大跨距保形工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

□ 孟平原 □ 王 珩 □ 張俊亞

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1 設(shè)計(jì)背景

隨著鋼筋混凝土技術(shù)的普遍應(yīng)用,大型結(jié)構(gòu)承重工程的基礎(chǔ)多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可塑性佳,新拌和的混凝土可根據(jù)需要澆筑成各種形狀、尺寸的構(gòu)件,且現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性較好,設(shè)計(jì)合理時(shí)還具有良好的抗震、抗爆和抗振動(dòng)性能。但是,當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸精度或形位公差無法滿足技術(shù)要求較高的工程結(jié)構(gòu)時(shí),就需要設(shè)計(jì)工裝予以輔助。

某大型工程的安裝基座布局如圖1所示,X和Y為該工程的兩個(gè)安裝基座平臺(tái),除了圖中的各形位公差、尺寸精度要求外,該安裝基座的技術(shù)要求還有:①X和Y兩平臺(tái)上32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度誤差不大于3 mm;② 圖中N向與正北方向的角度偏差不大于0.2°,測量精度0.01°;③ 安裝基座承載不低于400 t。

經(jīng)過對(duì)工程安裝基座布局圖及其技術(shù)要求分析,可知安裝基座32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度不大于3 mm,單側(cè)平臺(tái)基座螺栓孔位中心尺寸精度為±1 mm,X、Y兩平臺(tái)基座螺栓孔位中心連線的平行度和對(duì)稱度不大于3 mm,平臺(tái)基座螺栓孔中心縱向連線N向與正北方向偏差不大于0.2°,在質(zhì)量不大于400 t的設(shè)備安裝于基座后,X、Y兩平臺(tái)需同時(shí)沉降,最終滿足安裝基準(zhǔn)面平面度不大于3 mm的要求。

圖1 工程安裝基座布局

對(duì)于以上要求,混凝土施工無法保證X、Y兩平臺(tái)平面度不大于3 mm和安裝基準(zhǔn)面平面度不大于3 mm的要求[1],而且X、Y兩平臺(tái)跨距較大,達(dá)13 421 mm,如此大的跨距單獨(dú)預(yù)埋32個(gè)地腳螺栓,不僅無法達(dá)到各尺寸精度要求,而且無法滿足對(duì)稱度、平行度及沉降后共面的要求。因此,需要設(shè)計(jì)專用的混凝土預(yù)埋大跨距保形工裝,來保證工程安裝基座滿足使用要求。

2 工裝設(shè)計(jì)要求

通過對(duì)該工程安裝基座的分析研究,確認(rèn)大跨距保形工裝的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求:

(1) 預(yù)埋大跨距保形工裝與澆筑的鋼筋混凝土基座平臺(tái)基礎(chǔ)形成整體,滿足地腳螺栓安裝強(qiáng)度和平臺(tái)基座沉降后安裝基準(zhǔn)面繼續(xù)共面的要求[2];

(2) 工裝按照基座平臺(tái)各螺栓孔位布置32個(gè)地腳螺栓,保證孔距精度,并設(shè)計(jì)兩平臺(tái)框架的32個(gè)安裝基準(zhǔn)面,達(dá)到兩平臺(tái)框架安裝基準(zhǔn)面的平面度要求;

(3) 設(shè)計(jì)兩平臺(tái)框架之間采用X形框架連接,控制工裝整體變形,并保證兩平臺(tái)上32個(gè)地腳螺栓孔位中心連線的平行度、對(duì)稱度要求,同時(shí)控制混凝土澆筑過程中振動(dòng)沖擊對(duì)安裝精度的影響;

(4) 工裝本身具有足夠的剛度和強(qiáng)度,保證在運(yùn)輸、安裝過程中不變形。

3 工裝設(shè)計(jì)方案

由于工程安裝基座的X、Y兩平臺(tái)跨距大,在重力及外部因素的影響下,大跨距保形工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在工程安裝基座布局圖的基礎(chǔ)上,提出更高的形位公差和尺寸精度要求,如圖2所示。大跨距保形工裝為兩端平臺(tái)框架加中間X形框架的一體化結(jié)構(gòu),這樣可以在加工過程中控制工裝各尺寸精度和形位公差要求[3],并保證澆筑后的基座安裝設(shè)備后,各安裝基準(zhǔn)面繼續(xù)共面的要求,使基座平臺(tái)滿足使用要求。

保形工裝的跨距尺寸較大,主要結(jié)構(gòu)件需要選用抗變形能力強(qiáng)的材料。此外,由于地腳螺栓需要垂直于平臺(tái)安裝基準(zhǔn)面,而且不允許竄動(dòng),因此選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大的槽鋼作為主要材料,如此既能夠滿足平臺(tái)框架承重不變形或變形小的要求[4],又可以在槽鋼腿寬度方向?qū)ΨQ開兩孔安裝地腳螺栓,保證地腳螺栓垂直于平臺(tái)框架,并防止竄動(dòng)。地腳螺栓如圖3所示。

為提高平臺(tái)框架的抗扭、抗變形能力,選擇由槽鋼連成平臺(tái)框架,雙方管作為輔助支撐架。平臺(tái)框架實(shí)物如圖4所示,平臺(tái)框架設(shè)計(jì)圖如圖5所示。同時(shí),將M48地腳螺栓設(shè)計(jì)為T形,埋入平臺(tái)基礎(chǔ)不小于1.2 m,并在平臺(tái)框架的槽鋼側(cè)面對(duì)稱加工若干孔,用以安裝鋼筋,并將鋼筋與平臺(tái)基礎(chǔ)的鋼筋混凝土框架焊接在一起,提高工裝與平臺(tái)基礎(chǔ)澆筑一體化的牢固程度,以防質(zhì)量小于400 t的設(shè)備安裝后,工裝剝離基座。

圖2 大跨距保形工裝設(shè)計(jì)圖

圖3 地腳螺栓

圖4 平臺(tái)框架實(shí)物

圖5 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)圖

工程安裝基座中,X、Y兩平臺(tái)的安裝基準(zhǔn)面在32個(gè)螺栓孔位處,安裝基準(zhǔn)面的平面度在平臺(tái)框架的加工過程中進(jìn)行控制,控制措施為:在平臺(tái)框架16個(gè)螺栓孔位處焊接一定厚度的鋼板,待框架焊接成形后,銑加工各鋼板上表面,并與平臺(tái)框架安裝基準(zhǔn)面共面,誤差在0.05 mm范圍內(nèi)[5]。

另外,大跨距保形工裝的安裝對(duì)前期澆筑的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)也有一定要求。前期澆筑的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平臺(tái)基礎(chǔ)高度不低于3 m,并按M48螺栓位置預(yù)留出400 mm×400 mm預(yù)埋坑,坑深不小于1.5 m。架設(shè)大跨距保形工裝前,在中間X形框架連接處對(duì)稱搭建三個(gè)小型安裝平臺(tái),高度不大于X、Y兩平臺(tái)的高度。

大跨距保形工裝安裝時(shí),需要平面度微調(diào)工裝框架,保證X、Y兩平臺(tái)32個(gè)安裝基準(zhǔn)面平面度不大于3 mm,以及各螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差不大于0.2°。工裝澆筑時(shí),先澆筑各地腳螺栓400 mm×400 mm的預(yù)埋坑,密實(shí)化混凝土,且待混凝土固化后,復(fù)測各形位公差和尺寸精度,再澆筑掩埋整個(gè)工裝。

4 工裝工藝實(shí)施方案

根據(jù)工裝設(shè)計(jì)要求和方案,選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的槽鋼作為大跨距保形工裝各框架的主要材料,再進(jìn)行生產(chǎn)加工[6-8]。

4.1 平臺(tái)框架

(1) 加工各零件成形,槽鋼1側(cè)面對(duì)稱加工若干孔。

(2) 焊接框架結(jié)構(gòu)成形,按M48螺栓位置焊接方板于框架上,作為平臺(tái)安裝面。將成形的框架置于龍門銑上,銑加工各螺栓安裝孔和方板上表面,保證各孔位尺寸精度及16個(gè)安裝基準(zhǔn)面共面,誤差在0.05 mm以內(nèi)[9-10]。

(3) 焊接平臺(tái)框架的調(diào)節(jié)平板。該調(diào)節(jié)平板采用筋板和焊有M30螺紋孔的平板焊接成形,如圖6所示。待工裝安裝時(shí),可配合微調(diào)工裝高度,保證各安裝基準(zhǔn)面的平面度不大于3 mm。

(4) 安裝T形地腳螺栓,如圖7所示。

4.2 X形框架

X、Y兩平臺(tái)側(cè)框架通過X形框架和兩側(cè)橫梁連接,X形框架分為三段:邊塊、斜槽鋼、中塊,其工藝實(shí)施方案如下:

圖6 調(diào)節(jié)平板

圖7 地腳螺栓安裝

(1) 加工各零件成形,拼焊中塊成形;

(2) X形框架各槽鋼之間按圖8所示連接方式進(jìn)行安裝連接。

圖8 X形框架各槽鋼安裝連接

5 工裝實(shí)地安裝

大跨距保形工裝加工完成并在現(xiàn)場裝配、檢測、驗(yàn)收合格后,進(jìn)行實(shí)地安裝。實(shí)地安裝前,基座平臺(tái)所需要達(dá)到的條件為:X、Y兩平臺(tái)留有32個(gè)開口為400 mm×400 mm的M48地腳螺栓預(yù)埋坑,坑深不小于1.5 m;X、Y兩平臺(tái)中間有三個(gè)小型安裝平臺(tái),用于連接X形框架。

由于工裝質(zhì)量較大,安裝中需吊車配合。大跨距保形工裝的實(shí)地安裝實(shí)施方案如下:

(1) 工裝實(shí)地安裝前,X、Y兩平臺(tái)基礎(chǔ)需測定正北方向,并劃線標(biāo)識(shí);

(2) 安裝32個(gè)M48地腳螺栓于兩平臺(tái)框架上;

(3) 用吊車將兩端平臺(tái)框架分別置于X、Y兩平臺(tái)上,并嚴(yán)格按照正北方向標(biāo)識(shí)線擺放;

(4) 用吊車輔助連接X形框架和兩側(cè)橫梁成形[11];

(5) 利用經(jīng)緯儀測量32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度,并利用1 mm、2 mm、5 mm、10 mm調(diào)節(jié)板和M30螺栓調(diào)節(jié)工裝各安裝面,保證32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度在3 mm的公差范圍內(nèi);

(6) 用全站儀測定工裝螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差,并利用吊車輔助微調(diào)工裝框架,保證螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差在0.2°范圍內(nèi);

(7) 安裝平臺(tái)框架側(cè)面若干條鋼筋,利用L形鋼筋將工裝與平臺(tái)鋼筋混凝土框架焊接在一起,避免混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生振動(dòng),影響工裝精度;

(8) 澆筑400 mm×400 mm預(yù)埋坑,待其固化后復(fù)測各安裝基準(zhǔn)面的平面度與工裝正北方向偏差;

(9) 工裝架設(shè)并澆筑混凝土后,平面抹平,32個(gè)安裝基準(zhǔn)面上表面外露,抹平層低于平臺(tái)安裝基準(zhǔn)面;

(10) 工裝安裝后,保形若干天,待混凝土完全固化后,工程基座平臺(tái)的剖面如圖9所示。

圖9 工程基座平臺(tái)剖面

大跨距保形工裝安裝且固化后,利用經(jīng)緯儀再次測定32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度,并用全站儀測定螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差。32個(gè)安裝基準(zhǔn)面的平面度在3 mm范圍內(nèi),螺栓孔位中心縱向連線N向與正北方向的角度偏差在0.1°范圍內(nèi),符合該工程基座的技術(shù)要求。

6 結(jié)束語

基于對(duì)某工程基座技術(shù)要求的分析,設(shè)計(jì)了大跨距保形工裝,保證了工程基座的施工質(zhì)量,達(dá)到大型工程基座的設(shè)計(jì)要求。