建筑工程中型鋼柱吊裝與焊接施工

王興龍，陸文芳，王偉國(guó)，王 旭，張 博

（中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300450）

型鋼柱是建筑工程中常用的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通常用在建筑物支撐和框架結(jié)構(gòu)中，可承受垂直和水平的荷載，而型鋼柱具有重量輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，在建筑工程中應(yīng)用極為廣泛。但型鋼柱在吊裝施工過(guò)程中，一旦安裝位置不合理或者焊接工藝不符合建筑工程工藝標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致型鋼柱支撐能力降低，影響建筑工程施工質(zhì)量[2]，因此研究建筑工程型鋼柱吊裝技術(shù)和焊接施工方法對(duì)建筑工程領(lǐng)域意義重大。

1 工程概況

以某超高層建筑工程作為試驗(yàn)對(duì)象，該建筑工程部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積約為17.8萬(wàn)m2，由地下室、4 座塔樓和裙樓組成，其中地下室2 層，負(fù)二層和負(fù)一層層高分別為4.5m 和4.8m。裙樓首層為5 層，第五層以上為鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，鋼結(jié)構(gòu)分布情況為：結(jié)構(gòu)負(fù)二層底板至裙樓第5 層位置型鋼柱直徑為1 200mm，管壁厚度為25mm，該區(qū)域型鋼柱共30 條，第5 層有型鋼柱共114 條。

該建筑工程型鋼柱吊裝工程量較大，且其位于市區(qū)內(nèi)施工場(chǎng)地有限，該建筑工程型鋼柱吊裝和焊接施工是其難點(diǎn)之一。

2 型鋼柱吊裝技術(shù)與焊接施工技術(shù)

2.1 施工策劃與設(shè)備選擇

該建筑工程型鋼柱吊裝和焊接施工之前，需對(duì)型鋼柱吊裝施工進(jìn)行策劃與準(zhǔn)備，將該建筑工程型鋼柱吊裝施工分為3 個(gè)階段，第一階段為地下室負(fù)二層底板到負(fù)一層，第二階段為裙樓，第三階段為轉(zhuǎn)換層。依據(jù)該建筑工程型鋼吊裝位置，預(yù)先將型號(hào)對(duì)應(yīng)的型鋼構(gòu)件放置在對(duì)應(yīng)位置上，并在需要埋設(shè)螺栓位置采用保護(hù)螺紋的錐形防護(hù)套以保護(hù)螺栓[3]。且在吊裝型鋼柱之前，對(duì)構(gòu)件上油漆殘和污垢進(jìn)行補(bǔ)充和清除。

選擇徐工QUY300T 履帶式起重機(jī)吊裝型鋼柱，該起重機(jī)主壁長(zhǎng)度為60m，工作半徑為12m，有效起重量為107t，提升高度為58.79m。

2.2 建筑工程中型鋼柱吊裝技術(shù)

履帶式起重機(jī)就位后，進(jìn)行型鋼柱吊裝施工，其步驟如下。

1）型鋼柱吊裝前準(zhǔn)備 ①清理型鋼柱吊裝場(chǎng)地雜物，并設(shè)置施工風(fēng)險(xiǎn)警示牌；②對(duì)起重機(jī)行車位置進(jìn)行加固處理，避免起重機(jī)運(yùn)作過(guò)程中該區(qū)域出現(xiàn)塌陷和裂縫情況；③檢查起重機(jī)，吊鏈、塞箍等是否滿足型鋼柱施工需求。

2）型鋼柱吊裝 型鋼柱施工準(zhǔn)備完成后[4]，通過(guò)型鋼柱上端的4 個(gè)吊耳進(jìn)行起吊，此時(shí)需要墊實(shí)型鋼柱底部位置，通過(guò)操縱吊臂和吊鉤升降將型鋼柱扶直，當(dāng)型鋼柱不再晃動(dòng)后，升起吊臂使型鋼柱離開(kāi)地面25～50cm。采用四點(diǎn)吊裝方法，將木楞放置在型鋼柱底板下部，防止型鋼柱磨損。

3）臨時(shí)連接 吊裝型鋼柱后，調(diào)整型鋼柱和吊裝位置，使每節(jié)型鋼柱中心線吻合，緩慢下放型鋼柱，將上節(jié)型鋼柱與安裝碼板對(duì)應(yīng)后，立即連接螺栓和臨時(shí)連接夾板。

4）測(cè)量型鋼柱與調(diào)整位置 型鋼柱臨時(shí)連接完工后，使用經(jīng)緯儀測(cè)量型鋼柱垂直度、四面位置等參數(shù)，若該參數(shù)與建筑工程設(shè)計(jì)參數(shù)存在偏差，需使用螺旋千斤頂對(duì)型鋼柱進(jìn)行調(diào)整，并使用扳手將連接螺栓固定。

5）設(shè)置纜風(fēng)繩 型鋼柱在地面放置時(shí)，將纜風(fēng)繩固定在型鋼柱吊耳上，在將4 個(gè)纜風(fēng)繩固定在地面預(yù)設(shè)的碼扣上并使用螺栓鎖緊，然后起重機(jī)可松鉤。

6）型鋼柱摘鉤與焊接處理 纜風(fēng)繩安裝完成后，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行摘鉤處理，松開(kāi)吊裝卡環(huán)后，完成型鋼柱的吊裝，然后需對(duì)臨時(shí)連接的型鋼柱進(jìn)行焊接，固定型鋼柱。

7）拆除纜風(fēng)繩 型鋼柱焊接完成后，纜風(fēng)繩需保留一段時(shí)間，當(dāng)型鋼柱焊接和柱身鋼筋綁扎并施工驗(yàn)收合格后，再拆除纜風(fēng)繩。

8）第二節(jié)型鋼柱吊裝 第一節(jié)型鋼柱吊裝施工完成后，進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，待混凝土凝固并符合繼續(xù)施工標(biāo)準(zhǔn)后[5]，按照上述步驟安裝第二節(jié)型鋼柱，依次完成建筑工程型鋼柱吊裝技術(shù)。

2.3 型鋼柱焊接工藝

在安裝型鋼柱過(guò)程中，對(duì)型鋼柱進(jìn)行焊接是非常重要的步驟，一旦焊接效果沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)支撐標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)建筑工程最終施工效果帶來(lái)極大的影響。設(shè)計(jì)型鋼柱焊接工藝流程如圖1 所示。

由于型鋼柱在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)冷裂紋情況，選擇低氫型電焊條焊接型鋼柱。

型鋼柱焊接順序如下。

1）焊接前準(zhǔn)備 在焊接型鋼柱之前，將氫型電焊條放置到烘干機(jī)內(nèi)，設(shè)置烘干機(jī)溫度為320℃，恒溫烘干1.5h 后，將氫型電焊條保溫備用。然后清理型鋼柱焊接坡口兩側(cè)的水分、油漬等污物，并保持坡口位置清爽干凈。在坡口內(nèi)進(jìn)行引弧，保障母材完整。

2）焊接 采用2 人對(duì)稱施焊的方式對(duì)型鋼柱接頭進(jìn)行焊接，以防止焊接位置出現(xiàn)變形情況，焊接方向?yàn)橛芍虚g逐漸向兩邊施焊。在焊接靠近鋼腹板位置的坡口時(shí)，前3 層需使用小范圍焊接操作，此時(shí)選擇直徑為3.2mm 的電焊條，焊接電流設(shè)置在95±5A 之間，焊接速度保持在10cm／min 左右，線能量控制在20～20kJ／cm 之間。前3 層焊接完成后，對(duì)型鋼柱背面進(jìn)行清根處理，然后對(duì)焊接位置進(jìn)行機(jī)械打磨，將焊縫表面的滲碳清除干凈，防止型鋼柱表面因碳化而出現(xiàn)裂縫情況。同時(shí)第二層焊接方向要與第一層相反，第三層焊接方向與第一層保持一致。然后焊接第四到第六層，此時(shí)選擇直徑為4.0mm 的電焊條，將焊接電流調(diào)整到190～210A 之間，電弧電壓調(diào)整到28～35V 之間，焊接速度保持20cm／min，線能量控制在24～34kJ／cm。該過(guò)程中，每層焊接方向均與上一層相反。焊接型鋼柱第八層時(shí)，其焊接參數(shù)與電焊條參數(shù)可與上一層相同，但焊接速度可提升至22cm／min。

3）打磨 對(duì)型鋼柱焊接完成后，割掉引弧板并將焊接位置打磨干凈，完成型鋼柱焊接施工。

2.4 基于超聲波衍射時(shí)差的無(wú)損檢驗(yàn)方法

型鋼柱焊接施工完成后，利用超聲波衍射時(shí)差方法對(duì)型鋼柱焊接效果進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。利用TOFD 超聲波檢測(cè)儀采集型鋼柱焊接無(wú)損檢測(cè)，超聲波TOFD 超聲波檢測(cè)儀由主機(jī)、檢測(cè)掃查器、超聲波探頭等硬件組成，其連接用戶PC端，通過(guò)發(fā)送檢測(cè)命令得到型鋼柱無(wú)損檢測(cè)超聲波。獲得檢測(cè)超聲波信號(hào)后，可利用三角方程和測(cè)量衍射波傳播時(shí)間，得到型鋼柱焊接缺陷的尺寸和位置，其表達(dá)公式如下

式中，L為超聲波到達(dá)型鋼柱缺陷上端點(diǎn)聲程；c為超聲波聲速數(shù)值；T為超聲波從發(fā)射到到達(dá)型鋼柱缺陷的傳播時(shí)間；S為1／2 探頭中心距；d1為型鋼柱焊接缺陷深度，其計(jì)算公式如下

式中，ζ1為型鋼柱焊接缺陷上端點(diǎn)衍射波和直通波的傳播時(shí)間差；s為型鋼柱焊接缺陷寬度。

令d2為型鋼柱焊接缺陷下端點(diǎn)和無(wú)損檢測(cè)面之間的最大距離，其計(jì)算公式如下

令Z表示型鋼柱焊接缺陷自身高度，則以式（2）、式（3)結(jié)果為基礎(chǔ)，其計(jì)算公式如下

經(jīng)過(guò)上述步驟，得到型鋼柱焊接缺陷上下端點(diǎn)深度、缺陷位置和缺陷自身深度，實(shí)現(xiàn)型鋼柱焊接效果無(wú)損檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

使用本文方法對(duì)該建筑工程型鋼柱進(jìn)行吊裝和焊接，驗(yàn)證本文方法實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1 驗(yàn)證本文方法吊裝型鋼柱技術(shù)

以型鋼柱垂直度偏差作為衡量指標(biāo)，以10 個(gè)型鋼柱作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以統(tǒng)計(jì)方式獲取該10 個(gè)型鋼柱垂直度偏差，結(jié)果如表1 所示。

表1 型鋼柱垂直度偏差（單位：mm）

分析表1 可知，應(yīng)用本文方法對(duì)該建筑工程型鋼柱進(jìn)行吊裝施工后，10 個(gè)型鋼柱的垂直度偏差值均不同，其中最大偏差值為3.213mm，最小偏差值為0.158mm，在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)垂直度偏差單層不得高于5mm，整體垂直度偏差最大不得超過(guò)35mm，本文方法吊裝施工后的型鋼柱偏差數(shù)值位在可允許范圍內(nèi)，該結(jié)果說(shuō)明本文方法可有效對(duì)建筑工程型鋼柱進(jìn)行吊裝施工。

3.2 驗(yàn)證本文方法焊接型鋼柱能力

以10 個(gè)存在不同程度焊接缺陷的型鋼柱作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)該10 個(gè)型鋼柱焊接缺陷展開(kāi)無(wú)損檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

分析表2 可知，利用本文方法可有效獲得型鋼柱焊接缺陷上端點(diǎn)和下短刀到無(wú)損檢測(cè)面距離，并依據(jù)該2 個(gè)數(shù)值可得到型鋼柱焊接缺陷自身深度，從型鋼柱焊接缺陷自身深度上來(lái)看，其數(shù)值均為超過(guò)二級(jí)未焊滿焊縫允許閾值0.2mm。

上述結(jié)果說(shuō)明：利用本文焊接施工方法可有效焊接建筑工程中的型鋼柱，本文方法具備較為顯著的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了建筑工程中型鋼柱吊裝技術(shù)與焊接施工方法，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明本文方法吊裝建筑工程中型鋼柱技術(shù)較好，焊接型鋼柱能力也較強(qiáng)，未來(lái)可在建筑工程中廣泛應(yīng)用。但由于建筑工程型鋼柱在吊裝和焊接施工過(guò)程中存在諸多影響因素，在應(yīng)用本文方法時(shí)可依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)調(diào)整，以發(fā)揮其最佳應(yīng)用效果。