裝配式鋼結構配電室應用技術研究

周亭亭

(天勤安裝工程有限公司,山東省濟寧市任城區任興路69號 272000)

我國鋼結構產業起源于20世紀五、六十年代,當時在蘇聯的援助下,建設了冶金、造船、飛機等工業鋼結構廠房。

近年來在國家政策大力支持下,傳統建筑產業逐步邁向工業化、數字化、智能化。鋼結構裝配式建筑是建筑產業轉型發展的重要抓手,且具有工業化、智能化建造的天然基因和先天產業環境優勢。工業互聯網是建筑產業數字化發展的引擎,是提升裝配式建筑市場綜合競爭力的有效手段。裝配式鋼結構的產值占建筑業的總產值比重總體上呈上升趨勢,在2020年達到3.07%,但這遠遠落后于國外30%的比例。

鋼結構行業內主要存在以下四個方面的問題:

一是鋼結構行業市場的集中度較低。2020年,我國水泥行業前5名企業熟料產能占全行業比重達79%,而同期的鋼結構行業前五名企業占比市場份額僅為4.67%。

二是中國鋼結構設計理念和技術跟不上世界潮流。很多超高層建筑和具有特殊要求的建筑業務多為國外建筑設計師所攬獲。

三是工業、交通、市政等鋼結構靠前發展,而住宅鋼結構建筑由于存在設計、配套、系統集成等方面的問題,一直遲滯不前。

四是鋼結構研發成本不足,標準及應用規范缺項、滯后,企業的競相壓價導致行業整體盈利能力下降。

國內對于裝配式鋼結構住宅研究較早的是同濟大學國家土建結構預制裝配化工程技術研究中心,該中心團隊完成的國家自然科學基金項目和國家重點研發計劃重點專項“鋼結構建筑產業化關鍵技術及示范”(項目編號:2017YFC0703800),正在研究開發多高層異形鋼管混凝土柱住宅和多層高層冷彎型鋼框架-龍骨式剪力墻住宅兩種新型裝配式鋼結構建筑產品,以及與之配套的新型標準化裝配式樓面系統,在成本不高于現有體系的基礎上,實現裝配率80%以上,部品工廠預制率90%以上,相比現有體系提升整體建造效率30%以上,減少現場建筑垃圾50%以上[1-5]。

裝配式鋼結構配電室應用技術,依托校企合作的優勢,針對裝配式鋼結構矩形扁管柱砼灌芯澆筑技術進行系統研究,相比“混凝土壓力注漿法”,不僅操作簡便、效率高、施工安全,澆筑質量也完全符合設計要求。

該技術體系降低了碳排放,減少了大型設備使用,提高了安全性能,并且矩形扁管柱無開孔和破壞,創新點中包含的“提高大截面箱型柱焊接技術”“矩形扁管柱混凝土澆筑”“可調式胎架創新設計”等一系列技術成果與同類技術相比,減少了環境污染,降低了制造成本,提高了制造精度、標準等級和施工安全性能,能確保施工人員生命、財產安全,縮短了總工期,形成了較好的經濟和社會效益。但該技術體系只是應用在民用建筑配電室項目,項目應用經驗不豐富,下一步將在民用住宅和公共建筑中推廣應用,積累更多的經驗。

1 重點難點分析

1.1 鋼結構裝配式項目鋼結構的制作難點

構件截面相對比較小、項目整體用鋼量很低,鋼構件在制作和安裝過程中變形比較大。尤其是梁柱節點設計為隔板貫通式連接節點,鋼柱分段較多,對構件安裝完成后的垂直度要求很高,對現場矩形扁管鋼柱混凝土灌芯澆筑的密實度也有更高要求。因為該工程為兩層配電室工程,為了提高使用率形成大的開間方便電氣設備布置,項目要求鋼柱、鋼梁以及支撐等構件全部隱蔽,可達到建筑平面布置靈活,提高空間使用率的效果。

以該項目為例,原有配電室設計規格為3m×5.5m,C20混凝土板墻厚度為0.24m,室內設計有6根規格為0.4m×0.4m的框架柱,層高3.4m,共計2層。依據設計,計算建筑面積為3m×5.5m×2=33m2,板墻所占公攤面積為33m-(3m-0.24m×2)×(5.5m-0.24m×2)×2=7.7m2,框架柱所占公攤面積為0.4m×0.4m×6×2=1.92m2,因此原有配電室空間使用率為(33m2-7.7m2-1.92m2)÷33m2=70.85%。

通過采用矩形扁管柱H型鋼框架+支撐體系,優化結構設計,鋼柱、鋼梁以及支撐等構件全部隱蔽在0.24m厚度墻體內,減少了框架柱所占公攤面積1.92m2,空間使用率達到(33m2-7.7m2)÷33m2=76.67%,空間使用率提高76.67%-70.85%=5.82%,同時節省了用鋼量,形成了較大的經濟效益。

1.2 扁鋼管柱混凝土澆筑密實度難以控制

配電室鋼柱從下往上采用變截面的扁鋼管柱,變截面的扁鋼管柱在保證受力結構要求的同時用鋼量低,可有效降低工程造價,同時避免了普通鋼管柱易出現的凸架、品柱等節點問題。內部為自密實混凝土,在保證混凝土的密實度同時,無收縮性。柱混體系的解決,最大程度的提高了結構穩定性和力學性能,降低了用鋼量和碳排放。

文中矩形扁管柱,柱截面最大為180mm×600mm,柱截面最小為160mm×300mm,因截面小且存在變截面的特點,為保證混凝土灌注過程中的流暢性和灌注完成混凝土的密實度,避免矩形扁管柱內部出現堵塞混凝土灌注和混凝土空鼓等質量問題,應從矩形扁管柱制作和灌注兩個方面采取控制措施。

2 針對重點難點的施工解決方案

2.1 鋼管柱組裝胎架

鋼管柱單體截面尺寸大,重量大,為確保鋼管對接精度達到設計要求,根據鋼管構件形狀特點設計了可調式鋼管對接組裝胎架,胎架如圖1所示。

圖1 可調式胎架Fig.1 Adjustable tire bed

在剛性平臺上劃出滾輪胎架定位線(包括兩邊邊緣線和中心線),按定位線設置滾輪;同時調節可調節螺栓,確保滾輪中心線連線與基準中心線平行,且在同一平面上。鋼管對接組裝滾輪胎架布置如圖2所示。

圖2 鋼管組裝胎架布置Fig.2 Layout of steel pipe assembly jig

2.2 中厚板全熔透T型焊縫焊接技術體系

矩形扁鋼管柱材質為Q355GJ,35mm厚度。根據《鋼結構焊接規范》GB 50661-2011第3.0.1條,鋼結構工程焊接難度等級B級,受力狀態為靜載且板厚方向受拉或間接動載,中厚板全熔透T型焊縫焊接是焊接難點:一是鋼板的碳當量及拘束度均較大,焊接難度大,焊接應力大,易出現焊接冷裂紋;二是焊接變形控制難度大,變形校正難度大。文中針對該項難題進行研發,提出了中厚板全熔透T型焊縫焊接技術體系,主要包含5項技術措施:

2.2.1 穩定焊接隊伍

中信項目的構件固定焊工焊接,每天早會總結焊接過程中出現的問題,提高焊工的責任意識,誰焊接誰返修,強化考核。

2.2.2 提升焊工技能

進行焊工技能提升活動,對焊接有質量問題的焊工由焊接班長和探傷員對焊工焊接手法和缺陷避免進行現場指導,厚鋼板焊接組織焊工學習多層多道焊接和焊接順序的控制,降低焊縫內應力。

2.2.3 提高裝配質量

強化對熔透焊縫的焊前坡口、母材打磨,加強裝配質量控制,對焊縫的裝配間隙嚴格控制,杜絕大間隙和無間隙的情況出現。

2.2.4 做好焊前預熱和焊后緩冷工作

厚板焊接,特別是在溫度較低的環境焊接,必須做好焊接前的預熱工作,焊縫焊接完成后要做好保溫棉對焊道覆蓋,降低焊縫溫度的急劇下降,提高焊縫的內部質量。

繼續研究焊接坡口:在保證焊接質量合格的基礎上,進一步實驗研究降低坡口角度,降低焊工人工用量,降低焊接輔材和其他費用,提高焊接效率。

2.2.5 實施對策和效果檢驗

針對制定的對策組織工段執行,并對執行情況進行檢驗。

(1)焊工焊接隊伍穩定,焊接質量穩步提高。

(2)焊工技能穩步提高,焊接質量保持穩定水平,降應力措施應用得當。

(3)焊縫坡口面打磨和焊縫鋼板母材面打磨執行良好,裝配間隙控制較好。

(4)焊前火焰預熱措施和焊后保溫棉覆蓋緩冷措施執行良好。

(5)通過實驗研究,選取焊接坡口角度為37°/50°焊接條件下完成的300個構件,經超聲波探傷檢測,焊接平均合格率達到97.2%以上。

再通過降低焊接坡口角度到28°/40°,在采取了前文2.2.1-2.2.4條技術措施后,包括焊絲和人工等焊接成本有效降低的情況下,選取完成的300個構件,經超聲波探傷檢測,焊接平均合格率仍可達到97.65%以上。

實驗結果表明,通過降低坡口角度,在保證中厚板全熔透T型焊縫焊接質量的前提下,降低了焊接成本,取得了較好的經濟效益,具有較大的推廣價值。

通過以上措施顯著地解決了該項目中厚板全熔透T型焊縫焊接質量控制的問題。此方案簡單易操作,具有廣泛的適用性,提高了中厚板T型焊縫的生產效率,縮短了交貨周期,很好的完成了項目的履約,其創造的經濟效益與生產效率價值初略分析如下:

(1)焊接成本和用工成本減少50元/噸;

(2)輔材成本在原有基礎上降低32%;

(3)構件整體制作效率提高30%。

2.3 施工技術桌面會議和技術交底

項目實施前,組織各方技術力量召開桌面會議,審議設計文件,提出重難點問題解決措施,提請建設單位組織該項目的設計單位進行設計交底,項目技術負責人在施工前對管理人員進行技術交底,質量員對作業人員技術交底。

2.4 制作控制要點內容

焊前應根據焊接工藝評定報告,采取焊前預熱焊后熱處理和焊后消氫處理等措施,防止產生焊接裂紋。

鋼柱拼裝接頭位置,為便于制作和安裝施工,可在取得設計單位書面文件后,對設計圖紙中變更位置作適當調整。

2.4.1 焊接應力消除措施

一般來說,可以從設計和工藝兩方面著手:

(1)設計措施:盡可能減少焊縫數量;合理布置焊縫;采用剛性較小的接頭形式。

(2)工藝措施:采用合理的裝配和焊接順序及方向;縮小焊接區與周圍結構的溫差;加熱“減應區”法;降低接頭局部的拘束度;錘擊焊縫。

2.4.2 矩形扁管柱制作安裝控制措施

矩形扁管柱砼灌芯澆筑技術應在施工組織設計中包含主控檢測項目:扁鋼管柱的質量檢測項目以及允許偏差,“H”型鋼梁的質量檢測項目以及允許偏差。

冷彎成型高頻焊接“H”型鋼適用鋼梁截面高度在300mm以下及“H”型鋼梁翼緣及腹板厚度分別在10mm,可有效解決因構件截面高度小和構件翼緣腹板薄等原因造成主材在組立埋弧焊焊接時產生的扭曲變形等問題。

專項質量檢測小組應根據規定嚴格檢驗,相關檢驗合格率達到100%方可出廠。

現場吊裝時,柱的定位軸線以地面軸線控制網為基準,利用投線儀、經緯儀、水平儀等設備分別把軸線引入各個樓層,進行各個柱的控制軸點放樣、設樁點,再采用前、后通視方法進行各個柱的軸線控制,鋼結構現場施工流程如圖3～圖8所示。

圖3 X型支撐焊接Fig.3 Welding of X-shaped support

圖4 V型支撐焊接Fig.4 4 V-shaped support welding

圖5 扭剪型高強螺栓緊Fig.5 Torsional shear type high-strength bolt tightening

圖6 梁柱節點焊接Fig.6 Welding of beam column nodes

圖7 鋼梁焊縫Fig.7 Welding seam of steel beam

圖8 現場打磨刷漆Fig.8 Site polishing and painting

2.5 矩形扁管柱混凝土澆筑工藝流程

裝配式鋼結構矩形扁管柱砼灌芯澆筑的施工方法簡單,施工速度快,安全性較高,經濟性最高。采用3m振動棒每個鋼柱澆筑混凝土時進行振搗,確定澆筑速度與振動棒插拔速率,直到鋼柱內混凝土的上表面有浮漿出現,不再產生氣泡,滿足要求。

矩形扁管鋼柱,插入振動棒,進行混凝土灌注,一邊澆筑,一邊緩慢提拔振動棒。矩形扁管柱內連續進行澆筑混凝土,不能預留施工縫,澆筑完畢,初凝后澆水養護。應將管口封閉,以免水、油、雜物落入。

為了保證混凝土的澆筑質量,混凝土在澆筑時能自由下落,同一根扁鋼管柱設置的內隔板孔在安裝完成后必須進行驗收,達到都在統一中心線上,尤其對于上下變截面通過錐頭對接的扁鋼管柱是控制的重點。

扁鋼管柱每層上下位置外側壁根據設計文件設置一定數量的透氣孔,孔徑規格為20mm,對稱開設布置。設置透氣孔的目的是排出空腔內的空氣,避免空鼓或堵塞混凝土。

結構采用貫通式梁柱連接節點,在梁柱連接對接扁柱位置設置內隔板,增加橢圓形灌漿孔,四角增加透氣孔,孔徑約20mm,進一步保障了混凝土從上向下澆筑的順暢性[6],扁形柱通氣孔如圖9所示。

圖9 扁形柱通氣孔Fig.9 Flat column vent hole

澆筑前檢查扁柱內部,確保無施工垃圾和臨時支撐等妨礙混凝土澆筑構件,以此保證混凝土澆筑的密實度。

2.6 鋼柱灌芯混凝土質量控制主要標準

鋼柱灌芯混凝土應編制專項施工方案,經審批后方可實施。

使用經驗豐富的專業混凝土澆筑作業人員,施工前技術人員應對所有施工人員進行技術交底,對工序的難點重點關鍵部位進行逐一解讀交底,確保每一位施工人員了解該工序的施工過程。

鋼柱灌芯應采用細石自密實混凝土,進場首先做塌落度試驗,符合要求的方可使用,不符合要求的直接做退場處理。

在施工時加強質量管控,將3m長插入式振搗棒插入至鋼柱底部,加強振搗,確保振搗密實,混凝土表面出現氣泡、出現浮漿、不再沉落為振搗合格,輔以人員觀察溢漿孔是否溢滿水泥漿液,使用錘敲擊檢查法檢查是否澆筑密實,確保工程質量。

柱芯混凝土終凝完成后,采用灑水養護。

柱芯混凝土強度達到2.5MPa時方可進行鑿毛處理。為保證上下節鋼柱灌芯混凝土整體性,在下節鋼柱灌芯時插入兩根桁架筋加強鏈接效果[6-8]。

3 結語

鋼結構本身具有裝配式建造的天然優勢,是發展裝配式建筑國家戰略的重要方向之一。

裝配式鋼結構配電室應用技術,研發提出的“提高大截面箱型柱焊接技術”“矩形扁管柱混凝土澆筑”“可調式胎架創新設計”和“中厚板全熔透T型焊縫焊接技術體系”等一系列技術成果,經過多個項目實踐應用,形成了基于BIM和工業互聯網技術,研發出集設計、加工、物流、安裝等全過程、全專業、全產業的一體化、平臺化的智能建造技術和平臺軟件;實現基于互聯網平臺的設計過程數字化和自動化;實現設計與部品加工、物流條件、現場安裝條件的無縫對接;實現建造過程的標準化、流程化。在國內住宅市場應用前景廣闊,也可用于其他高層公寓和辦公用建筑。

該技術體系提供的建造范式和形成的技術成果也可為其他裝配式鋼結構建筑提供借鑒。