于明剛　徐宏鑫/青島高新區(qū)投資開發(fā)集團有限公司

馬鞍形屋面鋼結構環(huán)梁法蘭盤施工技術

于明剛徐宏鑫/青島高新區(qū)投資開發(fā)集團有限公司

本文以結合實際工程施工，通過鋼結構法蘭盤工廠下料、鉆孔、預拼、現場安裝、螺栓施工等工序，對大型鋼管截面法蘭盤施工進行技術總結，從而指導類似工程施工。

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、會議中心等基礎設施項目，由于其處于所在城市的特殊地位，開發(fā)商們在設計初期便追求造型的新穎和別出心裁，并力求將建設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，并廣泛的應用于大型鋼結構建設項目中。

另一方面，作為以圓管作為主體結構的鋼結構工程，由于受限于加工機械、運輸尺寸、安裝吊重等因素，鋼圓管的現場拼接必不可少，而考慮一般主體結構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，因此鋼結構法蘭盤連接得到了較好的應用，特別是一些針對大管徑鋼管截面構件。

1.工程概況

某工程體育場鋼結構主體由空間壓環(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，并直接由鋼結構加工廠進行下料、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)梁現場高空連接，同時由于建筑設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結構的整體馬鞍造型，因此圓管與法蘭盤的位置關系要求更加嚴格。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　預拼裝驗收Fig.6 Pre assembled acceptance

工藝要點：

（1）對應安裝法蘭盤為保證螺栓孔的對應與順利穿入，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，每側法蘭盤先與兩側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，采用內貼襯圈，6mm間隙全位置焊接。法蘭焊前應預熱，預熱溫度100～120℃，焊接工藝參數嚴格按照《焊接作業(yè)指導書》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，以實現壓環(huán)梁的整體預拼裝。

（5）壓環(huán)梁的整體預拼裝采用循環(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)運現場，后2組參與下一批預拼，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。

根據鋼結構施工流程，在壓環(huán)梁安裝完成后，即進入索網鋪設與張拉工序。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，可能導致高強螺栓對連接面預壓力損失。因此根據以往施工經驗，本項目采用了高強螺栓預張拉工藝進行施工，即提前對高強螺栓施加預拉力，以保證項目整體結構完成后高強螺栓緊固質量。

高強螺栓預張拉施工工法是采用小型液壓設備對高強螺栓螺桿直接施加軸拉力，通過液壓設備讀數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對應壓環(huán)梁施工完畢并矯正結束后進行張拉施工，待合攏段壓環(huán)梁施工結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，每側對稱完成1/4圓周；第二步，施工人員轉180度反方向對稱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（國內標準為直徑30mm以內）的扭矩系數，特別是熱浸鋅防腐處理的高強螺栓連接副，由于其扭矩系數的離散性，目前國內實驗室無法確定該螺栓的扭矩系數，因此采用施加扭矩力的方式無法確定具體緊固力矩值。預張拉施工工法是液壓設備直接對螺桿施加軸拉力，通過液壓表讀數控制軸拉力大小，不再需要確定高強螺栓扭矩系數，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，螺桿存在的扭剪應力，降低了螺栓承受軸拉力的能力。采用預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，有利于結構質量、安全。

（3）液壓設備進行螺栓張拉時，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量。高強螺栓檢驗時，采取在現場巡查，確保按要求正確使用液壓設備，簡化檢查程序。

（4） 根據高強螺栓連接副受拉承載能力提高情況，采用液壓設備進行螺桿預張拉時，可以在國家標準軸拉力值的基礎上增大。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，減小了機械設備、措施材料和勞動力的投入，同時降低了近50％的安全風險。

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

大跨度結構采用法蘭盤對接時，其最終的合攏施工一直作為鋼結構施工的重點和難點，施工前應該有詳細的施工針對方案，施工過程中應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，減少累計誤差產生，以實現法蘭盤的準確對位。

（2）以施工模擬計算分析為基礎，提高構件制作進度。

由于本工程采用了鋼結構支撐加空間索網屋面體系，隨著索網張拉前后，屋面結構施工前后分析計算，其引起的鋼結構前后變形較大，施工之前利用結構的最終完成態(tài)來反推鋼結構安裝初始態(tài)，指導鋼結構深化設計、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及屋面施工，最終實現最初的設計效果。

（3）合攏段壓環(huán)梁現場拼接施工措施。

合攏段壓環(huán)梁施工之前必須保證其相鄰壓環(huán)梁及其對應傾斜柱安裝完成并趨于穩(wěn)定。然后將現有結構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場原位焊接，并按照結構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)施工的驗收復核。

鋼結構合攏段安裝焊接施工完成后，需要對鋼結構的整體位形進行復核，并將復核結果提供至索網、金屬屋面、膜等專業(yè)單位。各相關單位需要將鋼結構成型模型與自身結構進行碰撞、位移、受力情況進行分析驗算，并將結果提交設計單位與業(yè)主，經審核確認后進入下到工序施工。各單位主要復核內容包括壓環(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.結語

通過對施工過程進行總結，針對國內大跨度、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，以提高大跨度大截面法蘭施工的精確度。

[1] 張陸凱 梁詠 宮晨 大直徑后壁圓管柱加工及質量控制[J] 建筑技術 2012（06） 43-6.

[2] 任榮 淺析大跨度建筑鋼結構設計 工程技術 2015（05）.

[3] 馬玉坤 陳斌武 張華 鋼制法蘭的應用與探討化工設備與管道 2010（04），47-2.

[4] 汪洋 張猛 高強螺栓直接張拉法在河南電視塔工程中的應用 人民長江 2010（08），41-8.

[5] GB50755-2012 鋼結構工程施工規(guī)范（S）.

[6] GB50205-2001 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范（S）.

[7] GB50661-2011 鋼結構焊接規(guī)范（S）.