大型钢结构预埋件悬吊定位安装支撑体系设计与应用

来源 :中国房地产业·下半月 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gzhaohuo892
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  【摘要】目前在大型钢结构安装工程中,预埋件安装是影响整体钢结构安装质量的一个至关重要的因素。传统做法对大型预埋件在混凝土浇筑前及浇筑过程中都很难控制其施工质量,由于不确定情况多发,容易导致预埋件预埋安装质量偏差较大,给钢结构安装造成隐患。如何改进并推广新的预埋件支撑体系,来消除传统工艺的弊病,并且提高工作效率、减少传统工艺能耗,成为一个新的课题。
  【关键词】大型钢结构埋件;大型钢结构桁架工程;预埋件悬吊定位支撑体系
  1、引言
  经过长期的实践革新,钢结构工程所涉及的技术、材料、工艺在大型建筑场馆建设中得到了更新、发展和广泛应用。其中钢结构工程与混凝土结构工程中配合及精准化安装形成的传统做法,逐渐被新型材料、新技术、新工艺、新设计理念所代替。下面以阿尔及利亚奥兰40000座多功能体育场大型桁架穹顶钢结构工程为例,阐述在混凝土结构中,一种新的预埋件安装体系,即大型钢结构预埋件悬吊定位支撑体系及工艺。
  2、工程概况
  该体育场位于阿尔及利亚奥兰市郊,规模为可容纳40000座位的多功能体育场馆。看台以下为钢筋混凝土结构,上层为72榀大型桁架结构的钢结构圆形穹顶建筑形式。桁架结构与混凝土结构连接方式采用钢筋混凝土柱内预埋大型钢结构预埋件焊接连接方式连接,桁架根部与钢筋混凝土柱的接合处即为预埋件预埋位置(如图2、图3)。在混凝土结构施工时桁架预埋件安装工作成为一项专项控制课题,预埋件安装的精准程度,将直接影响后续横加安装的质量。针对这个课题,该项目摒弃了原有传统施工方法,创新设计了一套新的大型钢结构预埋件悬吊定位安装支撑体系,该体系有施工工艺简单、安装精度高、成本低和工作效率高等优点。
  3、悬吊定位安装支撑体系方案设计
  3.1设计条件
  (1)钢结构预埋件均为大体积、高重量、预埋件在钢筋混凝土结柱内;
  (2)保证钢筋混凝土结构不受影响,给预埋件提供一个稳固的嵌入柱内的环境,同时应确保预埋件位置的准确性;
  (3)保证钢筋混凝土结构柱的钢筋不受到破坏;
  (4)保证钢筋混凝土结构柱的观感;
  (5)能改善传统工艺带来的一系列弊病,并且优化施工工艺,提高施工效率,节能降耗。
  依据设计条件,该设计方案定型为大体积预埋件悬吊定位支撑体系。
  3.2设计实例应用展示
  按照支撑受力变形必须满足预埋件位移的要求,支撑体系材料选择为轻型钢结构体系。为了实现预埋件安装过程中可以规律性调整位置的功能,对该支撑体系进行可调节的机械化设计,满足了安装及结构浇筑时,可随时性调整预埋件位置的要求。其效果展示见(图4,图5)
  3.3结构构造及机械调节设计
  3.3.1件技术参数介绍:
  本工程G轴线柱柱内预埋大型钢结构预埋件,柱截面尺寸为:2740x1400mm。预埋件分为,上弦预埋件和下弦埋件,上弦预埋件尺寸(mm):800x580x2100,重量:0.98t;下弦预埋件尺寸(mm):800x580x1030,重量:0.86t。节点A为下弦预埋件位置,节点B为上弦预埋件位置。
  3.3.2预埋件安装环境的介绍:
  根据业主的工程质量控制文件要求,预埋件安装不允许在钢筋砼柱内埋设固定预埋件的支撑定位支架,避免影响混凝土结构整体质量。因此在4m高柱内下设预埋件存在多方面困难,具体体现在:(1)预埋件体积大,在柱内空间定位尺寸难控制;(2)结构柱钢筋布置很密,钢筋不能割断和有焊点,安装预埋件及控制其位置困难;(3)预埋件重量重,校准预埋件位置并固定难度很大;(4)使用传统施工工艺,潜在的质量控制漏洞无法避免,质量偏差大;(5)加固过程对工人素质要求过高,无法实现推广性的施工;(6)随机性因素增多,材料损耗大。
  3.3.3预埋件悬吊定位支撑体系的设计
  由于不允许在钢筋混凝土柱内埋设固定预埋件的支撑定位支架,不允预埋件采用焊接方式固定等条件限制,钢结构桁架预埋件的安装只能采用悬挂式的定位方式;以此为出发点进行了此设计,构造形式及节点设计如图8、9、10。
  该定位支撑体系应用及特点:(1)可进行X轴Y轴Z轴三维立体定位,既,三维空间定位,满足桁架焊接对预埋件的定位精度;(2)支架悬吊埋件,采用螺栓紧固,保证预埋件在砼柱内的固定要求,满足砼浇筑施工时结构的整体稳定;(3)架体构造简单,定位调整单元使用操作简便,架体可拆卸、周转使用,制作成本低。安装及配合施工效率高,提高生产效能。
  3.3.4支撑体系使用材料
  以100×48×5.3mmQ235槽钢为主材,¢20普通螺栓、12mmQ235钢板为辅材。
  3.3.5支撑体系中ZXY三维机械调节单元系统设计
  该支撑体系,可以实现预埋件位置三维调整的构造布局,主要设置在该支撑体系的顶部悬吊杆件区域,共计有Z向调节单元、X向调节单元、Y向调节单元。
  该调节单元主要依靠调节可移动的螺栓,以便构件位移,来实现预埋件水平及垂直方向的移动,进而通过移动调整保证预埋件的正确位置,就位后经仪器观测位置无误,在旋转螺栓紧固。该过程辅助以水平尺、全站仪、卷尺、吊坠等工具,观测预埋件的水平及垂直度是否达标,在安装及结构浇筑过程中随时发现偏差,以便随时调节。
  3.4预埋件悬吊定位支架的结构验算
  3.4.1预埋件定位支架验算:
  (1)选取受力最大一榀定位支架进行验算,其受力简图如下图所示:
  其中:活荷载q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN
  活荷载q2=埋件2自重/4=8.6/4=2.15kN
  经PKPM计算软件进行建模计算,各杆件应力比如下图所示:   其中:柱左:强度计算应力比,柱右上:平面内稳定应力比(对应长细比), 柱右下:平面外稳定应力比(对应长细比);
  梁左上:上翼缘受拉时截面最大应力比,梁左下:下翼缘受拉时截面最大应力比,梁右下:剪应力比。
  (3)预埋件定位支架钢梁的挠度如下图所示:
  (4)结论:通过计算可知,各杆件应力比均小于1,长细比均小于150,钢梁挠度小于3mm,各项参数均满足设计要求。
  3.4.2预埋件定位支架上可移动钢梁验算:
  (1)钢梁计算简图如下图所示:
  其中:活荷载q1=埋件1自重/4=9.8/4= 2.45kN
  施工活荷载q2=1.0kN
  (2)经PKPM计算软件进行建模计算,钢梁应力比如下图所示:
  其中:梁上:强度计算应力比=强度计算应力/强度设计值;
  梁左下:稳定计算应力比=稳定计算应力/强度设计值;
  梁右下:抗剪强度计算应力比=计算剪应力/抗剪强度设计值。
  (3)钢梁挠度计算如下图所示:
  (4)结论:通过上述计算可知,钢梁应力比小于1,钢梁挠度小于3mm,各项参数均满足设计要求。
  4、预埋件支撑体系在施工过程中的应用
  4.1支撑体系配合预埋件安装的施工工艺流程
  该工艺流程,在初步安装环节之前的工序,与传统工艺大致相同。主要不同点在于该工艺后半部分,摒弃了传统工艺繁琐而且不利于集中管理的分散工序。新增了悬吊式预埋件定位支撑架体安装及控制预埋件位置的工序。新增工序简单明确,便于管理和检测。工艺中增加了在混凝土浇筑过程中的质量纠偏程序,有效加强了预埋件安装及施工的过程管理,使得预埋件安装质量及追溯性监控得以保障和落实。
  4.2定位支撑体系加工及安装要求
  (1)切割、焊接后采用打磨的方式保证零件、构件平整度,许偏差±3mm。
  (2)构件下料允±3mm。槽钢对焊后,安装架梁采用立面放置“【】”型焊接槽钢保证支架结构稳定性。
  4.3支撑体系安装要点
  在完成预埋件吊装过程后,按照设计要求预埋件在柱中的尺寸位置,采用预埋件悬吊定位支撑支架结构中的调节单元,通过ZXY三个调节单元将预埋件进行精准并且微调定位。如图22所示:
  (1)XY(水平)方向位置调整:调整移动类似②、③节点及节点对应的水平杆件,在松动螺栓后,通过杆件水平移动,来调整预埋件在结构截面中的位置。在位置得到校准核对正确后,紧固螺栓固定预埋件水平方向在结构内位置。
  (2)Z(垂直)方向位置调整:分别调整①节点上下两排螺栓,依靠螺栓紧固过程中上下移动,带动定型钢板挂件上下移动,使得预埋件也跟随移动。这个调整过程可以微调预埋件垂直方向位置,另外也可以通过调整垂直而微调预埋件水平度。
  上述操作过程是观测及调整阶段主要的操作要点,通过上述两步,该预埋件悬挂定位支撑体系所特有的机械性三维调整单元,其工作内容展现的淋漓尽致。另外在混凝土浇筑阶段还可以实现过程控制,需要调整时也可以通过调整单元,使得预埋件位置得到有效的过程调整,这也恰恰展现出该工艺在质量控制方面实现“事中控制”的独到特征,优化和加强了质量管理在施工过程中的落实。
  可概括的归纳上述悬吊式预埋件定位支撑系统的调节步骤及要点:“架体稳定是第一、调节调整要仔细、先调水平后垂直、辅助工具照旧齐、一次就位不算完、还要过程观察全、需要调整继续来、重复微调可实现。”
  4.4质量管理
  4.4.1质量管理要求
  ⑴支撑体系制作时,根据预埋件重量进行支架结构计算来选择型钢材料规格,避免因预埋件重量产生材料变形的位移偏差,考虑经济效果,尽可能选择承重后变形不超过允许范围内的型钢材料。
  ⑵制作体系焊接过程中,尽可能选择使得杆件变形小的焊接方式焊接。
  ⑶安装体系时,架体就位后严格按照预埋件支撑系统调整要点进行调整。
  ⑷使用调节单元调整预埋件位置过程中,使用全站仪全程观测预埋件主控位置在测量控制网中的位置偏差,以便调整的准确性。
  ⑸位置调整就位后,认真检查各紧固单元是否紧固到位,落实各协作项目管理部门之间的签审制度,实现各工序交接手续的过程落实。
  ⑹在混凝土浇筑时,全程观测预埋件隐蔽阶段位移变形状况,发现偏差,在浇筑过程中随时调整,保证过程纠偏工作的落实。消除隐蔽过程中扰动因素的影响,保证最终预埋件安装质量。
  ⑺架体拆除时,要求按照“先搭后拆”的原则进行拆除。对各调节单元进行注油润滑保养,以便周转使用。杜绝使用撬棍等工具强行拆除,若发现支架因碰撞等原因造成变形,立即采取恢复性措施复位。
  4.4.2质量管理成果统计
  该工程在使用预埋件悬吊定位支撑体系应用后,对72榀桁架其中1个施工段的8个柱基础内预埋件安装偏差稳定情况统计如下:
  经过数据统计分析,预埋件位置安装及隐蔽施工成果比较稳定,2榀偏差均在0.5mm范围内,满足设计允许偏差±0.5mm的要求。6榀无偏差,反映出该预埋件悬吊定位支撑体系在质量控制的准确性上较高。
  5、预埋件悬吊定位支撑体系与传统工艺的优缺点
  5.1传统工艺
  传统预埋件安装加固方式,普遍依照现场模板安装时附带钢管加固、砼内设置钢
  支架加固、附加钢筋加固,在定位时采用附加钢管、钢架、钢筋以预埋方式永久固定在结构内,期间避免不了焊接固定在受力钢筋上的情况,焊接技术对结构钢筋造成规范不允许的损伤,也存在对原有结构设计造成影响,材料浪费率很大。这种方式仅是经验性方式,而且在精准预埋控制时容易出现大的偏差,在结构浇筑砼过程中无法在进行二次或三次复位性微调,仅只能在预埋件安装时调整到位,之后无法实现再次调整,缺少过程中监控调整的办法,无法实现质量控制中的“事中控制”的质量控制方法,容易出现过程中扰动造成的偏差无法调整的情况。   另外,传统工艺对人员技能素质的依赖程度很大,所以现场质量及技术要求的落实随机性增强,给不遇见性的质量风险增大了发展空间,这对于安装预埋件精准的要求非常不利。现有经验性安装预埋件的技术无法为大型钢构安装提供可靠的预埋件安装技术保障,也容易使后期大型桁架安装发生接口对接偏差的风险。大型预埋件重量较大,传统工艺无法完成有效过程中微调,不利于安装质量控制。最后传统工艺使用的材料无法实现周转性安装,操作效率低及成本高,不利于现场管理,对安装过程无法实现有效的可追溯性控制。
  5.2预埋件悬吊定位支撑体系
  通过使用预埋件悬吊定位支撑体系,有效控制了大型预埋件的传统工艺做法的通病,消除大型预埋件安装及过程控制中易产生偏差的不利因素。大型预埋件悬吊定位支撑体系加工和成品安装操作简便易懂,材料全部为定型构架便于现场运输、安装。所有材料的加工可以可按照模数需求在专业加工工厂集中生产,对施工现场的场地要求小,并且安装过程中可以无数次周转,有利于施工现场管理和材料节约。该体系采用的悬吊定位支撑体系均为定型钢构,采用机械性三维调整单元调整位置偏差,无论在安装预埋件及模板过程中,还是结构浇筑砼隐蔽作业时,预埋件出现偏差都能够实现有效的调整,减少了材料损耗并提高了安装效率、有效地控制成本和资源流失,也实现了施工过程中对预埋件质量的控制。该工艺操作简便易懂,稍加对工人进行培训,均可以熟练操作,有效的规避了对人员素质的高度要求,降低了人为因素对质量要求的影响,成功地缩短了安装时间,保证了预埋件安装质量。
  结束语:
  经过奥兰实践证明,使用大型预埋件悬吊定位支撑体系,进行预埋件安装定位及隐蔽施工,大大提高了预埋件安装质量。在施工应用方面优化了施工工艺,加速了施工效率,规避了传统工艺带来的一系列弊病和缺陷,为下一道工序提供了优质可靠的质量环境,保证了施工的最终质量。在管理方面系统化管理程序,有效的将各个管理职能部门联系起来,形成了一套专项施工的管理模式,为目标管理提供了最直观的管理工具,管理落实工作可追溯性强。在节能降耗方面,避免了传统工艺施工的材料浪费等缺陷,实现周转利用,节约了资源。该体系不仅适用于本工程,也可以在其它类似工程中推广应用。
  参考文献:
  [1]钢结构设计规范GB50017-2003.
  [2]钢结构工程施工规范GB50755-2012.
  [3]钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001.
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