大跨距保形工裝的設計與應用

□ 孟平原 □ 王 珩 □ 張俊亞

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1 設計背景

隨著鋼筋混凝土技術的普遍應用,大型結構承重工程的基礎多采用鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土結構可塑性佳,新拌和的混凝土可根據需要澆筑成各種形狀、尺寸的構件,且現澆鋼筋混凝土結構的整體性較好,設計合理時還具有良好的抗震、抗爆和抗振動性能。但是,當鋼筋混凝土結構的尺寸精度或形位公差無法滿足技術要求較高的工程結構時,就需要設計工裝予以輔助。

某大型工程的安裝基座布局如圖1所示,X和Y為該工程的兩個安裝基座平臺,除了圖中的各形位公差、尺寸精度要求外,該安裝基座的技術要求還有:①X和Y兩平臺上32個安裝基準面的平面度誤差不大于3 mm;② 圖中N向與正北方向的角度偏差不大于0.2°,測量精度0.01°;③ 安裝基座承載不低于400 t。

經過對工程安裝基座布局圖及其技術要求分析,可知安裝基座32個安裝基準面的平面度不大于3 mm,單側平臺基座螺栓孔位中心尺寸精度為±1 mm,X、Y兩平臺基座螺栓孔位中心連線的平行度和對稱度不大于3 mm,平臺基座螺栓孔中心縱向連線N向與正北方向偏差不大于0.2°,在質量不大于400 t的設備安裝于基座后,X、Y兩平臺需同時沉降,最終滿足安裝基準面平面度不大于3 mm的要求。

圖1 工程安裝基座布局

對于以上要求,混凝土施工無法保證X、Y兩平臺平面度不大于3 mm和安裝基準面平面度不大于3 mm的要求[1],而且X、Y兩平臺跨距較大,達13 421 mm,如此大的跨距單獨預埋32個地腳螺栓,不僅無法達到各尺寸精度要求,而且無法滿足對稱度、平行度及沉降后共面的要求。因此,需要設計專用的混凝土預埋大跨距保形工裝,來保證工程安裝基座滿足使用要求。

2 工裝設計要求

通過對該工程安裝基座的分析研究,確認大跨距保形工裝的設計需要滿足以下要求:

(1) 預埋大跨距保形工裝與澆筑的鋼筋混凝土基座平臺基礎形成整體,滿足地腳螺栓安裝強度和平臺基座沉降后安裝基準面繼續共面的要求[2];

(2) 工裝按照基座平臺各螺栓孔位布置32個地腳螺栓,保證孔距精度,并設計兩平臺框架的32個安裝基準面,達到兩平臺框架安裝基準面的平面度要求;

(3) 設計兩平臺框架之間采用X形框架連接,控制工裝整體變形,并保證兩平臺上32個地腳螺栓孔位中心連線的平行度、對稱度要求,同時控制混凝土澆筑過程中振動沖擊對安裝精度的影響;

(4) 工裝本身具有足夠的剛度和強度,保證在運輸、安裝過程中不變形。

3 工裝設計方案

由于工程安裝基座的X、Y兩平臺跨距大,在重力及外部因素的影響下,大跨距保形工裝設計時應在工程安裝基座布局圖的基礎上,提出更高的形位公差和尺寸精度要求,如圖2所示。大跨距保形工裝為兩端平臺框架加中間X形框架的一體化結構,這樣可以在加工過程中控制工裝各尺寸精度和形位公差要求[3],并保證澆筑后的基座安裝設備后,各安裝基準面繼續共面的要求,使基座平臺滿足使用要求。

保形工裝的跨距尺寸較大,主要結構件需要選用抗變形能力強的材料。此外,由于地腳螺栓需要垂直于平臺安裝基準面,而且不允許竄動,因此選用結構強度較大的槽鋼作為主要材料,如此既能夠滿足平臺框架承重不變形或變形小的要求[4],又可以在槽鋼腿寬度方向對稱開兩孔安裝地腳螺栓,保證地腳螺栓垂直于平臺框架,并防止竄動。地腳螺栓如圖3所示。

為提高平臺框架的抗扭、抗變形能力,選擇由槽鋼連成平臺框架,雙方管作為輔助支撐架。平臺框架實物如圖4所示,平臺框架設計圖如圖5所示。同時,將M48地腳螺栓設計為T形,埋入平臺基礎不小于1.2 m,并在平臺框架的槽鋼側面對稱加工若干孔,用以安裝鋼筋,并將鋼筋與平臺基礎的鋼筋混凝土框架焊接在一起,提高工裝與平臺基礎澆筑一體化的牢固程度,以防質量小于400 t的設備安裝后,工裝剝離基座。

圖2 大跨距保形工裝設計圖

圖3 地腳螺栓

圖4 平臺框架實物

圖5 平臺框架設計圖

工程安裝基座中,X、Y兩平臺的安裝基準面在32個螺栓孔位處,安裝基準面的平面度在平臺框架的加工過程中進行控制,控制措施為:在平臺框架16個螺栓孔位處焊接一定厚度的鋼板,待框架焊接成形后,銑加工各鋼板上表面,并與平臺框架安裝基準面共面,誤差在0.05 mm范圍內[5]。

另外,大跨距保形工裝的安裝對前期澆筑的鋼筋混凝土框架結構也有一定要求。前期澆筑的鋼筋混凝土框架結構平臺基礎高度不低于3 m,并按M48螺栓位置預留出400 mm×400 mm預埋坑,坑深不小于1.5 m。架設大跨距保形工裝前,在中間X形框架連接處對稱搭建三個小型安裝平臺,高度不大于X、Y兩平臺的高度。

大跨距保形工裝安裝時,需要平面度微調工裝框架,保證X、Y兩平臺32個安裝基準面平面度不大于3 mm,以及各螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差不大于0.2°。工裝澆筑時,先澆筑各地腳螺栓400 mm×400 mm的預埋坑,密實化混凝土,且待混凝土固化后,復測各形位公差和尺寸精度,再澆筑掩埋整個工裝。

4 工裝工藝實施方案

根據工裝設計要求和方案,選擇結構強度高的槽鋼作為大跨距保形工裝各框架的主要材料,再進行生產加工[6-8]。

4.1 平臺框架

(1) 加工各零件成形,槽鋼1側面對稱加工若干孔。

(2) 焊接框架結構成形,按M48螺栓位置焊接方板于框架上,作為平臺安裝面。將成形的框架置于龍門銑上,銑加工各螺栓安裝孔和方板上表面,保證各孔位尺寸精度及16個安裝基準面共面,誤差在0.05 mm以內[9-10]。

(3) 焊接平臺框架的調節平板。該調節平板采用筋板和焊有M30螺紋孔的平板焊接成形,如圖6所示。待工裝安裝時,可配合微調工裝高度,保證各安裝基準面的平面度不大于3 mm。

(4) 安裝T形地腳螺栓,如圖7所示。

4.2 X形框架

X、Y兩平臺側框架通過X形框架和兩側橫梁連接,X形框架分為三段:邊塊、斜槽鋼、中塊,其工藝實施方案如下:

圖6 調節平板

圖7 地腳螺栓安裝

(1) 加工各零件成形,拼焊中塊成形;

(2) X形框架各槽鋼之間按圖8所示連接方式進行安裝連接。

圖8 X形框架各槽鋼安裝連接

5 工裝實地安裝

大跨距保形工裝加工完成并在現場裝配、檢測、驗收合格后,進行實地安裝。實地安裝前,基座平臺所需要達到的條件為:X、Y兩平臺留有32個開口為400 mm×400 mm的M48地腳螺栓預埋坑,坑深不小于1.5 m;X、Y兩平臺中間有三個小型安裝平臺,用于連接X形框架。

由于工裝質量較大,安裝中需吊車配合。大跨距保形工裝的實地安裝實施方案如下:

(1) 工裝實地安裝前,X、Y兩平臺基礎需測定正北方向,并劃線標識;

(2) 安裝32個M48地腳螺栓于兩平臺框架上;

(3) 用吊車將兩端平臺框架分別置于X、Y兩平臺上,并嚴格按照正北方向標識線擺放;

(4) 用吊車輔助連接X形框架和兩側橫梁成形[11];

(5) 利用經緯儀測量32個安裝基準面的平面度,并利用1 mm、2 mm、5 mm、10 mm調節板和M30螺栓調節工裝各安裝面,保證32個安裝基準面的平面度在3 mm的公差范圍內;

(6) 用全站儀測定工裝螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差,并利用吊車輔助微調工裝框架,保證螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差在0.2°范圍內;

(7) 安裝平臺框架側面若干條鋼筋,利用L形鋼筋將工裝與平臺鋼筋混凝土框架焊接在一起,避免混凝土澆筑時產生振動,影響工裝精度;

(8) 澆筑400 mm×400 mm預埋坑,待其固化后復測各安裝基準面的平面度與工裝正北方向偏差;

(9) 工裝架設并澆筑混凝土后,平面抹平,32個安裝基準面上表面外露,抹平層低于平臺安裝基準面;

(10) 工裝安裝后,保形若干天,待混凝土完全固化后,工程基座平臺的剖面如圖9所示。

圖9 工程基座平臺剖面

大跨距保形工裝安裝且固化后,利用經緯儀再次測定32個安裝基準面的平面度,并用全站儀測定螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差。32個安裝基準面的平面度在3 mm范圍內,螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差在0.1°范圍內,符合該工程基座的技術要求。

6 結束語

基于對某工程基座技術要求的分析,設計了大跨距保形工裝,保證了工程基座的施工質量,達到大型工程基座的設計要求。