基于鋼結(jié)構(gòu)鉸接埋置式螺栓高精度定位技術(shù)研究

陳明福

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)鉸接連接普遍應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中，鉸接點多為地腳螺栓與成品墊板預(yù)留孔連接處。由于墊板多為廠家預(yù)制成品，故而地腳螺栓預(yù)埋精度問題成為現(xiàn)場質(zhì)量必控項[1]。鉸接點連接過程中預(yù)埋螺栓定位安裝工藝較復(fù)雜且質(zhì)量隱患較多。在預(yù)埋螺栓定位的常規(guī)做法中，是采用常規(guī)鋼板模具開洞定位，亦或采用鋼筋套架焊接固定，螺栓與鋼板預(yù)制洞精度無法保證，導(dǎo)致存在較大誤差，且在混凝土施工時易因混凝土正面對螺栓的沖擊致使頂部帶動下部位移或鋼筋輔助架偏位，導(dǎo)致螺栓軸心偏位、同一螺栓組螺栓中心偏位、輔助架體中心與軸線偏位、螺栓的標高誤差均不滿足標準規(guī)范或設(shè)計要求，造成后期鋼柱安裝墊板孔與螺栓無法正位所產(chǎn)生二次處理的經(jīng)濟成本加大。

項目對鋼結(jié)構(gòu)鉸接埋置式螺栓精準定位進行工藝攻關(guān)，介紹新型施工方法、研發(fā)器具，以提升高精度定位準確性，提高工作效率，不損傷螺栓的原有質(zhì)量。在攻關(guān)目標明確的前提下，項目發(fā)明一種預(yù)埋地腳螺栓組安裝的扁擔(dān)套架，安裝簡單、操作方便，可根據(jù)螺栓中心線與定位軸線、螺栓所在螺栓組位置、標高預(yù)先預(yù)制套架，提前安裝，亦可有效對螺紋保護，保證了安裝及澆筑完成后的工程質(zhì)量。

2 工程概況

重慶望變電氣(集團)股份有限公司10萬t非晶帶材及高磁感鐵芯材料項目位于重慶市長壽區(qū)晏家經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。該項目建筑面積約8.6萬m2。主要包含1＃主廠房、2＃主廠房兩棟鋼結(jié)構(gòu)單層廠房。抗震設(shè)防烈度6度，鋼框架抗震等級為四級。該項目鋼構(gòu)件總計6 700 t，鋼結(jié)構(gòu)采用柱下獨立基礎(chǔ)，鋼結(jié)構(gòu)與獨立基礎(chǔ)柱連接形式為:錨栓待構(gòu)件安裝校正后與墊板、底板點焊[2]。本工程螺栓組448組，預(yù)埋螺栓共計3 972根。

3 扁擔(dān)套架輔助安裝預(yù)埋螺栓施工原理

扁擔(dān)套架根據(jù)螺栓組的大小選用符合架體剛度的鋼板、鋼管進行加工，根據(jù)計算螺栓所在螺栓組位置提前確定扣套所在鋼板位置，扁擔(dān)套架連接方式為焊接預(yù)制(扣套外部環(huán)圈焊接，保證內(nèi)部應(yīng)無損且光滑)。通過扁擔(dān)套架將螺栓底部固定環(huán)箍與地腳螺栓焊接固定，將螺栓骨架置于基礎(chǔ)柱中[3]，按基礎(chǔ)上對應(yīng)已放好的軸線安放；綁扎柱筋、支設(shè)柱模完成后，將提前預(yù)制好的扁擔(dān)套架進行安裝，扣套對準螺栓套入其中，確保螺栓上部與鋼板無間隙；使用鋼管扣件與扁擔(dān)擔(dān)托加固連接，反方向與基礎(chǔ)柱加固模板處鋼管連接，以便調(diào)整扁擔(dān)套架所在軸線位置；點焊斜拉筋后，自鋼板灌注口澆筑混凝土。此做法可有效提高地腳螺栓預(yù)埋高精度定位，保護了螺栓螺紋，避免了因混凝土沖擊力所造成的螺栓組偏位及螺紋損壞。

4 扁擔(dān)套架三維模擬

采用BIM技術(shù)的三維建模功能，從工序便捷性提升、使用功能完善、成本降低等方面入手，分別對多種預(yù)埋螺栓形式進行三維模擬試驗，建立多功能套架模型，擇優(yōu)選擇人工操作簡便靈活、易裝快拆、可大量次循環(huán)使用的扁擔(dān)套架。擔(dān)托與鋼板的連接為剛性連接，與柱架體扣件連接[4]。扣套與鋼板焊接連接，反扣螺栓，見圖1。鋼板做為操作平臺，既需保證混凝土澆筑的可實施性，又需保證穩(wěn)定性[5]。

圖1 扁擔(dān)套架三維透視

5 施工操作關(guān)鍵技術(shù)

按照國家標準規(guī)范GB 50204—2015，同一螺栓組內(nèi)的螺栓中心距偏差不超過2 mm，頂標高允許偏差0～20 mm，中心距±2 mm，垂直度5 mm。經(jīng)與設(shè)計圖紙對照，螺栓采用M24摩擦型高強度地腳螺栓[6]，鋼柱底板、墊板孔直徑為26 mm，墊板孔僅比螺栓直徑大2 mm，所以對單個螺栓的預(yù)埋精度要求允許誤差必須控制在±2 mm誤差之內(nèi)。設(shè)計圖紙螺栓及螺栓孔布置見圖2、圖3。

圖2 螺栓及螺栓孔點位布置(單位:mm)

圖3 螺栓點位立面(單位:mm)

5.1 材料檢測及扁擔(dān)套架加工制作

(1)鋼板與鋼管檢測

鋼板與鋼管的選擇是高精度定位關(guān)鍵因素，扣套鋼管的質(zhì)量直接影響到施工后螺栓中心偏差、相鄰螺栓中心偏差、螺栓組中心與定位軸線偏差；鋼板質(zhì)量直接影響螺栓高度差、垂直度等。扁擔(dān)套架所需材料均要滿足規(guī)范要求。

鋼板與鋼管應(yīng)平直光滑，無嚴重銹蝕痕跡、無壓扁傾向，無毛刺、裂紋、疤痕、錯位、變形等缺陷。鋼管壁厚、管徑，鋼板公稱長度、寬度、厚度均應(yīng)符合國家規(guī)范要求。材料進場應(yīng)有產(chǎn)品合格證、出廠檢測報告和進場復(fù)測報告。

(2)扁擔(dān)套架加工制作

扁擔(dān)套架擔(dān)托采用國標外徑48.3 mm、壁厚3.6 mm的鋼管與鋼板雙面搭接焊，搭接焊長度不小于100 mm。鋼板中部設(shè)置直徑300 mm的混凝土灌注口。扣套選擇DN32 mm鋼管，壁厚為3.5 mm，內(nèi)徑為25 mm的無縫鋼管與鋼板焊接，扣套位置中點即螺栓所在螺栓組位置中點，中心線誤差為±0.2 mm，見圖4。

圖4 扁擔(dān)套架

5.2 工藝流程

初安裝定位→螺栓試裝、環(huán)箍焊接→螺紋保護→套架正式安裝→二次校正定位→混凝土澆筑校正→套架拆除。

(1)參照設(shè)計圖紙要求，對螺栓組四角方向的地腳螺栓進行所在軸線定位放線，明確四個角度的地腳螺栓所在的軸線位置及其標高；對四角點進行確認，在已澆筑完成的基礎(chǔ)上引出并標記螺栓組十字軸線標識(亦為螺栓扁擔(dān)套架中心軸線)，作為預(yù)埋螺栓首次安裝位置，見圖5、圖6。

圖5 扁擔(dān)套架中心軸線平面

圖6 扁擔(dān)套架中心軸線三維示意

(2)通過計算，明確設(shè)計圖紙螺栓標高和相應(yīng)坐標后，通過設(shè)計圖紙反算在鋼板上的定位位置，提前焊接預(yù)制(扣套外部與鋼板環(huán)圈滿焊，內(nèi)部無損傷且光滑)。取一平整的平面，將扁擔(dān)套架翻面平放，螺栓組所有螺栓對正塞入已加工校核好的扁擔(dān)套架扣套內(nèi)，使螺栓頂面與鋼板底面緊密結(jié)合，環(huán)螺栓組所有螺栓一圈，點焊環(huán)圈箍筋(環(huán)箍采用HRB400公稱直徑≥12 mm的鋼筋，焊接范圍為自根部≤150 mm范圍，焊接過程不得損傷螺栓)后，取出焊接好的架體，見圖7。

圖7 套架螺栓試裝及環(huán)箍焊接

(3)螺栓螺紋處使用廢舊機油涂抹均勻，凹槽紋可滿凃。因扣套與螺栓相扣剩余空間較小，螺紋外側(cè)微涂保證潤滑效果即可。用塑料薄膜進行嚴密纏繞，螺紋全面包裹，層數(shù)6～9層。

(4)將螺栓骨架置于基礎(chǔ)柱中，按基礎(chǔ)上對應(yīng)已放好的軸線安放后，綁扎柱筋。待柱筋綁扎、模板加固完成后，將扁擔(dān)套架平正套入所有螺栓組螺栓，用橡膠錘敲擊四個方向?qū)欠轿唬顾新菟敳颗c鋼板契合后，使用鋼管扣件與扁擔(dān)擔(dān)托加固連接，反方向與基礎(chǔ)柱加固模板處鋼管連接，以便調(diào)整扁擔(dān)套架所在軸線位置，見圖8。

圖8 套架完成效果圖

(5)因擔(dān)托與柱模板加固鋼管連接，施工過程中易碰觸模板，故螺栓組十字軸線不易在模板上標識，會產(chǎn)生相應(yīng)誤差；根據(jù)基礎(chǔ)上標記的十字中心線引出放線，亦存在誤差，校正工作需重新進行。校核后的中心線需與扁擔(dān)套架的十字中心線完全契合，標高校核扁擔(dān)套架四角點即可，同時反方向?qū)?dān)托和基礎(chǔ)柱加固模板處鋼管擰緊。在標高與軸線校正的同時，使用HRB400公稱直徑≥14 mm的鋼筋廢料將柱筋與固定環(huán)箍斜拉筋點焊(點焊迅速，不得影響螺栓組軸線位置及標高)，斜拉筋應(yīng)超出兩焊接點20～50 mm，且距基礎(chǔ)柱邊≤10 mm，見圖9。

圖9 斜拉筋焊接三維示意

(6)自灌注口進行混凝土灌注，泵管距灌注口高度控制在300～600 mm為宜。采用直徑30 mm振搗棒進行振搗，振搗時嚴禁碰觸預(yù)埋螺栓、扁擔(dān)套架或斜拉筋[7]，避免扁擔(dān)套架發(fā)生位移或螺栓偏位。澆筑時還應(yīng)時刻關(guān)注扁擔(dān)套架的情況，若出現(xiàn)位移，及時調(diào)正。混凝土達到初凝強度前，再次校核扁擔(dān)套架與軸線偏差，確保符合設(shè)計要求。

(7)待混凝土達到終凝強度后，拆除輔助鋼管，垂直向上取下套架，用膠帶將塑料薄膜全部纏繞，螺栓螺紋密封，防止螺栓絲扣被破壞。

6 扁擔(dān)套架優(yōu)點及經(jīng)濟效益分析

6.1 扁擔(dān)套架優(yōu)點

(1)本扁擔(dān)套架取材制作方便、防位移能力大；現(xiàn)場組裝拆卸方便、工序簡捷，有效保護了螺栓螺紋，降低施工成本、節(jié)約了二次處理費用[8]。

(2)采用此項工藝，有效保證了地腳螺栓高精度預(yù)埋，避免了澆筑過程中混凝土直接沖擊螺栓的情況發(fā)生，保證了預(yù)埋螺栓的施工質(zhì)量；無需針對單個螺栓進行精度校正，大大提高了施工效率[9]。

(3)扁擔(dān)套架無需待柱箍筋綁扎完成及模板安裝完成后施工，亦不受因后插螺栓所造成柱箍筋調(diào)整帶來的其他問題的制約，優(yōu)先安裝地腳螺栓工作面充足，操作方便[10]。

(4)施工更安全、環(huán)保，相同螺栓組多次循環(huán)使用，亦保證了廢舊鋼筋的利用率。

6.2 經(jīng)濟效益

本工程采用扁擔(dān)套架運用在預(yù)埋螺栓施工中，預(yù)埋螺栓的安裝精度、施工質(zhì)量、成品保護、工序便捷性均滿足施工及設(shè)計要求。節(jié)省了預(yù)埋螺栓的定位時間、減少了安裝校正的人工投入及超規(guī)范施工的二次處理成本消耗。經(jīng)過對本項目扁擔(dān)套架進行經(jīng)濟效益分析，在使用扁擔(dān)套架相較于未使用此項發(fā)明可節(jié)省12 d工期，人工費成本降低42.57%，安裝質(zhì)量問題概率由12%降至1.5%以內(nèi)，二次成本消耗節(jié)約效果可觀。

綜合測算:采用扁擔(dān)套架比傳統(tǒng)鋼板模具開洞定位、鋼筋套架焊接固定成本降低58.37%，人工費、材料費總成本為3.27萬元[11]，折合單螺栓組綜合單價為54.5元/組；采用傳統(tǒng)鋼板模具開洞定位、鋼筋套架焊接人工費、材料費總成本為7.855萬元，折合單螺栓組綜合單價為130.9元/組。二次處理成本消耗節(jié)約1.74萬元，工程累計可節(jié)省成本約6.325萬元。

7 結(jié)束語

通過本工程對扁擔(dān)套架的綜合評估，于安裝精度及質(zhì)量、穩(wěn)定性、安拆便捷性、工期要求、施工效率、環(huán)保及成本等方面為切入點，通過前期試使用、三維模擬，開發(fā)出一種綜合全優(yōu)性的新型施工工藝，同時該技術(shù)在項目上的研發(fā)和應(yīng)用獲得“扁擔(dān)套架”國家實用新型專利(專利號ZL 2018 2 1860297.9)。此項成果解決了鋼結(jié)構(gòu)鉸接埋置式螺栓高精度定位施工的重要難點問題，在鋼結(jié)構(gòu)施工中具有很強的實效性和推廣性[12]。