基于大跨度鋼結構廠房的插入式鋼柱柱腳施工技術★

楊大勇，吳金池，商 智

(湖北工建集團第三建筑工程有限公司,湖北 武漢 430000)

鋼柱柱腳是鋼結構中的重要節點,其作用是將鋼柱下端軸力、剪力、彎矩傳遞給基礎,使鋼柱與基礎有效地連接在一起,確保上部結構承受各種外力作用[1-4]。鋼柱柱腳類型按柱腳位置分外露式、外包式、埋入式和插入式[5-10]。輕型鋼結構房屋和重工業廠房中通常采用插入式鋼柱柱腳,在抗震設防地區的多層和高層鋼框架柱腳宜采用插入式鋼柱柱腳[11]。

目前,插入式鋼柱柱腳一般是先澆筑預留杯口混凝土基礎,在鋼柱吊裝前采用灌漿料在預留杯口底部進行二次找平至柱底標高,待灌漿料強度達到設計值75%后采用起重機將鋼柱吊裝至預留杯口內就位,再采用經緯儀、水準儀等設備對鋼柱標高及定位進行校正,然后通過在預留杯口四周設置鋼楔子及在鋼柱頂部設置纜風繩對鋼柱進行臨時固定,再采用細石混凝土澆筑預留杯口至基礎頂面,同時在細石混凝土澆筑過程中對鋼柱定位進行實時監測,若出現偏差需在細石混凝土初凝前進行校正,最后待預留杯口內灌漿料強度達到預設值后松掉起重機吊鉤[12-17]。

然而,現有插入式鋼柱柱腳及其施工方法存在以下缺陷：1)由于預留杯口內灌漿料強度達到預設值(一般為設計值75%)的時間一般需要7 d左右,在這段時間內無法拆除起重機對下一個鋼柱進行吊裝施工,導致鋼柱柱腳施工工期較長,施工成本較高;2)由于預留杯口空間狹小,在預留杯口底部進行二次找平時平整度控制困難,柱底標高精度難以保證,進而影響鋼柱性能;3)在預留杯口細石混凝土澆筑過程中因振動棒振動會使臨時固定鋼柱的鋼楔子發生松動,進而產生鋼柱移位,導致鋼柱定位不準確,從而影響鋼柱性能,而且鋼楔子不能回收利用。

為解決上述問題,以隨州新能源項目的大跨度鋼結構廠房石墨化車間為例,介紹通過設置一套可拆卸的定位機構對鋼柱進行定位與臨時固定,可以達到使鋼柱安裝便捷、定位準確、節約工期、降低成本的目的,為插入式鋼柱柱腳的施工提供了一些施工經驗。

1 工程概況

隨州新能源項目是隨州高新區加速搶占新能源材料行業制高點的招商引資重點項目,總投資約30億元,該項目采用行業領先生產工藝,主要從事鋰電池負極材料生產。該項目位于湖北省隨州市曾都區淅河鎮余家畈白云大道以西,隨城山大道以南,包括石墨化車間、高溫碳化車間、低溫碳化車間、前驅體車間等多個大跨度鋼結構廠房,項目鳥瞰圖見圖1。其中石墨化車間為單層兩跨的大跨度鋼結構廠房,建筑面積約20 000 m2,平面軸網尺寸為73 m×261 m,主廠房為排架結構(跨度52 m、高度33.1 m、柱距9 m、雙層吊車),附跨廠房為門式剛架(跨度21 m、高度15.82 m、柱距9 m、單層吊車),鋼柱柱腳采用插入式,石墨化車間橫斷面見圖2。插入式鋼柱柱腳包括鋼柱(1)、混凝土基礎(2)、底座(3)、定位機構(4)、細石混凝土(5),其中底座(3)包括錨筋(31)、錨板(32)、第一角鋼(33)、第二角鋼(34)、底座縱向孔(331)、底座橫向孔(332),定位機構(4)包括直角立柱(41)、橫向板(42)、縱向板(43)、縱向端板(44)、定位板(45)、定位端板(46)、第一橫向孔(411)、第一縱向孔(412)、第二橫向孔(413)、第二縱向孔(414)、第三橫向孔(415)、第三縱向孔(416)、第四縱向孔(421)、第五縱向孔(422)、第四橫向孔(431)、第五橫向孔(432)、第六縱向孔(441)、連接孔(451)、第六橫向孔(461),插入式鋼柱柱腳橫/縱向側示意圖、底座立面圖、定位機構俯視圖、定位機構橫/縱向側示意圖見圖3—圖8。

2 新技術的特點

本項目施工面積大、工期緊、鋼柱安裝定位難度大。針對現有技術中鋼柱安裝工期長、定位不準確的問題,本項目提出了一種插入式鋼柱柱腳的新技術,包括混凝土基礎、底座、定位機構等,它們各自的特點如下。

2.1 混凝土基礎

混凝土基礎預留杯口,將預留杯口設計成矩形,預留杯口寬度方向設為橫向、長度方向設為縱向,預留杯口一般設計成上大下小的梯形,頂部邊緣線與底部邊緣線之間的水平距離s為25 mm～50 mm。

2.2 底座

底座設有四個,布置在預留杯口頂部四角,底座包括錨筋、錨板、第一角鋼和第二角鋼,錨筋預埋于混凝土基礎內,錨板固定安裝在錨筋上,錨板的頂面為水平面且與混凝土基礎頂面齊平或伸出混凝土基礎頂面外,將錨板的頂面設為定位機構安裝的基準面。錨筋可采用RRB400鋼筋,數量不小于4根,直徑不小于16 mm,長度不小于錨筋直徑的15倍;錨板可采用Q235鋼板,尺寸不小于150 mm×150 mm,厚度不小于10 mm。

2.3 定位機構

定位機構包括四個直角立柱和安裝在立柱中部和頂部的兩個水平定位框。水平定位框包括一對橫向板、一對縱向板以及一對定位板,一對橫向板沿橫向可拆卸的安裝在橫向兩側相鄰兩立柱的中部或頂部,一對縱向板沿縱向可拆卸的安裝在縱向兩側相鄰兩立柱的中部或頂部,一對定位板沿橫向可拆卸的安裝在一對縱向板之間。

第一橫向孔的中心線與錨板頂面之間的距離H1為40 mm～60 mm,第二橫向孔的中心線與第一橫向孔的中心線之間的距離H2為500 mm～700 mm,第三橫向孔的中心線與第二橫向孔的中心線之間的距離H3為500 mm～700 mm。

第一角鋼、第二角鋼、直角立柱、橫向板、縱向板、定位板均采用角鋼制作,具體可采用Q235等邊角鋼制作,截面均不小于L75×8;定位端板、縱向端板可采用Q235鋼板,尺寸不小于70 mm×70 mm,厚度不小于8 mm;螺栓為等級不低于5.6級普通螺栓,型號不小于M16,每個螺栓配置1個固定螺母。

為了減少材料損耗,避免安裝人員安裝時因部件規格型號過多而導致安裝錯誤的問題,第一角鋼、第二角鋼、直角立柱、橫向板、縱向板、定位板均采用同一型號角鋼,所有連接螺栓均采用同一型號螺栓,其選型與鋼柱的腹板高度有關,具體可參考表1。

表1 定位機構選型表

3 新技術的工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

澆筑具有預留杯口的混凝土基礎→安裝底座→鋼柱吊裝→安裝定位機構→向預留杯口澆筑混凝土。

3.2 操作要點

3.2.1 澆筑具有預留杯口的混凝土基礎

澆筑具有預留杯口的混凝土基礎,先開挖基坑,在基坑內鋪設并綁扎基礎鋼筋并留出預留杯口,向基坑內澆筑混凝土并進行養護形成具有預留杯口的混凝土基礎,將預留杯口寬度方向設為橫向、預留杯口長度方向設為縱向,預留杯口周邊應超出鋼柱外輪廓線不小于100 mm,預留杯口內表面在拆模時應立即進行打毛、清刷干凈。

3.2.2 安裝底座

在預留杯口頂部四角各安裝一個底座,先將錨板焊接在錨筋上后預埋于混凝土基礎內,澆筑混凝土并保證錨板的頂面為水平面且與混凝土基礎頂面齊平,待混凝土養護完成后在錨板上測量放線,確定第一角鋼與第二角鋼的準確定位,然后將第一角鋼的一肢水平焊接在錨板上,其另一肢沿橫向豎直設置,將第二角鋼的一肢水平焊接在錨板上,其另一肢沿縱向豎直設置,第一角鋼的另一肢和第二角鋼的另一肢呈一直角緊靠設置,確保底座縱向孔和底座橫向孔的中心線與錨板頂面之間的距離相等,且所有底座縱向孔的中心線與預留杯口縱向中心線之間的水平距離均為W,所有底座橫向孔的中心線與預留杯口橫向中心線之間的水平距離均為L。

3.2.3 鋼柱吊裝

用起重機吊裝鋼柱并使其下部插入預留杯口內,鋼柱在插入深度范圍內不得刷油漆,柱腳安裝時應將鋼柱表面的泥土、油污、鐵銹和焊渣等用砂輪清刷干凈。

3.2.4 安裝定位機構

1)在直角立柱兩肢的底部分別開設與底座橫向孔和底座縱向孔相對應的第一橫向孔和第一縱向孔,在直角立柱兩肢的中部分別開設等高的第二橫向孔和第二縱向孔,在直角立柱兩肢的頂部分別開設等高的第三橫向孔和第三縱向孔,并使第一橫向孔、第二橫向孔、第三橫向孔的圓心位于同一豎線上,使第一縱向孔、第二縱向孔、第三縱向孔的圓心位于同一豎線上,將直角立柱安裝在對應的第一角鋼與第二角鋼上,直角立柱的直角緊貼第一角鋼與第二角鋼的直角設置,底座橫向孔和第一橫向孔之間、底座縱向孔和第一縱向孔之間均通過螺栓連接并使四個立柱保持豎直狀態呈矩形布置,此時,橫向側相鄰的兩個直角立柱的第一縱向孔之間的距離、第二縱向孔之間的距離、第三縱向孔之間的距離均為2W,縱向側相鄰的兩個直角立柱的第一橫向孔之間的距離、第二橫向孔之間的距離、第三橫向孔之間的距離均為2L。

2)制作橫向板、縱向板和定位板,在橫向板的一肢上開設有兩個中心距為2W的第四縱向孔,在縱向板的一肢上開設兩個中心距為2L的第四橫向孔,在縱向板一肢上位于兩個第四橫向孔之間設有用于安裝定位板的第五橫向孔,定位板的兩端安裝有定位端板,定位端板上設有與第五橫向孔對應的第六橫向孔,定位板的一肢上開設有連接孔。

3)將一對橫向板沿橫向安裝在橫向兩側相鄰兩立柱的中部,將一對縱向板沿縱向安裝在縱向兩側相鄰兩立柱的中部,將一對定位板沿橫向安裝在一對縱向板之間,由于一對定位板之間的間距等于鋼柱腹板高度,此時鋼柱兩橫向側分別緊貼兩個定位板設置,對鋼柱的縱向位置進行第一次固定。

4)將一對橫向板沿橫向安裝在橫向兩側相鄰兩立柱的頂部,將一對縱向板沿縱向安裝在縱向兩側相鄰兩立柱的頂部,將一對定位板沿橫向安裝在一對縱向板之間,由于一對定位板之間的間距等于鋼柱腹板高度,此時鋼柱兩橫向側分別緊貼兩個定位板設置,對鋼柱的縱向位置進行第二次固定。

5)調整鋼柱位置使其所有定位孔與所有連接孔一一對應,并通過穿入對應定位孔和連接孔內的螺栓將鋼柱與定位板固定連接,進而將鋼柱與定位機構、底座、混凝土基礎固定連接成一體。

3.2.5 向預留杯口澆筑混凝土

松掉起重機吊鉤,向預留杯口內澆筑混凝土(具體可為細石混凝土)并進行養護,養護一段時間后拆除定位機構,養護一段時間指細石混凝土強度達到設計值75%以上時,杯口細石混凝土強度等級比混凝土基礎至少高一級且不小于C40。

4 結語

本技術提供了一種插入式鋼柱柱腳及其施工方法,它通過增加一套用于對鋼柱進行定位與臨時固定的可拆卸式定位機構,可以達到使鋼柱安裝便捷、定位準確、節約工期、降低成本的目的。

1)本技術通過在預留杯口頂部四角各安裝一個底座對定位機構進行定位,預埋于混凝土基礎內的錨筋無定位要求,只需校準錨板頂面為水平面,并以此校準第一角鋼和第二角鋼的安裝位置,最終保證底座橫向孔和底座縱向孔的精準定位即可,大大降低了定位難度,提高了定位精度。

2)本技術在鋼柱吊裝至預留杯口后安裝定位機構,將定位機構的直角立柱與直角安裝板之間、橫向板或縱向板與直角立柱之間、定位板與縱向板之間、定位板與鋼柱之間均通過插入預設孔內的螺栓進行連接,普通施工人員即可完成安裝,操作簡單、快速、可靠,后續拆卸也簡單快速,而且通過對橫向板、縱向板、定位板各孔的精準設計,可以精確控制定位機構和鋼柱的標高和定位,無需在預留杯口底部采用灌漿料二次找平,避免了因預留杯口空間狹小導致二次找平平整度控制困難進而使柱底標高精度難以保證的問題。

3)本技術在定位機構安裝完成后即可將鋼柱與混凝土基礎連接成穩固的一體,便可松掉起重機,無需等待預留杯口內灌漿料養護強度達到預設值,起重機便可投入下一吊裝作業,大大縮短施工工期,降低施工成本。

4)本技術采用定位機構對鋼柱的上部進行臨時固定,相較于采用鋼楔子進行固定的方式,本技術可以避免在預留杯口細石混凝土澆筑過程中因振動棒振動使臨時固定鋼柱的鋼楔子發生松動進而產生鋼柱移位導致鋼柱定位不準確的問題。

5)本技術定位機構的各部件之間、其與底座和鋼柱之間均采用螺栓進行可拆卸連接,待預留杯口細石混凝土強度達到設計值75%后可拆除定位機構供下一個鋼柱柱腳重復使用,與現有技術將鋼楔子澆筑于預留杯口相比,本技術具有良好的經濟性。