海外鋼結構全螺栓連接制作精度控制

王 宇 楊 鋒 楊 杰 徐海峰 楊 敖

上海建工（江蘇）鋼結構有限公司 江蘇 海門 226116

高強螺栓即高強度螺栓，是指應用在鋼結構（包括海洋工程鋼結構和建筑鋼結構）上的一類螺栓，由低合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼材制作而成。高強螺栓分為2種：扭剪型高強螺栓和大六角高強螺栓。作為一種新型連接方式，高強螺栓連接繼承了鉚接連接的多項優(yōu)點，具有施工簡單、受力性能較好、連接剛度較高、可拆換、耐疲勞等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應用在鋼結構中[1-3]。高強螺栓的連接方式主要有3種：摩擦型、承壓型以及兩者兼具的摩擦-承壓型。目前，鋼結構使用最廣泛的是摩擦型連接。

高強螺栓在運輸和存放過程中要做到輕拿輕放，防止高強螺栓變形，防止出現(xiàn)結構損壞，尤其注意不要破壞高強螺栓的螺紋。若高強螺栓在運輸和存放過程中發(fā)生損壞，為安全起見，該高強螺栓不再使用。高強螺栓的適用范圍很廣泛，如大跨度房屋、小高層房屋鋼結構、廠房鋼結構、起重機等。

目前，部分項目的鋼結構同一部位往往采用高強螺栓和焊接同時進行連接，但很多海外鋼結構項目，則采用全螺栓連接的方式，這就對鋼結構的加工制作提出了更高的精度要求。

本文以實際項目為例，闡述了全螺栓連接的鋼結構加工制作的精度控制。

1 工程概況

巴基斯坦lucky電廠項目鋼結構采用全螺栓連接，我公司制作范圍包括1個7層的主結構（MSS）和1個3層的輔助結構（APH），均采用高強度螺栓連接方式，鋼結構總質(zhì)量約5 300 t，高強度螺栓多達6 000多套。項目的3D模型如圖1所示。

圖1 項目3D模型示意

項目位于巴基斯坦，我公司地處中國東部的海門，路途遙遠。為保證現(xiàn)場安裝的順利進行，必須保證高強度螺栓的穿孔率。這也就意味著對鋼結構的焊接收縮、制作加工精度及高強度螺栓制孔提出了更高的要求。

2 工程難特點

該工程的難點主要有以下3個方面。

1）鋼柱、鋼梁及斜撐均采用高強度螺栓群連接，如何保證柱、梁、撐單節(jié)點區(qū)域高強度螺栓孔群的穿孔率是一大難點。

2）圓管撐采用十字插板的連接形式，圓管撐兩端十字形插板水平度的控制是另一難點。

3）鋼梁采用端板形式，與柱子螺栓連接，且梁本體與端板的焊縫大部分為半熔透焊縫，焊接收縮量大，收縮量大會導致變形，導致孔距改變，如何保證鋼梁端板上的螺栓孔群在焊接后的孔距是又一難點。

3個難點的具體問題如下：

1）鋼柱、鋼梁以及斜撐全部采用高強度螺栓群連接，單節(jié)點區(qū)域螺栓數(shù)量較多，如圖2所示，連接的高強度螺栓越多，就越容易產(chǎn)生累積誤差。

圖2 柱、梁、撐節(jié)點區(qū)域

2）圓管撐采用十字插板的連接形式。交叉鋼管連接常用相貫焊接，需要相貫切割，焊接量和難度大，加工工期長，施工難度大[4]。采用焊接量較小的管板結構可減少以上問題，而管板連接結構的十字形插板節(jié)點承載力最強，具有優(yōu)越的抗疲勞強度和應力分布，在絕大部位可代替相貫連接。該插板通過8個條形連接板連接[5]。

3）鋼梁采用端板形式與柱子螺栓連接，且梁本體與端板的焊縫大部分為半熔透焊縫，焊接收縮量大，如圖3所示。鋼結構制作精度控制非常重要，若焊縫收縮量大，勢必會影響鋼結構的精度[6]。

圖3 梁端板節(jié)點形式

3 針對難特點采取的技術措施

針對本工程難特點，采取了一系列的技術措施，總體思路主要如下：柱、梁、撐均單件分開制作，其中柱子上的孔全部采用模板套鉆；梁端板上的螺栓孔在提料時，就對孔距加設焊接收縮余量；圓管撐兩端十字插板全部固定在磨具上后再焊接；在第1層中，選擇一個相對較復雜的區(qū)域，進行平面預拼裝，以驗證高強度螺栓的穿孔率。

1）對于鋼柱的裝配和焊接，采取以下工藝流程制作：裝配柱子本體，并用埋弧焊焊接柱子的本體焊縫；按照要求矯正柱子的焊接變形；將柱子吊運至銑床胎架，如圖4所示；以柱頂銑削面為基準線，用鋼針畫出柱子的中心線，螺栓孔的橫、縱定位線，其中橫向定位線每組孔至少3根；將對應的模板固定在柱子上，配鉆打孔，同時為保證螺栓孔徑的大小，每塊模板最多使用3次，如圖5所示；對柱子進行鋼結構裝配和焊接質(zhì)量的檢驗，確認精度等是否達到要求，若達到要求，則進入涂裝工序，若未達到要求，則進行返修，直至合格。

圖4 柱頂端銑

圖5 模板配鉆

2）對于鋼梁的裝配和焊接，采取以下工藝流程進行制作：裝配、組焊鋼梁本體；梁端板提料時，對于縱向的螺栓孔，每5排加設0.5 mm的余量，如圖6所示；根據(jù)加設余量后的螺栓孔位進行鉆孔；裝配定位梁的端板，并與梁進行焊接；對鋼梁進行鋼結構裝配和焊接質(zhì)量的檢驗，確認精度等是否達到要求，若達到要求，則進入涂裝工序，若未達到要求，則進行返修，直至合格（圖7）。

圖6 梁端板余量加設

圖7 梁端板檢驗

3）對于圓管撐的裝配和焊接，采取以下工藝流程進行制作：在圓管撐本體上開槽口，槽口一圈比插板均大2 mm；焊接十字插板組合件；將焊接后的十字插板組合件插入開好槽口的圓管撐中，并固定在模具上，以保證兩端十字插板的水平度，然后焊接；檢驗圓管撐裝配質(zhì)量。

4 鋼結構預拼裝

鋼結構制造完成后將運往巴基斯坦，如果在鋼結構運抵后才發(fā)現(xiàn)存在精度上的問題，返修將非常困難。為檢驗此加工方案對螺栓孔精度控制的效果，選擇其中較復雜的區(qū)域進行預拼裝。參與預拼裝的構件，應經(jīng)車間檢驗員檢驗合格并標識，未檢驗或不合格的部件不允許參與預拼裝。

選擇2根柱子、2根梁和3根圓管撐進行平面預拼裝，如圖8所示。預拼裝場地應基礎堅實，拼裝后地基不允許發(fā)生下陷。

圖8 平面預裝示意

為保證場地基礎符合預拼裝的要求，組裝用工藝胎架或平臺應先用水平儀找平，平面度允許公差為±1 mm。水平胎架必須與地面牢固連接，胎架上各點的水平標高每月復核1次，發(fā)現(xiàn)超差的及時進行調(diào)整。按照預拼裝布置圖的要求，繪制地樣，地樣需報驗合格后，方可進行胎架布置。地樣線長度、寬度公差為±2 mm，對角線公差為±3 mm。

檢查連接螺栓的正確性：兩對角的孔必須用工藝銷定位（工藝銷的直徑尺寸比孔的理論尺寸小0.5 mm），然后用普通螺栓（預裝所用普通螺栓與實際所用螺栓直徑需一致）連接，螺栓數(shù)量應大于等于每個節(jié)點所需數(shù)量的30%，且應大于等于2個，再將螺栓擰緊。拼裝過程中不允許強制連接。車間實際預拼裝現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 車間預拼裝現(xiàn)場

通過實際預拼裝證明，高強度螺栓孔的穿孔率達到100%，且直線度、尺寸及螺栓孔的精度，都完全符合相關規(guī)范的要求。通過業(yè)主在巴基斯坦現(xiàn)場實際安裝后反饋，我公司負責加工制作的構件，在現(xiàn)場安裝過程中沒有出現(xiàn)錯孔現(xiàn)象，所有構件均順利安裝到位，如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場鋼結構總裝照片

5 結語

海外鋼結構項目因其特殊性，鋼結構制作時每個階段的尺寸控制都很重要。通過前期技術策劃，分析工程的特點及難點，采取對應的技術方案，并全面控制焊接、制孔及預拼裝等工序，保證構件的制作精度。車間預拼裝及現(xiàn)場實際安裝表明，本工程高強螺栓孔的穿孔率為100%，得到了業(yè)主的認可與好評，同時也為同類型高強螺栓孔群的結構制造積累了寶貴的經(jīng)驗。