馬鞍形屋面鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁法蘭盤施工技術(shù)

于明剛　徐宏鑫/青島高新區(qū)投資開發(fā)集團有限公司

馬鞍形屋面鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁法蘭盤施工技術(shù)

于明剛徐宏鑫/青島高新區(qū)投資開發(fā)集團有限公司

本文以結(jié)合實際工程施工，通過鋼結(jié)構(gòu)法蘭盤工廠下料、鉆孔、預(yù)拼、現(xiàn)場安裝、螺栓施工等工序，對大型鋼管截面法蘭盤施工進行技術(shù)總結(jié)，從而指導(dǎo)類似工程施工。

張拉；法蘭盤；壓環(huán)梁；馬鞍形

前言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，各類“高、大、新、尖、特、重”項目如雨后春筍在全國各大省、市爭相綻放。特別是一些機場、車站、體育中心、會議中心等基礎(chǔ)設(shè)施項目，由于其處于所在城市的特殊地位，開發(fā)商們在設(shè)計初期便追求造型的新穎和別出心裁，并力求將建設(shè)項目打造為城市新地標。由于圓形截面，特別是鋼管類截面，其外形及受力性能的優(yōu)勢，受到了格外推崇，并廣泛的應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項目中。

另一方面，作為以圓管作為主體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)工程，由于受限于加工機械、運輸尺寸、安裝吊重等因素，鋼圓管的現(xiàn)場拼接必不可少，而考慮一般主體結(jié)構(gòu)鋼圓管徑大壁薄的特點，接口處的對接焊將對圓管外形圓形輪廓造成較大變形，因此鋼結(jié)構(gòu)法蘭盤連接得到了較好的應(yīng)用，特別是一些針對大管徑鋼管截面構(gòu)件。

1.工程概況

某工程體育場鋼結(jié)構(gòu)主體由空間壓環(huán)梁閉合而成，并形成空間馬鞍造型，每根壓環(huán)梁由兩根傾斜立柱支撐固定于混凝土平臺上。壓環(huán)梁高低點落差10米，高點處標高為52米。

表1　壓環(huán)梁截面信息Table 1 Section information of ring beam

2 .法蘭盤構(gòu)造信息

壓環(huán)梁間的連接全部采用法蘭盤對接，與工業(yè)用法蘭盤不同之處在于本工程法蘭盤之間無墊圈，而是直接由法蘭盤鋼板進行摩擦連接。法蘭盤為平板形式，并直接由鋼結(jié)構(gòu)加工廠進行下料、鉆孔制得。

壓環(huán)梁之間由2塊80mm厚Q390C法蘭盤通過48顆10.9級M36高強螺栓連接，螺栓需要施加100％預(yù)拉力，法蘭盤外徑1800mm，壓環(huán)梁外徑1500mm。

圖1　環(huán)梁法蘭連接Fig.1　Flange connection of ring beam in stadium

3.法蘭盤制作與拼裝工藝

法蘭盤制作的精準度直接影響到后期壓環(huán)梁現(xiàn)場高空連接，同時由于建筑設(shè)計對于外觀造型要求，法蘭盤面與壓環(huán)梁圓管截面并非完全垂直，而是存在一定夾角，且壓環(huán)梁空間位置的變化夾角隨之變化。壓環(huán)梁通過自身彎管來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體馬鞍造型，因此圓管與法蘭盤的位置關(guān)系要求更加嚴格。另外，相鄰壓環(huán)梁間的成對法蘭盤，由于法蘭盤自身與壓環(huán)梁間的定位可以繞環(huán)梁中心旋轉(zhuǎn)以及法蘭盤鉆孔的誤差累計，因此，如何保證相鄰成對法蘭盤螺栓的順利傳入，也需要在制作過程中加以考慮。

通過對現(xiàn)場施工及車間制作的整體規(guī)劃和部署，實際加工制作中采用了法蘭盤配對鉆孔、接頭單元拼裝、壓環(huán)梁整體預(yù)拼裝驗收等措施，加以控制，以滿足實際施工中的需要，法蘭盤整體制作與控制流程如下：

圖3　法蘭盤制作與控制流程Fig.3　The flow of flange manufacture and control

圖4　法蘭盤配對Fig.4 The flange group

　　圖5　拼裝單元Fig.5 The unit assembly

圖6　預(yù)拼裝驗收Fig.6 Pre assembled acceptance

工藝要點：

（1）對應(yīng)安裝法蘭盤為保證螺栓孔的對應(yīng)與順利穿入，將下料完成后的配對法蘭利用碼板焊接固定，以實現(xiàn)一次性鉆孔，提高孔位精準度。另外，為考慮后期法蘭盤與壓環(huán)梁焊接變形影響，于法蘭盤中心開透氣孔，孔徑200mm。壓環(huán)梁預(yù)拼驗收合格后下胎，涂裝前，采用10mm鋼板將透氣孔封堵，從而防止后期堆放、運輸過程中雜物或雨水進入。

（2）壓環(huán)梁由于截面較大（直徑1m以上），采用鋼板卷管過程中，以鋼板長度方向為卷管方向，即板寬方向平行于壓環(huán)梁方向，因此單個長度20米的壓環(huán)梁，均是由每段長度約3米卷管拼接而成。法蘭盤配對后，每側(cè)法蘭盤先與兩側(cè)3米長卷管拼接，形成約6米的拼接單元。

（3）拼裝單元完成后，將法蘭盤與壓環(huán)梁進行焊接。焊縫等級為一級全熔透，采用內(nèi)貼襯圈，6mm間隙全位置焊接。法蘭焊前應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～120℃，焊接工藝參數(shù)嚴格按照《焊接作業(yè)指導(dǎo)書》進行，焊后進行后熱處理，后熱溫度250～350℃，并保溫2h以上。焊接時，法蘭4個方向用M36的螺栓擰緊，安排4名焊工，對稱施焊焊縫①②（正反面），立向上位置焊接。再安排4名焊工，對稱施焊焊縫③④位置（正反面），平及仰位置焊接。完成后，擰下螺栓，再安排8名焊工同時對稱焊接螺栓位置焊縫（正反面）。

圖8　法蘭盤焊接順序Fig.8　The flange welding sequence

（4）法蘭盤焊接完成后，將拼裝單元在胎架上固定并定位準確，隨后焊接兩相鄰拼裝單元間的壓環(huán)梁本體卷管，以實現(xiàn)壓環(huán)梁的整體預(yù)拼裝。

（5）壓環(huán)梁的整體預(yù)拼裝采用循環(huán)拼，5組一拼，拼5留2原則，即5組拼接驗收完成后，前3組下胎涂裝后發(fā)運現(xiàn)場，后2組參與下一批預(yù)拼，以此循環(huán)，此方法保證每組壓環(huán)梁均參與到其相鄰壓環(huán)梁的預(yù)拼。

5.法蘭盤螺栓施工工藝

本工程法蘭盤螺栓采用10.9級M39大六角高強螺栓，每節(jié)點處48顆。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工流程，在壓環(huán)梁安裝完成后，即進入索網(wǎng)鋪設(shè)與張拉工序。在張拉過程中由于拉索不斷收緊，部分區(qū)段壓環(huán)梁處于受壓狀態(tài)，法蘭盤高強螺栓緊固施工時頂緊的接觸面之間間隙被壓實，可能導(dǎo)致高強螺栓對連接面預(yù)壓力損失。因此根據(jù)以往施工經(jīng)驗，本項目采用了高強螺栓預(yù)張拉工藝進行施工，即提前對高強螺栓施加預(yù)拉力，以保證項目整體結(jié)構(gòu)完成后高強螺栓緊固質(zhì)量。

高強螺栓預(yù)張拉施工工法是采用小型液壓設(shè)備對高強螺栓螺桿直接施加軸拉力，通過液壓設(shè)備讀數(shù)表控制螺桿軸拉力到達標準值后壓緊連接部件，用普通扳手將高強螺栓連接副螺母擰緊，釋放液壓力使高強螺栓連接副自身承受標準軸拉力，繼續(xù)壓緊連接部件。

法蘭盤螺栓施工選擇在法蘭盤兩側(cè)對應(yīng)壓環(huán)梁施工完畢并矯正結(jié)束后進行張拉施工，待合攏段壓環(huán)梁施工結(jié)束后完成全部法蘭盤螺栓的張拉施工。單組法蘭盤螺栓施工順序見下，第一步，從隔板分段處開始對稱安裝，每側(cè)對稱完成1/4圓周；第二步，施工人員轉(zhuǎn)180度反方向?qū)ΨQ安裝剩余圓周高強螺栓，完成法蘭盤連接。

圖9　第一步Fig.9 First step

圖10　第二步Fig.10 Second step

法蘭盤螺栓的張拉施工優(yōu)點在于：

（1）針對非標準高強螺栓連接副（國內(nèi)標準為直徑30mm以內(nèi)）的扭矩系數(shù)，特別是熱浸鋅防腐處理的高強螺栓連接副，由于其扭矩系數(shù)的離散性，目前國內(nèi)實驗室無法確定該螺栓的扭矩系數(shù)，因此采用施加扭矩力的方式無法確定具體緊固力矩值。預(yù)張拉施工工法是液壓設(shè)備直接對螺桿施加軸拉力，通過液壓表讀數(shù)控制軸拉力大小，不再需要確定高強螺栓扭矩系數(shù)，同時滿足國家標準對高強螺栓連接副緊固軸力值的要求。

（2）在對高強螺栓連接副施加扭矩力過程中，螺桿存在的扭剪應(yīng)力，降低了螺栓承受軸拉力的能力。采用預(yù)張拉施工工法避免了扭剪力對螺桿的影響，提高了高強螺栓連接副施工完成后的受拉承載能力，有利于結(jié)構(gòu)質(zhì)量、安全。

（3）液壓設(shè)備進行螺栓張拉時，液壓表控制精度高，避免了軸拉力超出范圍的情況，有利于提高高強螺栓緊固質(zhì)量。高強螺栓檢驗時，采取在現(xiàn)場巡查，確保按要求正確使用液壓設(shè)備，簡化檢查程序。

（4） 根據(jù)高強螺栓連接副受拉承載能力提高情況，采用液壓設(shè)備進行螺桿預(yù)張拉時，可以在國家標準軸拉力值的基礎(chǔ)上增大。增加的軸拉力可抵消部分區(qū)段壓環(huán)梁受壓頂緊接觸面損失的部分，由此避免了對高強螺栓連接副的第二次緊固，減小了機械設(shè)備、措施材料和勞動力的投入，同時降低了近50％的安全風(fēng)險。

圖11　螺栓張拉（a）Fig.11　Bolt tension(a)

圖12　螺栓張拉（b）Fig.12　Bolt tension(b)

6.合攏段法蘭安裝的保證措施

大跨度結(jié)構(gòu)采用法蘭盤對接時，其最終的合攏施工一直作為鋼結(jié)構(gòu)施工的重點和難點，施工前應(yīng)該有詳細的施工針對方案，施工過程中應(yīng)嚴格按照方案要求加以實施。針對本工程特點，實際施工中采取相應(yīng)措施加以保證：

（1）合理制定壓環(huán)梁安裝順序，減少累計誤差產(chǎn)生，以實現(xiàn)法蘭盤的準確對位。

（2）以施工模擬計算分析為基礎(chǔ)，提高構(gòu)件制作進度。

由于本工程采用了鋼結(jié)構(gòu)支撐加空間索網(wǎng)屋面體系，隨著索網(wǎng)張拉前后，屋面結(jié)構(gòu)施工前后分析計算，其引起的鋼結(jié)構(gòu)前后變形較大，施工之前利用結(jié)構(gòu)的最終完成態(tài)來反推鋼結(jié)構(gòu)安裝初始態(tài)，指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、制作及安裝，確保壓環(huán)梁法蘭盤及壓環(huán)梁本體最終通過張拉索網(wǎng)及屋面施工，最終實現(xiàn)最初的設(shè)計效果。

（3）合攏段壓環(huán)梁現(xiàn)場拼接施工措施。

合攏段壓環(huán)梁施工之前必須保證其相鄰壓環(huán)梁及其對應(yīng)傾斜柱安裝完成并趨于穩(wěn)定。然后將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中與合攏段對接的法蘭盤進行空間測量定位，將每個法蘭盤上、下、左、右四個點的空間坐標反饋至加工廠用以合攏段壓環(huán)梁的實測下料制作。同時，為保證最終合攏段法蘭盤的對接準確，將合攏段壓環(huán)梁3m段的拼裝單元與合攏段本體的車間對接焊縫改至現(xiàn)場原位焊接，并按照結(jié)構(gòu)計算的合攏限定條件，選取室外20°時進行合攏段的焊接，合攏段的拼裝步驟如下：

表2　合攏段壓環(huán)梁拼接步驟Table 2 The closure segment ring beam splicing steps

（4）后續(xù)施工的驗收復(fù)核。

鋼結(jié)構(gòu)合攏段安裝焊接施工完成后，需要對鋼結(jié)構(gòu)的整體位形進行復(fù)核，并將復(fù)核結(jié)果提供至索網(wǎng)、金屬屋面、膜等專業(yè)單位。各相關(guān)單位需要將鋼結(jié)構(gòu)成型模型與自身結(jié)構(gòu)進行碰撞、位移、受力情況進行分析驗算，并將結(jié)果提交設(shè)計單位與業(yè)主，經(jīng)審核確認后進入下到工序施工。各單位主要復(fù)核內(nèi)容包括壓環(huán)梁處的拉索連接、壓環(huán)梁與金屬屋面處的天溝連接、壓環(huán)梁與膜單位間的膜邊界連接等。

7.結(jié)語

通過對施工過程進行總結(jié)，針對國內(nèi)大跨度、大截面法蘭盤的制作與施工，例如法蘭盤的成對制作和預(yù)拼、高強螺栓施工工藝選擇、合攏段法蘭連接的保證措施可作為今后類似工程施工的參考依據(jù)，以提高大跨度大截面法蘭施工的精確度。

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