周亭亭

(天勤安裝工程有限公司,山東省濟(jì)寧市任城區(qū)任興路69號(hào) 272000)

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)起源于20世紀(jì)五、六十年代,當(dāng)時(shí)在蘇聯(lián)的援助下,建設(shè)了冶金、造船、飛機(jī)等工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房。

近年來(lái)在國(guó)家政策大力支持下,傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)逐步邁向工業(yè)化、數(shù)字化、智能化。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑是建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要抓手,且具有工業(yè)化、智能化建造的天然基因和先天產(chǎn)業(yè)環(huán)境優(yōu)勢(shì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展的引擎,是提升裝配式建筑市場(chǎng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)值占建筑業(yè)的總產(chǎn)值比重總體上呈上升趨勢(shì),在2020年達(dá)到3.07%,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外30%的比例。

鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)內(nèi)主要存在以下四個(gè)方面的問(wèn)題:

一是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)市場(chǎng)的集中度較低。2020年,我國(guó)水泥行業(yè)前5名企業(yè)熟料產(chǎn)能占全行業(yè)比重達(dá)79%,而同期的鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)前五名企業(yè)占比市場(chǎng)份額僅為4.67%。

二是中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)跟不上世界潮流。很多超高層建筑和具有特殊要求的建筑業(yè)務(wù)多為國(guó)外建筑設(shè)計(jì)師所攬獲。

三是工業(yè)、交通、市政等鋼結(jié)構(gòu)靠前發(fā)展,而住宅鋼結(jié)構(gòu)建筑由于存在設(shè)計(jì)、配套、系統(tǒng)集成等方面的問(wèn)題,一直遲滯不前。

四是鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)成本不足,標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用規(guī)范缺項(xiàng)、滯后,企業(yè)的競(jìng)相壓價(jià)導(dǎo)致行業(yè)整體盈利能力下降。

國(guó)內(nèi)對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅研究較早的是同濟(jì)大學(xué)國(guó)家土建結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化工程技術(shù)研究中心,該中心團(tuán)隊(duì)完成的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及示范”(項(xiàng)目編號(hào):2017YFC0703800),正在研究開(kāi)發(fā)多高層異形鋼管混凝土柱住宅和多層高層冷彎型鋼框架-龍骨式剪力墻住宅兩種新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)品,以及與之配套的新型標(biāo)準(zhǔn)化裝配式樓面系統(tǒng),在成本不高于現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)裝配率80%以上,部品工廠預(yù)制率90%以上,相比現(xiàn)有體系提升整體建造效率30%以上,減少現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾50%以上[1-5]。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電室應(yīng)用技術(shù),依托校企合作的優(yōu)勢(shì),針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)矩形扁管柱砼灌芯澆筑技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究,相比“混凝土壓力注漿法”,不僅操作簡(jiǎn)便、效率高、施工安全,澆筑質(zhì)量也完全符合設(shè)計(jì)要求。

該技術(shù)體系降低了碳排放,減少了大型設(shè)備使用,提高了安全性能,并且矩形扁管柱無(wú)開(kāi)孔和破壞,創(chuàng)新點(diǎn)中包含的“提高大截面箱型柱焊接技術(shù)”“矩形扁管柱混凝土澆筑”“可調(diào)式胎架創(chuàng)新設(shè)計(jì)”等一系列技術(shù)成果與同類(lèi)技術(shù)相比,減少了環(huán)境污染,降低了制造成本,提高了制造精度、標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和施工安全性能,能確保施工人員生命、財(cái)產(chǎn)安全,縮短了總工期,形成了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但該技術(shù)體系只是應(yīng)用在民用建筑配電室項(xiàng)目,項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不豐富,下一步將在民用住宅和公共建筑中推廣應(yīng)用,積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

1 重點(diǎn)難點(diǎn)分析

1.1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的制作難點(diǎn)

構(gòu)件截面相對(duì)比較小、項(xiàng)目整體用鋼量很低,鋼構(gòu)件在制作和安裝過(guò)程中變形比較大。尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為隔板貫通式連接節(jié)點(diǎn),鋼柱分段較多,對(duì)構(gòu)件安裝完成后的垂直度要求很高,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)矩形扁管鋼柱混凝土灌芯澆筑的密實(shí)度也有更高要求。因?yàn)樵摴こ虨閮蓪优潆娛夜こ?為了提高使用率形成大的開(kāi)間方便電氣設(shè)備布置,項(xiàng)目要求鋼柱、鋼梁以及支撐等構(gòu)件全部隱蔽,可達(dá)到建筑平面布置靈活,提高空間使用率的效果。

以該項(xiàng)目為例,原有配電室設(shè)計(jì)規(guī)格為3m×5.5m,C20混凝土板墻厚度為0.24m,室內(nèi)設(shè)計(jì)有6根規(guī)格為0.4m×0.4m的框架柱,層高3.4m,共計(jì)2層。依據(jù)設(shè)計(jì),計(jì)算建筑面積為3m×5.5m×2=33m2,板墻所占公攤面積為33m-(3m-0.24m×2)×(5.5m-0.24m×2)×2=7.7m2,框架柱所占公攤面積為0.4m×0.4m×6×2=1.92m2,因此原有配電室空間使用率為(33m2-7.7m2-1.92m2)÷33m2=70.85%。

通過(guò)采用矩形扁管柱H型鋼框架+支撐體系,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鋼柱、鋼梁以及支撐等構(gòu)件全部隱蔽在0.24m厚度墻體內(nèi),減少了框架柱所占公攤面積1.92m2,空間使用率達(dá)到(33m2-7.7m2)÷33m2=76.67%,空間使用率提高76.67%-70.85%=5.82%,同時(shí)節(jié)省了用鋼量,形成了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 扁鋼管柱混凝土澆筑密實(shí)度難以控制

配電室鋼柱從下往上采用變截面的扁鋼管柱,變截面的扁鋼管柱在保證受力結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)用鋼量低,可有效降低工程造價(jià),同時(shí)避免了普通鋼管柱易出現(xiàn)的凸架、品柱等節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。內(nèi)部為自密實(shí)混凝土,在保證混凝土的密實(shí)度同時(shí),無(wú)收縮性。柱混體系的解決,最大程度的提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能,降低了用鋼量和碳排放。

文中矩形扁管柱,柱截面最大為180mm×600mm,柱截面最小為160mm×300mm,因截面小且存在變截面的特點(diǎn),為保證混凝土灌注過(guò)程中的流暢性和灌注完成混凝土的密實(shí)度,避免矩形扁管柱內(nèi)部出現(xiàn)堵塞混凝土灌注和混凝土空鼓等質(zhì)量問(wèn)題,應(yīng)從矩形扁管柱制作和灌注兩個(gè)方面采取控制措施。

2 針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)的施工解決方案

2.1 鋼管柱組裝胎架

鋼管柱單體截面尺寸大,重量大,為確保鋼管對(duì)接精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,根據(jù)鋼管構(gòu)件形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可調(diào)式鋼管對(duì)接組裝胎架,胎架如圖1所示。

圖1 可調(diào)式胎架Fig.1 Adjustable tire bed

在剛性平臺(tái)上劃出滾輪胎架定位線(包括兩邊邊緣線和中心線),按定位線設(shè)置滾輪;同時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)螺栓,確保滾輪中心線連線與基準(zhǔn)中心線平行,且在同一平面上。鋼管對(duì)接組裝滾輪胎架布置如圖2所示。

圖2 鋼管組裝胎架布置Fig.2 Layout of steel pipe assembly jig

2.2 中厚板全熔透T型焊縫焊接技術(shù)體系

矩形扁鋼管柱材質(zhì)為Q355GJ,35mm厚度。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB 50661-2011第3.0.1條,鋼結(jié)構(gòu)工程焊接難度等級(jí)B級(jí),受力狀態(tài)為靜載且板厚方向受拉或間接動(dòng)載,中厚板全熔透T型焊縫焊接是焊接難點(diǎn):一是鋼板的碳當(dāng)量及拘束度均較大,焊接難度大,焊接應(yīng)力大,易出現(xiàn)焊接冷裂紋;二是焊接變形控制難度大,變形校正難度大。文中針對(duì)該項(xiàng)難題進(jìn)行研發(fā),提出了中厚板全熔透T型焊縫焊接技術(shù)體系,主要包含5項(xiàng)技術(shù)措施:

2.2.1 穩(wěn)定焊接隊(duì)伍

中信項(xiàng)目的構(gòu)件固定焊工焊接,每天早會(huì)總結(jié)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,提高焊工的責(zé)任意識(shí),誰(shuí)焊接誰(shuí)返修,強(qiáng)化考核。

2.2.2 提升焊工技能

進(jìn)行焊工技能提升活動(dòng),對(duì)焊接有質(zhì)量問(wèn)題的焊工由焊接班長(zhǎng)和探傷員對(duì)焊工焊接手法和缺陷避免進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),厚鋼板焊接組織焊工學(xué)習(xí)多層多道焊接和焊接順序的控制,降低焊縫內(nèi)應(yīng)力。

2.2.3 提高裝配質(zhì)量

強(qiáng)化對(duì)熔透焊縫的焊前坡口、母材打磨,加強(qiáng)裝配質(zhì)量控制,對(duì)焊縫的裝配間隙嚴(yán)格控制,杜絕大間隙和無(wú)間隙的情況出現(xiàn)。

2.2.4 做好焊前預(yù)熱和焊后緩冷工作

厚板焊接,特別是在溫度較低的環(huán)境焊接,必須做好焊接前的預(yù)熱工作,焊縫焊接完成后要做好保溫棉對(duì)焊道覆蓋,降低焊縫溫度的急劇下降,提高焊縫的內(nèi)部質(zhì)量。

繼續(xù)研究焊接坡口:在保證焊接質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究降低坡口角度,降低焊工人工用量,降低焊接輔材和其他費(fèi)用,提高焊接效率。

2.2.5 實(shí)施對(duì)策和效果檢驗(yàn)

針對(duì)制定的對(duì)策組織工段執(zhí)行,并對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)焊工焊接隊(duì)伍穩(wěn)定,焊接質(zhì)量穩(wěn)步提高。

(2)焊工技能穩(wěn)步提高,焊接質(zhì)量保持穩(wěn)定水平,降應(yīng)力措施應(yīng)用得當(dāng)。

(3)焊縫坡口面打磨和焊縫鋼板母材面打磨執(zhí)行良好,裝配間隙控制較好。

(4)焊前火焰預(yù)熱措施和焊后保溫棉覆蓋緩冷措施執(zhí)行良好。

(5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,選取焊接坡口角度為37°/50°焊接條件下完成的300個(gè)構(gòu)件,經(jīng)超聲波探傷檢測(cè),焊接平均合格率達(dá)到97.2%以上。

再通過(guò)降低焊接坡口角度到28°/40°,在采取了前文2.2.1-2.2.4條技術(shù)措施后,包括焊絲和人工等焊接成本有效降低的情況下,選取完成的300個(gè)構(gòu)件,經(jīng)超聲波探傷檢測(cè),焊接平均合格率仍可達(dá)到97.65%以上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)降低坡口角度,在保證中厚板全熔透T型焊縫焊接質(zhì)量的前提下,降低了焊接成本,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,具有較大的推廣價(jià)值。

通過(guò)以上措施顯著地解決了該項(xiàng)目中厚板全熔透T型焊縫焊接質(zhì)量控制的問(wèn)題。此方案簡(jiǎn)單易操作,具有廣泛的適用性,提高了中厚板T型焊縫的生產(chǎn)效率,縮短了交貨周期,很好的完成了項(xiàng)目的履約,其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效率價(jià)值初略分析如下:

(1)焊接成本和用工成本減少50元/噸;

(2)輔材成本在原有基礎(chǔ)上降低32%;

(3)構(gòu)件整體制作效率提高30%。

2.3 施工技術(shù)桌面會(huì)議和技術(shù)交底

項(xiàng)目實(shí)施前,組織各方技術(shù)力量召開(kāi)桌面會(huì)議,審議設(shè)計(jì)文件,提出重難點(diǎn)問(wèn)題解決措施,提請(qǐng)建設(shè)單位組織該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)交底,項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人在施工前對(duì)管理人員進(jìn)行技術(shù)交底,質(zhì)量員對(duì)作業(yè)人員技術(shù)交底。

2.4 制作控制要點(diǎn)內(nèi)容

焊前應(yīng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告,采取焊前預(yù)熱焊后熱處理和焊后消氫處理等措施,防止產(chǎn)生焊接裂紋。

鋼柱拼裝接頭位置,為便于制作和安裝施工,可在取得設(shè)計(jì)單位書(shū)面文件后,對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中變更位置作適當(dāng)調(diào)整。

2.4.1 焊接應(yīng)力消除措施

一般來(lái)說(shuō),可以從設(shè)計(jì)和工藝兩方面著手:

(1)設(shè)計(jì)措施:盡可能減少焊縫數(shù)量;合理布置焊縫;采用剛性較小的接頭形式。

(2)工藝措施:采用合理的裝配和焊接順序及方向;縮小焊接區(qū)與周?chē)Y(jié)構(gòu)的溫差;加熱“減應(yīng)區(qū)”法;降低接頭局部的拘束度;錘擊焊縫。

2.4.2 矩形扁管柱制作安裝控制措施

矩形扁管柱砼灌芯澆筑技術(shù)應(yīng)在施工組織設(shè)計(jì)中包含主控檢測(cè)項(xiàng)目:扁鋼管柱的質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目以及允許偏差,“H”型鋼梁的質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目以及允許偏差。

冷彎成型高頻焊接“H”型鋼適用鋼梁截面高度在300mm以下及“H”型鋼梁翼緣及腹板厚度分別在10mm,可有效解決因構(gòu)件截面高度小和構(gòu)件翼緣腹板薄等原因造成主材在組立埋弧焊焊接時(shí)產(chǎn)生的扭曲變形等問(wèn)題。

專(zhuān)項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)小組應(yīng)根據(jù)規(guī)定嚴(yán)格檢驗(yàn),相關(guān)檢驗(yàn)合格率達(dá)到100%方可出廠。

現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí),柱的定位軸線以地面軸線控制網(wǎng)為基準(zhǔn),利用投線儀、經(jīng)緯儀、水平儀等設(shè)備分別把軸線引入各個(gè)樓層,進(jìn)行各個(gè)柱的控制軸點(diǎn)放樣、設(shè)樁點(diǎn),再采用前、后通視方法進(jìn)行各個(gè)柱的軸線控制,鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工流程如圖3～圖8所示。

圖3 X型支撐焊接Fig.3 Welding of X-shaped support

圖4 V型支撐焊接Fig.4 4 V-shaped support welding

圖5 扭剪型高強(qiáng)螺栓緊Fig.5 Torsional shear type high-strength bolt tightening

圖6 梁柱節(jié)點(diǎn)焊接Fig.6 Welding of beam column nodes

圖7 鋼梁焊縫Fig.7 Welding seam of steel beam

圖8 現(xiàn)場(chǎng)打磨刷漆Fig.8 Site polishing and painting

2.5 矩形扁管柱混凝土澆筑工藝流程

裝配式鋼結(jié)構(gòu)矩形扁管柱砼灌芯澆筑的施工方法簡(jiǎn)單,施工速度快,安全性較高,經(jīng)濟(jì)性最高。采用3m振動(dòng)棒每個(gè)鋼柱澆筑混凝土?xí)r進(jìn)行振搗,確定澆筑速度與振動(dòng)棒插拔速率,直到鋼柱內(nèi)混凝土的上表面有浮漿出現(xiàn),不再產(chǎn)生氣泡,滿足要求。

矩形扁管鋼柱,插入振動(dòng)棒,進(jìn)行混凝土灌注,一邊澆筑,一邊緩慢提拔振動(dòng)棒。矩形扁管柱內(nèi)連續(xù)進(jìn)行澆筑混凝土,不能預(yù)留施工縫,澆筑完畢,初凝后澆水養(yǎng)護(hù)。應(yīng)將管口封閉,以免水、油、雜物落入。

為了保證混凝土的澆筑質(zhì)量,混凝土在澆筑時(shí)能自由下落,同一根扁鋼管柱設(shè)置的內(nèi)隔板孔在安裝完成后必須進(jìn)行驗(yàn)收,達(dá)到都在統(tǒng)一中心線上,尤其對(duì)于上下變截面通過(guò)錐頭對(duì)接的扁鋼管柱是控制的重點(diǎn)。

扁鋼管柱每層上下位置外側(cè)壁根據(jù)設(shè)計(jì)文件設(shè)置一定數(shù)量的透氣孔,孔徑規(guī)格為20mm,對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)布置。設(shè)置透氣孔的目的是排出空腔內(nèi)的空氣,避免空鼓或堵塞混凝土。

結(jié)構(gòu)采用貫通式梁柱連接節(jié)點(diǎn),在梁柱連接對(duì)接扁柱位置設(shè)置內(nèi)隔板,增加橢圓形灌漿孔,四角增加透氣孔,孔徑約20mm,進(jìn)一步保障了混凝土從上向下澆筑的順暢性[6],扁形柱通氣孔如圖9所示。

圖9 扁形柱通氣孔Fig.9 Flat column vent hole

澆筑前檢查扁柱內(nèi)部,確保無(wú)施工垃圾和臨時(shí)支撐等妨礙混凝土澆筑構(gòu)件,以此保證混凝土澆筑的密實(shí)度。

2.6 鋼柱灌芯混凝土質(zhì)量控制主要標(biāo)準(zhǔn)

鋼柱灌芯混凝土應(yīng)編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案,經(jīng)審批后方可實(shí)施。

使用經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)混凝土澆筑作業(yè)人員,施工前技術(shù)人員應(yīng)對(duì)所有施工人員進(jìn)行技術(shù)交底,對(duì)工序的難點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)鍵部位進(jìn)行逐一解讀交底,確保每一位施工人員了解該工序的施工過(guò)程。

鋼柱灌芯應(yīng)采用細(xì)石自密實(shí)混凝土,進(jìn)場(chǎng)首先做塌落度試驗(yàn),符合要求的方可使用,不符合要求的直接做退場(chǎng)處理。

在施工時(shí)加強(qiáng)質(zhì)量管控,將3m長(zhǎng)插入式振搗棒插入至鋼柱底部,加強(qiáng)振搗,確保振搗密實(shí),混凝土表面出現(xiàn)氣泡、出現(xiàn)浮漿、不再沉落為振搗合格,輔以人員觀察溢漿孔是否溢滿水泥漿液,使用錘敲擊檢查法檢查是否澆筑密實(shí),確保工程質(zhì)量。

柱芯混凝土終凝完成后,采用灑水養(yǎng)護(hù)。

柱芯混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時(shí)方可進(jìn)行鑿毛處理。為保證上下節(jié)鋼柱灌芯混凝土整體性,在下節(jié)鋼柱灌芯時(shí)插入兩根桁架筋加強(qiáng)鏈接效果[6-8]。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)本身具有裝配式建造的天然優(yōu)勢(shì),是發(fā)展裝配式建筑國(guó)家戰(zhàn)略的重要方向之一。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電室應(yīng)用技術(shù),研發(fā)提出的“提高大截面箱型柱焊接技術(shù)”“矩形扁管柱混凝土澆筑”“可調(diào)式胎架創(chuàng)新設(shè)計(jì)”和“中厚板全熔透T型焊縫焊接技術(shù)體系”等一系列技術(shù)成果,經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用,形成了基于BIM和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研發(fā)出集設(shè)計(jì)、加工、物流、安裝等全過(guò)程、全專(zhuān)業(yè)、全產(chǎn)業(yè)的一體化、平臺(tái)化的智能建造技術(shù)和平臺(tái)軟件;實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)字化和自動(dòng)化;實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與部品加工、物流條件、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的無(wú)縫對(duì)接;實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化。在國(guó)內(nèi)住宅市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊,也可用于其他高層公寓和辦公用建筑。

該技術(shù)體系提供的建造范式和形成的技術(shù)成果也可為其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑提供借鑒。