基于钢结构铰接埋置式螺栓高精度定位技术研究

陈明福

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

钢结构铰接连接普遍应用在钢结构工程施工中，铰接点多为地脚螺栓与成品垫板预留孔连接处。由于垫板多为厂家预制成品，故而地脚螺栓预埋精度问题成为现场质量必控项[1]。铰接点连接过程中预埋螺栓定位安装工艺较复杂且质量隐患较多。在预埋螺栓定位的常规做法中，是采用常规钢板模具开洞定位，亦或采用钢筋套架焊接固定，螺栓与钢板预制洞精度无法保证，导致存在较大误差，且在混凝土施工时易因混凝土正面对螺栓的冲击致使顶部带动下部位移或钢筋辅助架偏位，导致螺栓轴心偏位、同一螺栓组螺栓中心偏位、辅助架体中心与轴线偏位、螺栓的标高误差均不满足标准规范或设计要求，造成后期钢柱安装垫板孔与螺栓无法正位所产生二次处理的经济成本加大。

项目对钢结构铰接埋置式螺栓精准定位进行工艺攻关，介绍新型施工方法、研发器具，以提升高精度定位准确性，提高工作效率，不损伤螺栓的原有质量。在攻关目标明确的前提下，项目发明一种预埋地脚螺栓组安装的扁担套架，安装简单、操作方便，可根据螺栓中心线与定位轴线、螺栓所在螺栓组位置、标高预先预制套架，提前安装，亦可有效对螺纹保护，保证了安装及浇筑完成后的工程质量。

2 工程概况

重庆望变电气(集团)股份有限公司10万t非晶带材及高磁感铁芯材料项目位于重庆市长寿区晏家经济技术开发区。该项目建筑面积约8.6万m2。主要包含1＃主厂房、2＃主厂房两栋钢结构单层厂房。抗震设防烈度6度，钢框架抗震等级为四级。该项目钢构件总计6 700 t，钢结构采用柱下独立基础，钢结构与独立基础柱连接形式为:锚栓待构件安装校正后与垫板、底板点焊[2]。本工程螺栓组448组，预埋螺栓共计3 972根。

3 扁担套架辅助安装预埋螺栓施工原理

扁担套架根据螺栓组的大小选用符合架体刚度的钢板、钢管进行加工，根据计算螺栓所在螺栓组位置提前确定扣套所在钢板位置，扁担套架连接方式为焊接预制(扣套外部环圈焊接，保证内部应无损且光滑)。通过扁担套架将螺栓底部固定环箍与地脚螺栓焊接固定，将螺栓骨架置于基础柱中[3]，按基础上对应已放好的轴线安放；绑扎柱筋、支设柱模完成后，将提前预制好的扁担套架进行安装，扣套对准螺栓套入其中，确保螺栓上部与钢板无间隙；使用钢管扣件与扁担担托加固连接，反方向与基础柱加固模板处钢管连接，以便调整扁担套架所在轴线位置；点焊斜拉筋后，自钢板灌注口浇筑混凝土。此做法可有效提高地脚螺栓预埋高精度定位，保护了螺栓螺纹，避免了因混凝土冲击力所造成的螺栓组偏位及螺纹损坏。

4 扁担套架三维模拟

采用BIM技术的三维建模功能，从工序便捷性提升、使用功能完善、成本降低等方面入手，分别对多种预埋螺栓形式进行三维模拟试验，建立多功能套架模型，择优选择人工操作简便灵活、易装快拆、可大量次循环使用的扁担套架。担托与钢板的连接为刚性连接，与柱架体扣件连接[4]。扣套与钢板焊接连接，反扣螺栓，见图1。钢板做为操作平台，既需保证混凝土浇筑的可实施性，又需保证稳定性[5]。

图1 扁担套架三维透视

5 施工操作关键技术

按照国家标准规范GB 50204—2015，同一螺栓组内的螺栓中心距偏差不超过2 mm，顶标高允许偏差0～20 mm，中心距±2 mm，垂直度5 mm。经与设计图纸对照，螺栓采用M24摩擦型高强度地脚螺栓[6]，钢柱底板、垫板孔直径为26 mm，垫板孔仅比螺栓直径大2 mm，所以对单个螺栓的预埋精度要求允许误差必须控制在±2 mm误差之内。设计图纸螺栓及螺栓孔布置见图2、图3。

图2 螺栓及螺栓孔点位布置(单位:mm)

图3 螺栓点位立面(单位:mm)

5.1 材料检测及扁担套架加工制作

(1)钢板与钢管检测

钢板与钢管的选择是高精度定位关键因素，扣套钢管的质量直接影响到施工后螺栓中心偏差、相邻螺栓中心偏差、螺栓组中心与定位轴线偏差；钢板质量直接影响螺栓高度差、垂直度等。扁担套架所需材料均要满足规范要求。

钢板与钢管应平直光滑，无严重锈蚀痕迹、无压扁倾向，无毛刺、裂纹、疤痕、错位、变形等缺陷。钢管壁厚、管径，钢板公称长度、宽度、厚度均应符合国家规范要求。材料进场应有产品合格证、出厂检测报告和进场复测报告。

(2)扁担套架加工制作

扁担套架担托采用国标外径48.3 mm、壁厚3.6 mm的钢管与钢板双面搭接焊，搭接焊长度不小于100 mm。钢板中部设置直径300 mm的混凝土灌注口。扣套选择DN32 mm钢管，壁厚为3.5 mm，内径为25 mm的无缝钢管与钢板焊接，扣套位置中点即螺栓所在螺栓组位置中点，中心线误差为±0.2 mm，见图4。

图4 扁担套架

5.2 工艺流程

初安装定位→螺栓试装、环箍焊接→螺纹保护→套架正式安装→二次校正定位→混凝土浇筑校正→套架拆除。

(1)参照设计图纸要求，对螺栓组四角方向的地脚螺栓进行所在轴线定位放线，明确四个角度的地脚螺栓所在的轴线位置及其标高；对四角点进行确认，在已浇筑完成的基础上引出并标记螺栓组十字轴线标识(亦为螺栓扁担套架中心轴线)，作为预埋螺栓首次安装位置，见图5、图6。

图5 扁担套架中心轴线平面

图6 扁担套架中心轴线三维示意

(2)通过计算，明确设计图纸螺栓标高和相应坐标后，通过设计图纸反算在钢板上的定位位置，提前焊接预制(扣套外部与钢板环圈满焊，内部无损伤且光滑)。取一平整的平面，将扁担套架翻面平放，螺栓组所有螺栓对正塞入已加工校核好的扁担套架扣套内，使螺栓顶面与钢板底面紧密结合，环螺栓组所有螺栓一圈，点焊环圈箍筋(环箍采用HRB400公称直径≥12 mm的钢筋，焊接范围为自根部≤150 mm范围，焊接过程不得损伤螺栓)后，取出焊接好的架体，见图7。

图7 套架螺栓试装及环箍焊接

(3)螺栓螺纹处使用废旧机油涂抹均匀，凹槽纹可满凃。因扣套与螺栓相扣剩余空间较小，螺纹外侧微涂保证润滑效果即可。用塑料薄膜进行严密缠绕，螺纹全面包裹，层数6～9层。

(4)将螺栓骨架置于基础柱中，按基础上对应已放好的轴线安放后，绑扎柱筋。待柱筋绑扎、模板加固完成后，将扁担套架平正套入所有螺栓组螺栓，用橡胶锤敲击四个方向对角方位，使所有螺栓顶部与钢板契合后，使用钢管扣件与扁担担托加固连接，反方向与基础柱加固模板处钢管连接，以便调整扁担套架所在轴线位置，见图8。

图8 套架完成效果图

(5)因担托与柱模板加固钢管连接，施工过程中易碰触模板，故螺栓组十字轴线不易在模板上标识，会产生相应误差；根据基础上标记的十字中心线引出放线，亦存在误差，校正工作需重新进行。校核后的中心线需与扁担套架的十字中心线完全契合，标高校核扁担套架四角点即可，同时反方向将担托和基础柱加固模板处钢管拧紧。在标高与轴线校正的同时，使用HRB400公称直径≥14 mm的钢筋废料将柱筋与固定环箍斜拉筋点焊(点焊迅速，不得影响螺栓组轴线位置及标高)，斜拉筋应超出两焊接点20～50 mm，且距基础柱边≤10 mm，见图9。

图9 斜拉筋焊接三维示意

(6)自灌注口进行混凝土灌注，泵管距灌注口高度控制在300～600 mm为宜。采用直径30 mm振捣棒进行振捣，振捣时严禁碰触预埋螺栓、扁担套架或斜拉筋[7]，避免扁担套架发生位移或螺栓偏位。浇筑时还应时刻关注扁担套架的情况，若出现位移，及时调正。混凝土达到初凝强度前，再次校核扁担套架与轴线偏差，确保符合设计要求。

(7)待混凝土达到终凝强度后，拆除辅助钢管，垂直向上取下套架，用胶带将塑料薄膜全部缠绕，螺栓螺纹密封，防止螺栓丝扣被破坏。

6 扁担套架优点及经济效益分析

6.1 扁担套架优点

(1)本扁担套架取材制作方便、防位移能力大；现场组装拆卸方便、工序简捷，有效保护了螺栓螺纹，降低施工成本、节约了二次处理费用[8]。

(2)采用此项工艺，有效保证了地脚螺栓高精度预埋，避免了浇筑过程中混凝土直接冲击螺栓的情况发生，保证了预埋螺栓的施工质量；无需针对单个螺栓进行精度校正，大大提高了施工效率[9]。

(3)扁担套架无需待柱箍筋绑扎完成及模板安装完成后施工，亦不受因后插螺栓所造成柱箍筋调整带来的其他问题的制约，优先安装地脚螺栓工作面充足，操作方便[10]。

(4)施工更安全、环保，相同螺栓组多次循环使用，亦保证了废旧钢筋的利用率。

6.2 经济效益

本工程采用扁担套架运用在预埋螺栓施工中，预埋螺栓的安装精度、施工质量、成品保护、工序便捷性均满足施工及设计要求。节省了预埋螺栓的定位时间、减少了安装校正的人工投入及超规范施工的二次处理成本消耗。经过对本项目扁担套架进行经济效益分析，在使用扁担套架相较于未使用此项发明可节省12 d工期，人工费成本降低42.57%，安装质量问题概率由12%降至1.5%以内，二次成本消耗节约效果可观。

综合测算:采用扁担套架比传统钢板模具开洞定位、钢筋套架焊接固定成本降低58.37%，人工费、材料费总成本为3.27万元[11]，折合单螺栓组综合单价为54.5元/组；采用传统钢板模具开洞定位、钢筋套架焊接人工费、材料费总成本为7.855万元，折合单螺栓组综合单价为130.9元/组。二次处理成本消耗节约1.74万元，工程累计可节省成本约6.325万元。

7 结束语

通过本工程对扁担套架的综合评估，于安装精度及质量、稳定性、安拆便捷性、工期要求、施工效率、环保及成本等方面为切入点，通过前期试使用、三维模拟，开发出一种综合全优性的新型施工工艺，同时该技术在项目上的研发和应用获得“扁担套架”国家实用新型专利(专利号ZL 2018 2 1860297.9)。此项成果解决了钢结构铰接埋置式螺栓高精度定位施工的重要难点问题，在钢结构施工中具有很强的实效性和推广性[12]。