既有鋼結構立柱焊接牛腿方案淺探

許大海

摘要 本文結合某船用柴油機廠在裝配車間廠房時利用原廠房的立柱增加屋蓋,并在原廠房的立柱上加焊牛腿的改擴建工程,對牛腿焊接的可行性及牛腿的焊接方案進行了詳細論述。

關鍵詞 鋼結構立柱;焊接牛腿;施工方案

中圖分類號 TG4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)07-0061-03

1 工程概況

為擴大生產規模,某船用柴油機廠擬對現有鋼結構廠房進行改擴建,其中新建裝配二車間是在既有的裝配車間和機加工車間之間利用既有廠房的立柱增加屋蓋(見圖1:立面圖)。新建裝配二車間主跨30m,副跨18m,長度126m,單層鋼結構,面積約6 450m2。車間內設40t行吊2臺,利用既有鋼結構柱作為行吊的承重柱,為不影響原有車間的生產,需要在既有鋼結構柱加焊牛腿。

圖1:立面圖

2 牛腿焊接可行性分析

1)首先,進行力學檢算,建立力學模型,以原裝配車間單榀屋架為研究對象,利用3D3S軟件繪制出屋架的N圖、Q圖、M圖。原裝配車間鋼立柱截面H450×300×8×14,屋架截面H(700-500)×180×8×10,跨度18m,榀間距6m,在不考慮吊車作用力的情況下,取屋面恒荷載0.3kN/M2, 6M長吊車梁帶鋼軌重量取10kN。(圖2:單榀屋架受力示意圖,圖3:屋架的N圖,圖4:屋架的Q圖,圖5:屋架M圖)。

圖2單榀屋架受力示意圖 圖3屋架N圖(kN)

圖4屋架Q(kN) 圖5屋架M圖(kN·M)

為方便計算,假設在焊接吊車梁牛腿時,H鋼立柱與焊接牛腿接觸的翼緣不參與受力,H鋼按T型鋼考慮,吊車梁牛腿實焊處T型鋼截面應力為拉應力:

σt=Mmax/W+FN/A

σt ,牛腿處T型鋼截面處應力

Mmax ,牛腿處彎矩,為33.2KN·M

W ,彎曲截面系數 , T型鋼T450×300×8×14彎曲截面系數Wmax=1396.99cm3,Wmin=414.1 cm3

FN , 牛腿處截面壓力,為46.6kN

A , 牛腿處危險處截面積,型鋼T450×300×8×14截面積為75.76 cm2

σt=Mmax/W+FN/A

=33.2×103/(414.1×10-6)-46.6×103/(75.76×10-4)

=74.02MPa

σt遠小于Q345鋼材屈服強度310MPa,同時既有柱的施焊處已經設有加筋板,也保證了翼緣板、腹板的局部穩定性。

2)為了不影響既有車間生產,在既保證牛腿與既有柱現場焊接質量,又能提高現場施工進度的情況下,牛腿與既有柱焊接選用單面焊雙面成型的焊接工藝。

3)為防止焊接連接處在焊接過程中出現層狀撕裂等焊接缺陷,避免產生局部應力,在牛腿現場焊接工藝上采用預熱(約150~250℃)、緩冷和錘擊等方法。

4)為避免因新增牛腿結構焊接而引起的結構變形,采用以下焊接順序:

即先焊接牛腿腹板,再依箭頭方向順次施焊,避免既有柱翼緣板因局部受熱失穩而變形。

5)在施工過程中采取相應安全防護措施,同時要求行吊距操作處最小距離為10m,以此保證施工和既有車間安全生產。

6)充分考慮原有行吊的運行狀態。操作平臺搭建時要求在保證施焊順利的條件下盡量縮減橫向空間,避免和行車滑觸線接觸,以保證安全生產。

7)做好現場測量,在正式施焊前先試焊一單件,對比鋼柱施焊前后尺寸變化,并進行焊縫探傷分析,合格后再通焊。

3 施工工藝流程

3.1 流程圖

既有結構測量(包括既有柱、牛腿標高和垂直度)→既有柱附近圍護結構拆除→既有柱新增牛腿部位表面清除防火涂料、油漆→新增牛腿找點、初步定位點焊→測量精確定位→修正牛腿→焊接牛腿。

3.2 新增牛腿安裝標高的控制

新增牛腿標高,直接在已有鋼柱標記,往上引一固定尺寸得一點,將同軸線新增牛腿均固定在該同水平位置。

3.3 新增牛腿構件復查

現場焊接作業前由現場質檢員依據GB50205-2001《建筑鋼結構焊接技術規程》對檢查焊接構件的坡口、間隙、鈍邊等做現場檢查。

3.4 焊縫周圍區域的清除

清理既有柱焊接部位30mm范圍內的防火涂料、油漆、鐵銹、油污、水分、灰塵等雜物。

3.5 新增牛腿安裝垂直度的控制

先使牛腿腹板中線與原有柱翼緣板中線完全重合,用經緯儀復核其垂直度,調整后再通焊固定。

3.6 新增牛腿安裝水平度的控制

在牛腿整體焊接前,先點焊上翼緣板于柱身已測得標記處,用水平尺復核其水平度及時調整后再通焊固定。

3.7 新增牛腿安裝過程的控制

在牛腿、既有鋼柱的整個焊接過程中,設有專職測量人員,對牛腿的垂直度和標高、水平度進行監測。

4 新增牛腿焊接施工方案

4.1機械設備選用

電焊機的選用:本工程的焊接方法為手工電弧焊,焊條規格最大為φ5.0mm,選用ZX7-400型手工直流電弧焊機,采用直流反接。焊機完好,接線正確,電流表、電壓表完好,電源線安全可靠。選用塑性韌性好、含氫量低及抗裂性能好的E5015堿性焊條(即低氫焊條),且焊前烘烤,施焊過程采用保溫桶防潮。

4.2技術措施

牛腿與既有柱現場焊接是本工程施工的重點和難點,為了不影響兩側車間正常生產,在保證施工質量、又能提高施工進度的前提條件下,制定合理的焊接技術工藝是關鍵。先清理既有柱焊接部位的油漆、鐵銹、油污、水分、灰塵等雜物。

1)上下翼緣板與立柱焊接

(1)采用手工電弧焊,牛腿上下翼緣板均開單邊V型坡口,底面采用墊板,分3層焊接。具體型式如下圖:

(2)第1層打底用φ=3.2的焊條,焊接參數在滿足要求的條件下盡量減小;第2、3層選用直徑為φ=5.0 的焊條。焊接間隙b=6,坡口角度α=45°,鈍邊P=2,焊角尺寸hf=8。當焊接第2層時,焊接方向應與第1層方向相反,以此類推。每層焊接接頭應錯開15～20mm。

(3)工藝參數

第1層焊接 第2、3層焊接

I=100～130A I=170～190A

U=21～25VU=25～28V

焊速100～160mm/min 焊速100～160mm/min

2)腹板與立板焊接

(1)開K型坡口,對稱焊,具體型式如下:

(2)坡口角度為α=45°,鈍邊P=2,h1=h2=4, 焊角尺寸hf=8。

(3)工藝參數

I=100～130A

U=24～26V

焊速60～120mm/min

3)焊接順序

先焊接鋼牛腿腹板且上下預留50mm不焊,再焊接上翼緣且從兩邊向中間焊接(下翼緣與上翼緣板同時施焊,兩名焊工在焊接時的焊接電流、焊接速度和焊接層數應保持一致),最后補焊,順序如下圖所示。

4)墊板、引弧板,引出板裝配要求:

(1)焊接墊板材質為Q345B,兩端伸出各60mm。引、熄弧板的材質和被焊母材相同,坡口型式與被焊焊縫相同,焊接完成后用火焰切割去除引弧板和引出板,并修磨平整。

(2)鋼襯墊的定位焊在接頭坡口內焊接。定位焊焊縫與最終的焊縫相同,所有焊材與正式施焊的質量要求相同。

5 結論

通過第三方現場對焊縫進行檢測和監理檢查,牛腿與柱的焊縫均合格,達到一級焊縫要求,既有鋼結構立柱未發生變形。本工程通過理論計算后,無需對既有柱進行加固,避免了工程盲目投入,節約了工程成本,又確保了安全,為今后類似加焊牛腿工程提供了經驗參考。

參考文獻

[1]嚴正庭,等.最新鋼結構實用設計手冊.南寧:廣西科學技術出版社,2003,8.

[2]龍馭球,包世華主編.結構力學教程(Ⅰ).北京:高等教育出版社,2000,7.