淺述鋼結構施工中栓焊連接變形的控制方法

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1 問題的提出

高強螺栓連接是繼鉚接、焊接之后發展起來的一種新型鋼結構連接型式。它具有承載能力高、受力性能好、耐疲勞、自鎖性能好、施工方便、質量易于控制等優點,近年來已成為鋼結構制作及安裝工程的主要連接手段。在某個裝置中15個管廊全部采用栓焊連接。在安裝中,中國石油天然氣第七建設有限公司按照最根本的安裝順序進行操作,先進行立柱安裝,再進行連接梁的安裝。但出乎意料的是,安裝之后整個框架中立柱的垂直度出現偏差,一般情況下,認為這是由于連接梁焊接時受熱集中造成的變形。

圖1 高強螺栓連接安裝現場

2 原因分析

為了查找原因,施工隊根據設計及規范的要求,按照以下A、B兩種方法進行了操作試驗。

圖2 操作實驗方法

結果發現,兩種試驗效果都產生了很大的誤差,立柱垂直度均超出設計及標準要求,分析主要原因如圖3。

圖3 誤差原因分析示意圖

(1)立柱在預制廠制作時,根據GB50205《鋼結構工程施工質量驗收規范》制孔要求,柱底板兩孔之間的允許偏差為±1mm,這就造成柱底孔與立柱中心的尺寸ΔE1、ΔE3至少為1mm (其中不考慮立柱在焊柱底板時的偏差),相鄰兩組的端孔之間的距離ΔE2為±1.5mm,累計誤差ΔE1+ΔE2+ΔE3=2.5mm。

(2)根據設計要求,連接梁高強螺栓孔為螺栓直徑+1.5mm。根據GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》制孔要求,任意兩孔之間的允許偏差為1mm,即 ΔE4、ΔE5、ΔE6、ΔE8均為 1mm(其中不考慮牛腿焊接時的誤差),累計誤差ΔE4+ΔE5+ΔE6+ΔE8=4mm。

(3)在兩摩擦面的連接板上,根據GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》制孔要求,任意兩孔之間的允許偏差為1mm,即ΔE7=1mm。

結合以上分析,得累計誤差ΔE=ΔE1+ΔE2+ΔE3+ΔE4+ΔE5+ΔE6+ΔE8+Δ E7=7.5mm

以上誤差造成連接梁與牛腿之間,高強螺栓不能順利、自由穿入(見圖4)。

3 施工現場控制方法

3.1 安裝后進行擴孔處理

根據GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》6.3.7條規定,擴孔數量應征得設計同意,擴孔后的孔徑不應超過原螺栓直徑的1.2倍。所以安裝后進行擴孔處理是符合設計和規范要求的。在65萬t/a對二甲苯芳烴裝置中,H管廊、C管廊都采用這種方法進行了修改。但是在安裝過程中,如果連接梁的螺栓孔某一個出現不對中,就會影響整個連接牛腿及連接板不對中,最終導致擴孔的數量非常大,進而影響整根梁的連接質量。

圖4 高強螺栓現場安裝圖

3.2 安裝后進行連接梁的調整

分析表明,上述擴孔數量過大,浪費時間,耗費人力。另一種可選的方法就是對立柱連接梁的牛腿進行修改。在四川石化65萬t/a對二甲苯芳烴裝置中,G管廊采用這種方法進行了修改。即在保證立柱垂直度和高強螺栓順利安裝的情況下,調整立柱牛腿的焊接間隙。這種方法雖然可行,但效果不理想。因為在切除和焊接牛腿時,容易造成立柱局部受熱而變形,所以該方法也不能解決“質”的問題。

4 解決方法

以上擴孔和連接梁的調整都屬于“臨陣磨槍”的行為,而現場施工中要的是“磨刀不誤砍柴功”的做法。為此,根據現場的施工試驗,總結以下幾方面避免現場高強螺栓施工中問題的一些方法。

4.1 設計方面

從設計方面考慮是最關鍵的,因為設計在選擇連接方式時,就已經決定了在今后施工中的弊端,所以改變連接方式是最根本的解決辦法。

4.2 施工擴孔

連接件在預制廠預制加工時擴孔施工,改變設計連接方式可能會改變設計的初衷,所以選擇加大螺栓連接孔的方式,這也是解決栓焊連接變形最直接的辦法。

4.2.1 擴大柱底板的螺栓孔

擴大柱底螺栓孔可調整柱底板的偏差,從而控制ΔE1、ΔE2和ΔE3的安裝精度。在65萬t/a對二甲苯芳烴裝置C管廊的施工中,兩根18m立柱根據設計及規范要求的H/1000,垂直度應不大于18mm。但結果測得的數據為28mm,超標10mm。于是采用對柱底板擴孔的辦法,適當調整連接梁的高強螺栓連接孔,最后得到的垂直度為14mm,在允許誤差范圍之內,符合設計及規范要求。

4.2.2 擴大高強螺栓孔

擴大高強螺栓孔,可以調整連接梁與連接牛腿之間的偏差,從而控制ΔE4、ΔE5、ΔE6、ΔE8和ΔE7的安裝精度。

4.3 改變安裝順序

改變安裝方式是最有效、最可行的一種方式,相對以上兩種方法,該方法既能控制誤差,確保安裝精度,又省時省功,一舉兩得。選用這種方式是現場施工中最切合實際的。安裝順序如下(見圖5):

(1)立柱、連接梁、連接牛腿及連接筋板等半成品制作,散件發貨到現場,并在立柱上做好標高線;

(2)先進行單根立柱的安裝,并用經緯儀調節垂直度,使其在允許誤差范圍之內;

(3)把連接梁、連接筋板及牛腿進行地面組合,一起安裝,利用牛腿與立柱的焊接間隙控制誤差(若連接牛腿在立柱腹板安裝可先安裝一端)。

圖5 改變后的安裝順序示意圖

5 總結

栓焊連接具有一定的優勢,其連接形式是雙重抗剪和雙重抗壓,非常穩定。但也存在一定的弊端,例如在施工中要求的精度非常高,施工難度比焊接大,尤其是在修改時費時費功。

栓焊連接雖然是鋼結構施工中一個小小的環節,但對整個工程的順利施工具有重要作用。以上對高強螺栓連接產生誤差的原因做了具體分析,并討論了可行的解決方案,以期對以后的施工有所助益。