高層鋼結構商用樓工藝技術應用與探討

   1.前言
    隨著鋼結構設計理論、制造、安裝等方面技術的迅猛發展，大量的高層鋼結構建筑拔地而起。鋼結構可以將設計、生產、施工、安裝一體化，提高產業化水平,同時具備施工周期短、安裝精度高、抗震性能好、節能、環保等優勢，鋼結構市場必將有良好的發展前景。但是各種形式的鋼結構構件加工與安裝工藝、技術還有待于在應用過程中進一步完善。日前，我公司加工制作并安裝施工的“萊州百大商業綜合樓”工程是山東省煙臺市第一座高層鋼結構建筑，是一座集商業、辦公、酒店于一體的商業綜合樓。現將工程概況、鋼結構加工及安裝工藝方法和技術應用情況介紹如下，與同行探討。

    2.工程概況
    萊州百大商業綜合樓工程位于煙臺萊州市，本工程地上二十一層，地下一層，總建筑面積51106.4m2，高度達到90米以上，設計使用年限為50年。為商業、辦公、酒店綜合樓，并配套建設有商務中心和多項娛樂設施，是煙臺市第一座高層鋼結構建筑。上部結構為鋼框架-現澆鋼筋混凝土剪力墻體系；一層以下框架柱為鋼骨（十字型）混凝土柱，一層以上框架柱為箱型截面混凝土柱，內灌C50混凝土，框架梁為H型鋼，規格達27種之多，鋼柱采用工廠成品箱型柱。外墻為加氣砼砌塊，內隔墻為輕質墻板。

    3.鋼構件加工、安裝
    3.1鋼構件的制作
    本工程所用鋼構件全部采用工廠化制作，工廠設有焊接H型鋼生產線、熱軋H型鋼二次加工生產線、箱型柱生產線等成套設備生產線。具體設備主要有多嘴式火焰自動切割機、U型組立機、箱型組立機、隔板組立機、銑邊機、龍門焊機、電渣焊機、端面銑床、拋丸機、數控三維鉆床、數控帶鋸床、數控平面鉆床等。

為保證構件的加工精度，一是采用自動化程度較高的成套設備生產線和高精度單機設備；二是針對不同構件，制定焊接作業指導書，進行焊接工藝評定，編制焊接工藝，并實施焊前培訓，焊中跟蹤，焊后檢測的工藝驗證；三是根據工藝，編制產品檢驗計劃，確定關鍵過程和質量控制點，并嚴格執行首件檢查，工序控制和出廠檢查制度。實現制作設備先進化、工藝制度化、產品檢驗程序化。

    3.1.1箱型柱制作工藝
    本工程所用箱型柱為600*600mm，厚度由下至上依次減小，最大厚度32mm，最小厚度14mm，鋼板材質為Q345B。箱型柱本體加工在生產線上進行，經過切割下料、隔板組立、U型組立、隔板焊接、箱型組立、龍門焊接、電渣焊接、火焰矯形、端面銑削等工序而完成。

    隔板組立與焊接。箱型柱隔板切割下料后，在專用隔板組立機上進行，以確保組裝精度。組成電渣焊縫的每件隔板上的4條襯板（墊板），按要求控制其厚度，以保證后續電渣焊縫的質量。組裝好襯板的隔板需進行銑削加工（只加工電渣焊縫邊緣，垂直兩側CO2氣保焊縫邊緣采用半自動切割即可），以保證隔板周邊的平面度以及相鄰兩邊的垂直度。隔板實施單面焊，開單面45°“V”型坡口，背面加-6×30mm通長襯條，并預留3~6mm組裝間隙，亦可采用不預留組裝間隙、背面碳弧氣刨清根的辦法，以保證焊縫熔透。對多個隔板的，焊接時應間隔焊接，從中間往兩端跳焊，以減少焊接變形。焊接方法采用二氧化碳氣體保護半自動電弧焊。焊接24小時后，用斜探頭在內側對隔板焊縫進行超聲波探傷，按二級焊縫標準進行檢驗。

    箱型柱電渣焊接。熔嘴及焊接材料的選擇：熔嘴型號選擇Φ10，熔嘴長度比工件長出200mm。焊絲直徑選擇Φ3.2，型號 H08MnMoA配合焊劑HJ431或HJ360。焊接之前，在腹板上開設電渣焊孔（電渣焊孔尺寸應根據隔板厚度大小確定，但不允許超出電渣焊道2mm），保證電渣焊孔尺寸、表面粗糙度符合要求，然后將電渣焊孔內的異物清理干凈，焊道兩端按要求設置引弧、收弧套筒。引弧時，電壓應比正常電壓高5V左右，電流比正常焊接過程大50-100A。渣池形成后恢復正常電壓、電流。焊接電壓隨焊接過程而變化，應注意隨時調節電壓。為防止箱型柱焊接過程彎曲變形，同一隔板兩側的電渣焊同時施焊，熔嘴應保證在焊道的中心位置。焊接過程中，應隨時檢查熔嘴是否在焊道的中心位置，嚴禁熔嘴和焊絲過偏，焊接過程不得中斷。焊縫收尾時，應適當減小焊接電流，確保焊縫引到收弧套筒上熄弧。電渣焊完畢將冒口割掉磨平。焊后24小時進行超聲波探傷，按一級焊縫標準進行100%檢驗。

    箱型柱埋弧自動焊接。應用兩臺雙絲、雙弧龍門焊機，同時、同向對稱焊接。按規程加設引弧板、收弧板，寬度應大于80mm，長度大于100mm，其厚度、材質、坡口形式與母材相同，引弧與熄弧必須出構件焊縫外30mm以上。根據母材材質、板厚和焊縫等強原則，選擇焊絲型號HO8MnA、焊絲直徑Φ4，配合焊劑HJ431。

    焊接參數見表一：

    多層施焊時，選用合理的焊接順序，對同一側板的兩條焊道焊1～2遍，然后翻轉工件焊接另一側的兩條焊道3～4遍，再次翻轉工件，依次焊接直至焊滿。焊接24小時后對全熔透部位的焊縫，進行100%超聲波一級探傷檢查。

    3.1.2鋼梁制作工藝
    本工程共有H型鋼鋼梁27種，其中主梁15種，次梁12種，主梁最大規格為800*350*12*25，次梁最大規格為650*350*10*22，鋼板材質為Q345B。H型鋼鋼梁分為焊接H型鋼鋼梁和熱軋H型鋼鋼梁兩種。

    3.1.2.1熱軋H型鋼鋼梁本體在熱軋H型鋼二次加工生產線上進行，經過數控三維鉆床制孔、數控帶鋸床定尺鋸切、機械或火焰鎖口等工序而完成。

    3.1.2.2焊接H型鋼鋼梁本體在焊接H型鋼生產線上進行，經過切割下料、腹板與翼緣板組立、埋弧自動焊接、機械矯形、火焰矯形、制孔等工序而完成。

    下料：根據不同鋼板厚度，下料時考慮留有切割加工余量1-3mm和焊接收縮余量約1mm/m。上、下翼板接板應避免在三分之一跨中處。上、下翼板及腹板接板的焊縫應相互錯開200mm以上，腹板與端板的位置應大于600mm。

    組裝：在組立機進行。組裝前必須將接料工作進行完畢，應經無損探傷檢測合格。定位焊所采用的焊接材料型號，應與焊件材質相匹配。焊縫厚度約6mm，定位焊長度約40mm，定位焊間距一般為300～500mm。

焊接：采用船形位置、埋弧自動焊接方法完成焊接。

    1、焊前清理焊接接頭及其周圍的油、銹、水分和其它污物。

    2、根據母材選擇焊接材料（表二為參考值），焊劑按要求烘干。

    3、H型鋼兩端需加設引弧板與熄弧板。引弧板與熄弧板材質與H型鋼母材相同，其寬度、長度、厚度應分別≥80、100、10mm，焊接完畢應去除（禁止用錘擊法去除）引弧板與熄弧板并修磨光滑。

    4、根據焊腳高度或母材厚度選擇工藝參數（表三為參考值）
    5、選擇合理的焊接順序：4道H型鋼主焊縫要對稱施焊。

    3.1.3摩擦面處理
    采用H型鋼專用拋丸機，對高強度螺栓連接節點處的構件鋼材表面進行拋丸處理，高強度螺栓摩擦面處理后的抗滑移系數值必須符合設計文件的要求（鋼板材質為Q345B，抗滑移系數為0.45～0.55）。

    3.2鋼結構的安裝
    本工程第一節鋼柱為十字型與箱型柱組合的形式，地下一層為十字型柱，外包鋼筋，支設模板后澆筑砼，形成邊長1m的正方形鋼骨砼柱（見圖二），地下一層以上為邊長600*600mm的箱型柱（見圖二），共計49根。本工程綜合考慮構件尺寸、重量以及施工進度等因素，選用QTZ80、QTZ125塔吊各一部，保證鋼結構吊裝的順利進行。

    3.2.1鋼柱預埋螺栓的定位控制
    根據施工現場特點，在土建筏板基礎施工時，鋼柱地腳螺栓同時預埋，不同的鋼柱制作了不同預埋螺栓模具，模具采用鋼板焊接，預埋定位后螺栓與鋼筋穩固焊接，確保了混凝土施工時，不產生位移。在鋼結構鋼柱安裝時一次成功，預埋螺栓穿孔率高達98%，軸線位移不大于1.5mm，保證了以后鋼結構的安裝質量。

    3.2.2鋼柱垂直度、標高和平面軸線的控制
    本工程基準控制點采用內控法，將基準控制點放在樓內部（每層樓板同一位置預留200*200mm方孔），用高精度的激光鉛垂儀對垂直度控制；設立標準柱和沉降觀測點，以此控制鋼柱安裝的標高和平面軸線位置。

    3.2.3鋼柱快速對接安裝與焊接
    根據柱的對接安裝特點，通過組織專業人員分析研究，自行設計了鋼柱對接定位器和調節支撐桿，利用鋼柱對接定位器保證了柱對接的零錯口，同時通過調節支撐桿上的細調節螺母，實現了對上節柱垂直度和標高的一次性校正，與傳統的安裝方法相比可提高工效30%。上、下節鋼柱之間現場焊接時，由于設計采用了一端單邊“V”型坡口、另一端在加工場內進行銑床加工平面并加設背面內部襯板，且現場鋼柱安裝標高控制到位，因此，確保鋼柱現場連接橫向焊縫全熔透焊接質量。

    3.2.4鋼梁的安裝與焊接
    當鋼柱安裝形成穩定單元后，吊裝H型鋼鋼梁（主梁15種，次梁12種），采用高強螺栓與鋼柱連接，主梁上下翼緣與鋼柱進行焊接。高強螺栓連接是目前建筑鋼結構最先進的連接方法之一。它的特點是施工方便，可拆可換，傳力均勻。根據本工程的設計方案高強螺栓采用摩擦型連接。緊固辦法采用專用棘輪扳手和扭矩扳手分初擰和終擰兩個步驟完成。鋼梁與鋼柱牛腿的現場焊接，焊接方法采用二氧化碳氣體保護半自動電弧焊，單邊“V”型坡口、背面加設襯板結構形式，確保連接焊縫完全熔透。

圖二  地下一層為十字型鋼骨砼柱、地下一層以上為邊長600*600mm的箱型柱
    3.2.5鋼梁與砼樓板的連接
    按圖紙要求在鋼梁上焊接足夠數量的栓釘，以保證鋼梁與其上的砼樓板有效的連接。本工程栓釘規格為∮18*180、∮16*100兩種。栓釘施焊前，放線、抽檢栓釘及瓷環，瓷環應保持干燥，受潮的瓷環應經120℃烘干1h。正式施焊前做兩個試件，彎曲30°檢查合格后，方可正式施焊。

    3.2.6鋼柱內砼澆注
    本工程采用高拋法施工法，向鋼柱內澆注C50商品砼，借助重力作用，使商品砼自行震蕩密實，與箱型鋼柱結合更加牢固。

    4.質量控制結果
    通過實施以上技術質量保證措施以及有利的施工組織，在短短4個月之內，順利完成“萊州百大商業綜合樓”工程3900噸鋼結構的安裝任務。同時有效控制了鋼結構的制作和安裝質量，經監理方和業主驗收，“萊州百大商業綜合樓”工程的鋼結構制作和安裝符合《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002）和《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2001)。主要質量參數如下：

    每節鋼柱彎曲矢高均控制在3.0mm以內，柱身扭曲控制在2.0mm以內；H型鋼鋼梁彎曲矢高控制在10.0mm以內，扭曲控制在5.0mm以內，制孔精度達到0.5mm以內。工廠加工制作焊縫一次抽檢合格率達99.5%，鋼構件出廠合格率達到100%。施工現場鋼柱對接、柱梁連接焊縫探傷一次合格率99.6%，高強螺栓自由穿孔率達到99%。

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