結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性好，并且有減小截面尺寸及節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)，故本工程主體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有較多型鋼混凝土梁、柱。涉及的型鋼混凝土柱均為十字型鋼柱，鋼柱截面800×800(800×300×20×30×800×300×20×30), 最重單節(jié)柱長(zhǎng)度為7.745m，重量4.73t。十字型鋼柱制作難度大，焊接變形難以矯正，故在制作、安裝及焊接過(guò)程中控制變形較為重要。

2 型鋼柱出現(xiàn)扭曲變形的原因

2.1 鋼柱焊接工藝及焊接順序影響

本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)中重要焊縫普遍采用焊接，而焊接時(shí)構(gòu)件焊縫及焊縫周?chē)痪鶆虻氖軣?，?huì)在焊接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和塑性收縮變形[1]，產(chǎn)生不同程度的縱、橫向收縮，這種收縮會(huì)引起焊接構(gòu)件的各種變形。

構(gòu)件焊接后發(fā)生的變形分為：整體結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)局部的變形。而本項(xiàng)目鋼構(gòu)件為工廠自動(dòng)化加工，構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)時(shí)經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)變形情況(圖1進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收)，故不考慮整體結(jié)構(gòu)的變形，判斷變形為現(xiàn)場(chǎng)焊接引起的局部變形。

圖1 進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收

常見(jiàn)焊接變形基本形式有如下幾種：板材坡口對(duì)接施焊后產(chǎn)生的長(zhǎng)度伸縮和寬度變化的變形及對(duì)焊后產(chǎn)生的角變形；焊后構(gòu)件的角變形沿構(gòu)件縱向變形值不同及構(gòu)件翼緣與腹板的縱向收縮不同產(chǎn)生的扭曲變形。(詳見(jiàn)：圖2 構(gòu)件扭曲變形)

圖2 構(gòu)件扭曲變形

各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形都是上述基本變形單個(gè)或者綜合作用的結(jié)果。本工程鋼柱截面尺寸大且形狀復(fù)雜，鋼柱整體為工廠加工，綜合分析鋼柱變形為扭曲變形。

2.2 上下層鋼柱拼接接頭處連接夾板剛度不夠

鋼柱在吊裝時(shí)臨時(shí)固定采用夾板固定，起初夾板采用8mm厚鋼板，經(jīng)分析認(rèn)為鋼柱重量大(單節(jié)鋼柱重量普遍在3t左右)，夾板剛度不夠，焊接完成前夾板產(chǎn)生的不均勻變形會(huì)導(dǎo)致上面型鋼柱發(fā)生扭曲。

2.3 鋼柱拼接后焊接完成前未對(duì)鋼柱進(jìn)行除夾板外的其他固定

第一批鋼柱拼接完除了固定夾板，再未采取其他固定方式，接頭焊接完成后發(fā)現(xiàn)個(gè)別柱子出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，分析認(rèn)為鋼柱焊接過(guò)程中焊接熱輸入不均勻?qū)е碌淖冃魏蛫A板剛度不足導(dǎo)致的變形會(huì)引起鋼柱扭曲，所以焊接前應(yīng)對(duì)鋼柱進(jìn)行除連接夾板外的其他固定方式。

2.4 澆筑混凝土?xí)r振搗產(chǎn)生變形

因?yàn)樾弯摶炷林孛孑^大(1 500×1 200,1 200×1 200，1 500×1 500)，且層高均大于4.5m，澆筑砼時(shí)作業(yè)人員過(guò)度振搗或者振搗方式不合理也會(huì)造成型鋼混凝土柱中型鋼柱扭曲。

2.5 地腳螺栓預(yù)埋偏位

本項(xiàng)目十字型鋼柱是安裝在筏板施工時(shí)預(yù)埋的地腳螺栓上，筏板施工完成后安裝型鋼柱，如果地腳螺栓預(yù)埋偏位或者筏板澆筑時(shí)導(dǎo)致預(yù)埋螺栓偏移均會(huì)影響型鋼柱安裝，較小的螺栓偏移也會(huì)導(dǎo)致型鋼柱扭曲(負(fù)二層型鋼柱一次安裝到位，高度5.8m)。

綜上所述，導(dǎo)致構(gòu)件扭曲變形的原因眾多，分析各因素對(duì)變形的影響，總結(jié)其規(guī)律，采取合理措施，從而來(lái)控制扭曲變形。

3 型鋼柱安裝存在扭曲變形過(guò)大的解決措施

3.1 從焊接方面著手

3.1.1 減小焊接熱輸入

焊接熱輸入的影響：一般焊接時(shí)熱輸入越大，構(gòu)件高溫范圍會(huì)越大、溫度也越高，冷卻的速度越慢[2]，導(dǎo)致接頭(焊縫)區(qū)域塑性變形增大，縱向、橫向和角變形增大。經(jīng)過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料，綜合分析對(duì)比電渣焊、電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，從焊接穩(wěn)定性、焊接熱輸入大小及焊縫質(zhì)量的角度考慮，選擇熱輸入相對(duì)較小的CO2氣體保護(hù)焊做為該項(xiàng)目鋼柱的焊接設(shè)備。

另外焊縫截面積越大，施焊時(shí)熱輸入就越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量也就越大[3]。本工程型鋼柱拼接節(jié)點(diǎn)采用全焊接節(jié)點(diǎn)，且鋼柱翼緣板、腹板厚度均大于20mm，相對(duì)較厚，故在滿足施工方便及焊縫合格的前提下，采用較小的坡口角度和坡口間距來(lái)減小焊接時(shí)熱輸入量。因此，本工程鋼柱焊接接頭采用單V形坡口加襯墊全焊透焊縫，且焊接時(shí)采用多層焊代替單層焊，減小局部熱輸入過(guò)大。

3.1.2 圖紙深化、優(yōu)化

施工前選擇專(zhuān)業(yè)的單位進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)圖紙深化、優(yōu)化，盡可能減少拼接焊縫的數(shù)量和尺寸，通過(guò)圖紙優(yōu)化縮小焊縫尺寸(上下節(jié)型鋼柱加工時(shí)坡口采用單V形)，在保證安全的前提下，不得隨意加大焊縫厚度，合理布置焊縫，避免出現(xiàn)集中焊縫，盡可能使焊縫位置靠近構(gòu)件中和軸，或者與構(gòu)件中和軸對(duì)稱(chēng)布置，并留在施焊方便的部位。避免焊縫過(guò)分集中或多方向焊縫相交于一點(diǎn)(高度集中的熱量會(huì)引起較大的焊接變形)。

3.1.3 選擇合理的焊接順序

選擇合理的焊接順序，具備對(duì)稱(chēng)施焊條件的焊縫，盡可能采取同時(shí)對(duì)稱(chēng)同向施焊的方法，本工程型鋼柱截面尺寸較大(800×800)，焊接時(shí)安排兩名專(zhuān)業(yè)的電焊工對(duì)稱(chēng)型鋼柱中和軸同時(shí)施焊，避免單面或局部施焊引起變形不均勻?qū)е碌呐で冃?。?dāng)焊縫在結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱(chēng)時(shí)，如果焊縫位于構(gòu)件中和軸兩側(cè)，可通過(guò)交替施焊來(lái)調(diào)節(jié)焊接熱輸入從而減小變形[4]。焊接時(shí)對(duì)較長(zhǎng)的焊縫采用分段退焊或跳焊的方法，對(duì)于較厚的焊縫采取分層施焊的方法(本工程型鋼柱翼板厚度均為30mm)，以此規(guī)避焊縫局部集中加熱。用頭部帶有弧度的小錘敲擊焊縫，使焊縫得到延展，可減小焊接殘余應(yīng)力，也有助于減小殘余應(yīng)力引起的變形。

3.2 從鋼柱拼接連接夾板入手

結(jié)構(gòu)的剛性與焊接變形的關(guān)系：剛性較小的結(jié)構(gòu)，焊接變形大；剛性大的構(gòu)件，焊后變形較小，而構(gòu)件的剛性大小，主要由結(jié)構(gòu)的形狀和截面大小決定。本工程十字型鋼柱截面尺寸大，翼板及腹板板材厚度大且固定間距設(shè)計(jì)有加肋板，整體剛度較大。但是開(kāi)始施工時(shí)拼接連接夾板使用厚度8mm的鋼板，剛度小，不足以抵抗焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形，經(jīng)討論將鋼柱拼接連接夾板更換為20mm厚鋼板，然后校正鋼柱位置，用螺栓固定型鋼柱連接夾板(詳見(jiàn)：圖3 型鋼柱拼接節(jié)點(diǎn))。

圖3 型鋼柱拼接節(jié)點(diǎn)

3.3 從鋼柱臨時(shí)固定措施入手

剛性固定法又稱(chēng)為強(qiáng)制法。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，雖然剛性大的構(gòu)件焊后變形相對(duì)較小，但是在焊接前仍需加強(qiáng)型鋼柱剛性，來(lái)減小焊接后變形。在采用剛性固定法時(shí)，必須等焊縫冷卻至常溫后將連接夾板和支撐拆去，本項(xiàng)目采用增加支撐和定位焊接的方法。

3.3.1 增加支撐

為保證型鋼柱焊接過(guò)程不發(fā)生變形或者盡可能減小變形，焊接前對(duì)鋼柱進(jìn)行花籃拉桿固定。每層砼澆筑時(shí)在型鋼混凝土柱一側(cè)2.5m處預(yù)埋2塊20厚鋼板，兩鋼板間距800與型鋼柱翼板平行，鋼板露出地面一端帶20螺栓孔，鋼柱拼接完，夾板連接后，從鋼柱一側(cè)用花籃拉桿(詳見(jiàn)：圖4 花籃拉桿)連接鋼柱和預(yù)埋板，起到臨時(shí)固定鋼柱的作用，減小鋼柱因焊接變形和其他外力引起的扭曲變形。

圖4 花籃拉桿

3.3.2 采用定位焊接法先行固定

定位焊接法拼接接頭：鋼柱位置校正準(zhǔn)確后，固定夾板和花籃螺栓(拉桿)支撐，然后再次復(fù)核型鋼柱位置，確定無(wú)誤后先點(diǎn)焊幾處，固定拼接接頭，然后按方案要求順序開(kāi)始施焊焊接。

3.4 加強(qiáng)鋼筋、模板施工管理

木工支設(shè)型鋼混凝土柱模板時(shí)為保證構(gòu)件尺寸及位置準(zhǔn)確，對(duì)鋼筋保護(hù)層較小面會(huì)采用外力矯正模板，而鋼筋此時(shí)與型鋼柱已成為一個(gè)整體，矯正模板會(huì)造成型鋼柱扭曲，故鋼筋綁扎時(shí)應(yīng)嚴(yán)格預(yù)留保護(hù)層并保證鋼筋位置準(zhǔn)確，柱子砼澆筑時(shí)給柱筋綁扎定位箍筋，并且安排專(zhuān)人看鋼筋，鋼筋出現(xiàn)移位時(shí)要及時(shí)調(diào)整。綜上鋼筋下料及綁扎時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，嚴(yán)格留保護(hù)層，保證鋼筋位置準(zhǔn)確，避免鋼筋移位導(dǎo)致的保護(hù)層不夠。

3.5 加強(qiáng)砼澆筑管理

(1)型鋼柱所在軸線梁截面尺寸大，配筋比較密，會(huì)導(dǎo)致澆筑時(shí)混凝土不宜流入柱模板內(nèi)，為此項(xiàng)目聯(lián)系商混站實(shí)驗(yàn)室在滿足砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下調(diào)整砼配合比，保證砼的和易性(流動(dòng)性、保水性及粘聚性)，確保澆筑時(shí)混凝土能正常流入柱子模板內(nèi)。

(2)合理安排澆筑時(shí)間，避開(kāi)上下班高峰時(shí)段和中午炎熱時(shí)段澆筑型鋼混凝土柱，減小出廠砼的坍落度損失和流動(dòng)性減小，因?yàn)轫帕鲃?dòng)性小時(shí)為保證砼正常入模，作業(yè)人員會(huì)加強(qiáng)振搗，從而引起型鋼柱扭曲變形。

(3)澆筑前加強(qiáng)作業(yè)人員交底，振搗時(shí)盡量避免觸碰鋼筋和型鋼柱，嚴(yán)禁在一處長(zhǎng)時(shí)間振搗；筏板澆筑振搗時(shí)振搗器不得觸碰預(yù)埋的地腳螺栓，澆筑時(shí)安排人員旁站，預(yù)埋螺栓一旦出現(xiàn)偏移，及時(shí)處理。

3.6 地腳螺栓預(yù)埋要準(zhǔn)確

地腳螺栓預(yù)埋位置的準(zhǔn)確與否，對(duì)型鋼柱的安裝有很大影響，尤其首層安裝，柱子較高，如果產(chǎn)生偏移，偏差會(huì)累計(jì)，導(dǎo)致后面無(wú)法調(diào)整，因此地腳螺栓的預(yù)埋很重要，要根據(jù)放設(shè)的軸線定位每根型鋼柱的位置，所有型鋼柱的螺栓預(yù)埋好后，統(tǒng)籌復(fù)核螺栓位置是否準(zhǔn)確，確認(rèn)無(wú)誤后將地腳螺栓與筏板鋼筋焊接固定，避免外界因素引起地腳螺栓位移。

安裝型鋼柱前再次復(fù)核預(yù)埋螺栓位置，如果螺栓存在較小偏差，可對(duì)型鋼柱底座板進(jìn)行擴(kuò)孔處理，避免螺栓偏位引起的鋼柱扭曲。

3.7 加強(qiáng)施工全過(guò)程管理

型鋼柱工廠生產(chǎn)完成后現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接，加工好的構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)時(shí)需提供材質(zhì)單，同監(jiān)理、甲方一起進(jìn)行檢查驗(yàn)收，檢查構(gòu)件規(guī)格、尺寸是否正確，有無(wú)缺陷、變形，并現(xiàn)場(chǎng)取樣送檢。而現(xiàn)場(chǎng)施工均由施工人員完成，作業(yè)人員能力、技術(shù)水平高低直接影響工程質(zhì)量，故加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理可以避免因人員操作不當(dāng)引起的誤差。

施工前編制有針對(duì)性的施工方案或者作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，人員進(jìn)場(chǎng)時(shí)檢查焊工證及證件是否在有效期內(nèi)，保證作業(yè)人員持證上崗，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行詳細(xì)的安全、技術(shù)交底，使作業(yè)人員清楚施工流程、方法，明白作業(yè)注意事項(xiàng)；另外施工人員要固定，不能頻繁更換施工人員尤其是關(guān)鍵崗位的(不能勝任現(xiàn)場(chǎng)工作的除外)，當(dāng)更換作業(yè)人員時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行交底、培訓(xùn)。

施工過(guò)程中要有管理人員旁站、監(jiān)督，當(dāng)施工工序或操作方法不當(dāng)時(shí)要及時(shí)指出，并要求按正確的方法進(jìn)行施工。當(dāng)發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員對(duì)安裝、施焊流程不熟悉時(shí)要及時(shí)組織交底、培訓(xùn)，當(dāng)出現(xiàn)未預(yù)見(jiàn)的情況時(shí)先暫停施工，提出合理的解決措施后再繼續(xù)施工。保證施工過(guò)程嚴(yán)格按方案實(shí)施，避免人的因素對(duì)施工質(zhì)量的影響。每層型鋼柱施工完成后進(jìn)行復(fù)盤(pán)，總結(jié)本層施工存在的問(wèn)題并分析原因，避免下層施工時(shí)同樣的問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章以曲江· 漢華城二期二標(biāo)段項(xiàng)目型鋼混凝土柱施工時(shí)型鋼柱出現(xiàn)扭曲變形為問(wèn)題切入點(diǎn)，就施工過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，得出具體的型鋼柱扭曲變形原因，并提出相應(yīng)的解決措施。通過(guò)深化圖紙，選擇合理的焊接方式及焊接順序控制焊接熱輸入，通過(guò)提高連接夾板剛度，加強(qiáng)鋼柱拼接臨時(shí)固定，加強(qiáng)砼澆筑及施工全過(guò)程管理，有效避免了型鋼柱安裝過(guò)程中出現(xiàn)的扭曲變形，保證了項(xiàng)目型鋼柱安裝質(zhì)量，提高了鋼柱安裝一次合格率。

目前建筑市場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、施工一般為專(zhuān)業(yè)分包進(jìn)行，本文主要從鋼結(jié)構(gòu)施工方面進(jìn)行了原因分析、制定解決措施，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方、鋼結(jié)構(gòu)加工(生產(chǎn))方也可參考類(lèi)似方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)變形分析，從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、施工全過(guò)程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行控制，從而保證鋼結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量及安全。