王志勇
上海建工(江蘇)鋼結(jié)構(gòu)有限公司 江蘇 海門 226100
煙臺萬華聚氨酯股份有限公司9924模塊化裝置鋼結(jié)構(gòu)項目高22.8 m,長26.8 m,寬12.3 m,總用鋼量約340 t,由8個單元模塊組合而成(圖1)。單個單元模塊為全焊接形式框架結(jié)構(gòu),模塊與模塊之間采用栓接形式。其中M1、M2為全焊接形式大型單元模塊,也是整個項目中制作的難點(diǎn)。M1單元模塊與M2單元模塊為對稱布置。以M1單元模塊為例,其高8.5 m,長13.0 m,寬12.3 m,總用鋼量約70 t,由型鋼柱、板拼形式的十字柱、型鋼梁、管狀斜撐焊接組成。本文著重對M1單元模塊的建造工藝進(jìn)行研究。
圖1 模塊分布
1)深化設(shè)計:單元模塊鋼結(jié)構(gòu)由型鋼柱、板拼形式的十字柱、型鋼梁、管狀斜撐焊接組成。主、次構(gòu)件混合分布,主梁與柱節(jié)點(diǎn)、主梁與次梁節(jié)點(diǎn)的焊接難度高,且要充分考慮裝配順序,多處次梁結(jié)構(gòu)需要采用退裝法進(jìn)行安裝。如何保證后續(xù)單元模塊在建造車間內(nèi)能夠有序、有效地推進(jìn),在Tekla軟件深化建模時需要充分考慮怎樣進(jìn)行單元模塊的內(nèi)容分割[1-3]。
2)加工及驗收:項目高22.8 m,且體積龐大,所以在鋼結(jié)構(gòu)建造時,通過對單元模塊進(jìn)行精細(xì)化的尺寸控制,來確保施工過程中不需再對項目進(jìn)行整體預(yù)裝。驗收時重點(diǎn)在于保證模塊的連接形式、連接處的標(biāo)高尺寸、連接處的位置關(guān)系,區(qū)分單元模塊的重要尺寸、次要尺寸及非重要尺寸,形成數(shù)據(jù)表。這些數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容將成為相鄰單元模塊制作時的重要參考數(shù)據(jù)。
3)單元模塊的構(gòu)件安裝:主梁與次梁的安裝形式為將次梁H型鋼的上、下翼板切去一段,僅留腹板,然后將突出腹板插入主梁H型鋼中,主、次梁的腹板與腹板進(jìn)行T接,翼板與翼板進(jìn)行對接。這樣的連接形式如不考慮安裝及組對順序,會面臨后續(xù)次梁H型鋼無法插入主梁H型鋼中的問題。如何制訂合理的零件安裝順序,保證各構(gòu)件均能安裝到位是重點(diǎn)。
4)單元模塊焊接的變形控制:該單元模塊的梁、柱節(jié)點(diǎn)的連接形式多為H型鋼與H型鋼相貫后產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)類型,并隨著H型鋼規(guī)格和相貫角度的變化產(chǎn)生多種連接節(jié)點(diǎn)形式。節(jié)點(diǎn)處為全焊接形式,H型鋼的上、下翼板為全熔透焊接,腹板為雙側(cè)角焊縫。這樣的焊接形式雖然有較大的剛性和承載力,但是對焊縫質(zhì)量要求很高,且焊接勞動強(qiáng)度大,焊縫質(zhì)量不容易得到保證,焊縫缺陷等因素將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生脆性破壞。焊縫的焊接和返修過程中變形帶來的偏差控制難度大,如何控制焊接變形、保證單元模塊的尺寸精度尤為重要[4-6]。
5)質(zhì)量控制:結(jié)合該單元模塊鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可將其質(zhì)量控制分為設(shè)計階段的質(zhì)量控制、工廠制造階段的質(zhì)量控制、場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)量控制和運(yùn)輸階段的質(zhì)量控制。每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制是本項目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
M1單元模塊鋼結(jié)構(gòu)由476個零件組成,這些零件采用焊接的形式組合成一個大型模塊單元。傳統(tǒng)的建模理念是在不加以約束的條件下,依據(jù)連接關(guān)系進(jìn)行構(gòu)件的分割。一般通過栓接或其他可拆卸的連接,模型建立時可單獨(dú)分為2個獨(dú)立構(gòu)件。對于M1模塊的焊接連接形式,Tekla軟件模型往往會被建立成1個單獨(dú)構(gòu)件。如采用這樣的方式,很難保證單元模塊在建造車間內(nèi)能夠有序、有效地推進(jìn)。建造人員無法對這么多零件進(jìn)行合理的統(tǒng)籌處理,這對項目的工期會產(chǎn)生極大的影響。經(jīng)過綜合考慮,可行性的模塊分割是非常重要的。我們擬將M1單元模塊分割成柱單元、主梁單元、次梁單元等,然后每個單元中又由若干個零件組成。這樣將一個復(fù)雜的單元分解成多個簡單的單元,建造車間可以統(tǒng)籌安排這些簡單單元的生產(chǎn),并充分、合理地利用場地、人員等寶貴資源,為項目的工期提供有效保證。傳統(tǒng)的Tekla軟件建模理念與合理分割的建模理念比對如圖2所示。
3.2.1 模塊分割后的單構(gòu)件制作
經(jīng)過可行性的模塊分割后,整個單元模塊M1(圖3)形成如下典型的型鋼柱、十字柱、型鋼主梁、型鋼次梁等單構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式。
型鋼柱、十字柱分別位列軸線A(①—④)、B(① —④)、C(①—④)、Da(①—④)處(圖4)。
圖2 傳統(tǒng)的Tekla建模理念與合理分割的建模理念比對示意
圖3 M1單元模塊整體示意
圖4 型鋼柱、十字柱分布示意
型鋼主梁分別位于標(biāo)高0、+4.0、+7.8 m處的柱與柱的連接處(圖5)。
圖5 型鋼主梁分布示意
型鋼次梁分別位于標(biāo)高0、+4.0、+7.8 m,貫穿于主梁與主梁的連接,這些次梁在后期將會被安裝上設(shè)備支架、管道支架、電儀支架、平臺等構(gòu)件。
根據(jù)上述各類型單構(gòu)件的特點(diǎn),確定合理的制作工藝步驟。一般的制作步驟為:主體型鋼的制作及校正→根據(jù)基準(zhǔn)端面安裝焊接量較大的牛腿→根據(jù)基準(zhǔn)端面安裝加勁板、連接板、塞焊板等→安裝柱頂法蘭板→尺寸測量及校正→定總長、去除余量并焊接柱底板。
為避免焊接過程中產(chǎn)生過大的焊接應(yīng)力,導(dǎo)致這些單構(gòu)件變形過大,在焊接過程中,要嚴(yán)格按照對稱焊接、預(yù)留收縮量、多層多道焊接、分段退步焊等焊接工藝原則,以減少焊接變形。單構(gòu)件的制作把控優(yōu)良,可更好地指導(dǎo)后續(xù)作業(yè)。
3.2.2 單構(gòu)件組合成小型模塊的制作
3.2.1節(jié)中的單構(gòu)件制作完成后,如果將這些構(gòu)件直接進(jìn)行整體合模成M1單元模塊,顯然也是不利于項目的施工進(jìn)程的,這樣會增加現(xiàn)場單構(gòu)件防傾倒措施的工作量、吊裝作業(yè)量、高空作業(yè)量等,且不利于整個單元模塊的尺寸控制。對此,經(jīng)過探索,擬將這些單構(gòu)件先行組合成小型模塊,再將小型模塊合模成M1單元模塊。
該單元模塊位于字母軸A—Da,數(shù)字軸①—④,是一個典型的“九宮格”位置排布,將A/①、A/④、Da/①、Da/④位置的4角形成單獨(dú)的4個小型模塊進(jìn)行建造(圖6)。小型模塊體積、質(zhì)量相對較小,可利于車間組模和尺寸控制。通過鋼結(jié)構(gòu)的翻身,可減少高空焊接的作業(yè)量。
圖6 “九宮格”中4個小型模塊分布示意
小型模塊制作時需以型鋼(或十字柱)的中心線為基準(zhǔn)定軸線位置,且保證立柱的柱頂板上平面齊平。同時以立柱的柱頂板上平面為基準(zhǔn)進(jìn)行+1 000 mm標(biāo)高線標(biāo)記,標(biāo)高線需要敲設(shè)樣沖標(biāo)記,用于后續(xù)整體組模的定位基準(zhǔn)及尺寸測量點(diǎn)。
3.2.3 單元模塊的整體合龍制作
依據(jù)M1單元模塊的整體平面布置圖制作胎架,胎架應(yīng)具有足夠的剛性。畫字母軸線、數(shù)字軸線,找正16處柱腳安裝的中心位置,敲設(shè)樣沖標(biāo)記。并采用水準(zhǔn)儀校驗,調(diào)整柱腳定位板并處于同一水平面內(nèi)(圖7)。
將上述單獨(dú)的4個小型模塊吊裝至對應(yīng)位置,如圖6狀態(tài),依據(jù)+1 000 mm標(biāo)高樣沖線,調(diào)至水平位置,對小型模塊進(jìn)行固定,并采取加強(qiáng)措施,防止在后續(xù)工作中因合攏焊接造成定位點(diǎn)的橫向位移變化。
圖7 單元模塊合攏用胎架布置
依次按照標(biāo)高0、+4.0、+7.8 m的順序,完成4個小型模塊之間的連接組件,形成整體單元模塊狀態(tài),如圖3所示。該步驟中涉及高空焊接作業(yè),在施工中應(yīng)該嚴(yán)格遵守相關(guān)安全操作規(guī)程,如需設(shè)置臨時工裝支撐,臨時工裝焊縫必須滿焊,并且實施等強(qiáng)焊接,以確保安全生產(chǎn)的操作可靠性。
單元模塊的重要尺寸為柱頂板的位置尺寸,這些尺寸將直接影響到裝置模塊總集成。采用全站儀對這些柱頂板的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,通過數(shù)據(jù)連接到PC端,并采用IN-CHECK三維精度測量軟件對這些采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,最終對整個單元模塊的尺寸進(jìn)行有針對性的調(diào)整。同時這些數(shù)據(jù)將會被利用于與M1單元模塊有連接關(guān)系的M2、M3、M5的建造中去,這樣可為大型復(fù)雜模塊的測量校正提供一種更加高效、準(zhǔn)確的技術(shù)檢測手段。
本文闡述了大型全焊接形式的鋼結(jié)構(gòu)模塊施工工藝。在鋼結(jié)構(gòu)模塊施工過程中,通過對模塊的合理分割、化整為零的制作理念進(jìn)行研究,針對模塊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),總結(jié)出一套成熟的施工工藝。該施工工藝可以解決施工中的難題,抓住施工工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),保證施工過程的質(zhì)量與安全,減少施工措施的投入,可為其他類似鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供參考。