基于大跨度钢结构厂房的插入式钢柱柱脚施工技术★

杨大勇，吴金池，商 智

(湖北工建集团第三建筑工程有限公司,湖北 武汉 430000)

钢柱柱脚是钢结构中的重要节点,其作用是将钢柱下端轴力、剪力、弯矩传递给基础,使钢柱与基础有效地连接在一起,确保上部结构承受各种外力作用[1-4]。钢柱柱脚类型按柱脚位置分外露式、外包式、埋入式和插入式[5-10]。轻型钢结构房屋和重工业厂房中通常采用插入式钢柱柱脚,在抗震设防地区的多层和高层钢框架柱脚宜采用插入式钢柱柱脚[11]。

目前,插入式钢柱柱脚一般是先浇筑预留杯口混凝土基础,在钢柱吊装前采用灌浆料在预留杯口底部进行二次找平至柱底标高,待灌浆料强度达到设计值75%后采用起重机将钢柱吊装至预留杯口内就位,再采用经纬仪、水准仪等设备对钢柱标高及定位进行校正,然后通过在预留杯口四周设置钢楔子及在钢柱顶部设置缆风绳对钢柱进行临时固定,再采用细石混凝土浇筑预留杯口至基础顶面,同时在细石混凝土浇筑过程中对钢柱定位进行实时监测,若出现偏差需在细石混凝土初凝前进行校正,最后待预留杯口内灌浆料强度达到预设值后松掉起重机吊钩[12-17]。

然而,现有插入式钢柱柱脚及其施工方法存在以下缺陷：1)由于预留杯口内灌浆料强度达到预设值(一般为设计值75%)的时间一般需要7 d左右,在这段时间内无法拆除起重机对下一个钢柱进行吊装施工,导致钢柱柱脚施工工期较长,施工成本较高;2)由于预留杯口空间狭小,在预留杯口底部进行二次找平时平整度控制困难,柱底标高精度难以保证,进而影响钢柱性能;3)在预留杯口细石混凝土浇筑过程中因振动棒振动会使临时固定钢柱的钢楔子发生松动,进而产生钢柱移位,导致钢柱定位不准确,从而影响钢柱性能,而且钢楔子不能回收利用。

为解决上述问题,以随州新能源项目的大跨度钢结构厂房石墨化车间为例,介绍通过设置一套可拆卸的定位机构对钢柱进行定位与临时固定,可以达到使钢柱安装便捷、定位准确、节约工期、降低成本的目的,为插入式钢柱柱脚的施工提供了一些施工经验。

1 工程概况

随州新能源项目是随州高新区加速抢占新能源材料行业制高点的招商引资重点项目,总投资约30亿元,该项目采用行业领先生产工艺,主要从事锂电池负极材料生产。该项目位于湖北省随州市曾都区淅河镇余家畈白云大道以西,随城山大道以南,包括石墨化车间、高温碳化车间、低温碳化车间、前驱体车间等多个大跨度钢结构厂房,项目鸟瞰图见图1。其中石墨化车间为单层两跨的大跨度钢结构厂房,建筑面积约20 000 m2,平面轴网尺寸为73 m×261 m,主厂房为排架结构(跨度52 m、高度33.1 m、柱距9 m、双层吊车),附跨厂房为门式刚架(跨度21 m、高度15.82 m、柱距9 m、单层吊车),钢柱柱脚采用插入式,石墨化车间横断面见图2。插入式钢柱柱脚包括钢柱(1)、混凝土基础(2)、底座(3)、定位机构(4)、细石混凝土(5),其中底座(3)包括锚筋(31)、锚板(32)、第一角钢(33)、第二角钢(34)、底座纵向孔(331)、底座横向孔(332),定位机构(4)包括直角立柱(41)、横向板(42)、纵向板(43)、纵向端板(44)、定位板(45)、定位端板(46)、第一横向孔(411)、第一纵向孔(412)、第二横向孔(413)、第二纵向孔(414)、第三横向孔(415)、第三纵向孔(416)、第四纵向孔(421)、第五纵向孔(422)、第四横向孔(431)、第五横向孔(432)、第六纵向孔(441)、连接孔(451)、第六横向孔(461),插入式钢柱柱脚横/纵向侧示意图、底座立面图、定位机构俯视图、定位机构横/纵向侧示意图见图3—图8。

2 新技术的特点

本项目施工面积大、工期紧、钢柱安装定位难度大。针对现有技术中钢柱安装工期长、定位不准确的问题,本项目提出了一种插入式钢柱柱脚的新技术,包括混凝土基础、底座、定位机构等,它们各自的特点如下。

2.1 混凝土基础

混凝土基础预留杯口,将预留杯口设计成矩形,预留杯口宽度方向设为横向、长度方向设为纵向,预留杯口一般设计成上大下小的梯形,顶部边缘线与底部边缘线之间的水平距离s为25 mm～50 mm。

2.2 底座

底座设有四个,布置在预留杯口顶部四角,底座包括锚筋、锚板、第一角钢和第二角钢,锚筋预埋于混凝土基础内,锚板固定安装在锚筋上,锚板的顶面为水平面且与混凝土基础顶面齐平或伸出混凝土基础顶面外,将锚板的顶面设为定位机构安装的基准面。锚筋可采用RRB400钢筋,数量不小于4根,直径不小于16 mm,长度不小于锚筋直径的15倍;锚板可采用Q235钢板,尺寸不小于150 mm×150 mm,厚度不小于10 mm。

2.3 定位机构

定位机构包括四个直角立柱和安装在立柱中部和顶部的两个水平定位框。水平定位框包括一对横向板、一对纵向板以及一对定位板,一对横向板沿横向可拆卸的安装在横向两侧相邻两立柱的中部或顶部,一对纵向板沿纵向可拆卸的安装在纵向两侧相邻两立柱的中部或顶部,一对定位板沿横向可拆卸的安装在一对纵向板之间。

第一横向孔的中心线与锚板顶面之间的距离H1为40 mm～60 mm,第二横向孔的中心线与第一横向孔的中心线之间的距离H2为500 mm～700 mm,第三横向孔的中心线与第二横向孔的中心线之间的距离H3为500 mm～700 mm。

第一角钢、第二角钢、直角立柱、横向板、纵向板、定位板均采用角钢制作,具体可采用Q235等边角钢制作,截面均不小于L75×8;定位端板、纵向端板可采用Q235钢板,尺寸不小于70 mm×70 mm,厚度不小于8 mm;螺栓为等级不低于5.6级普通螺栓,型号不小于M16,每个螺栓配置1个固定螺母。

为了减少材料损耗,避免安装人员安装时因部件规格型号过多而导致安装错误的问题,第一角钢、第二角钢、直角立柱、横向板、纵向板、定位板均采用同一型号角钢,所有连接螺栓均采用同一型号螺栓,其选型与钢柱的腹板高度有关,具体可参考表1。

表1 定位机构选型表

3 新技术的工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

浇筑具有预留杯口的混凝土基础→安装底座→钢柱吊装→安装定位机构→向预留杯口浇筑混凝土。

3.2 操作要点

3.2.1 浇筑具有预留杯口的混凝土基础

浇筑具有预留杯口的混凝土基础,先开挖基坑,在基坑内铺设并绑扎基础钢筋并留出预留杯口,向基坑内浇筑混凝土并进行养护形成具有预留杯口的混凝土基础,将预留杯口宽度方向设为横向、预留杯口长度方向设为纵向,预留杯口周边应超出钢柱外轮廓线不小于100 mm,预留杯口内表面在拆模时应立即进行打毛、清刷干净。

3.2.2 安装底座

在预留杯口顶部四角各安装一个底座,先将锚板焊接在锚筋上后预埋于混凝土基础内,浇筑混凝土并保证锚板的顶面为水平面且与混凝土基础顶面齐平,待混凝土养护完成后在锚板上测量放线,确定第一角钢与第二角钢的准确定位,然后将第一角钢的一肢水平焊接在锚板上,其另一肢沿横向竖直设置,将第二角钢的一肢水平焊接在锚板上,其另一肢沿纵向竖直设置,第一角钢的另一肢和第二角钢的另一肢呈一直角紧靠设置,确保底座纵向孔和底座横向孔的中心线与锚板顶面之间的距离相等,且所有底座纵向孔的中心线与预留杯口纵向中心线之间的水平距离均为W,所有底座横向孔的中心线与预留杯口横向中心线之间的水平距离均为L。

3.2.3 钢柱吊装

用起重机吊装钢柱并使其下部插入预留杯口内,钢柱在插入深度范围内不得刷油漆,柱脚安装时应将钢柱表面的泥土、油污、铁锈和焊渣等用砂轮清刷干净。

3.2.4 安装定位机构

1)在直角立柱两肢的底部分别开设与底座横向孔和底座纵向孔相对应的第一横向孔和第一纵向孔,在直角立柱两肢的中部分别开设等高的第二横向孔和第二纵向孔,在直角立柱两肢的顶部分别开设等高的第三横向孔和第三纵向孔,并使第一横向孔、第二横向孔、第三横向孔的圆心位于同一竖线上,使第一纵向孔、第二纵向孔、第三纵向孔的圆心位于同一竖线上,将直角立柱安装在对应的第一角钢与第二角钢上,直角立柱的直角紧贴第一角钢与第二角钢的直角设置,底座横向孔和第一横向孔之间、底座纵向孔和第一纵向孔之间均通过螺栓连接并使四个立柱保持竖直状态呈矩形布置,此时,横向侧相邻的两个直角立柱的第一纵向孔之间的距离、第二纵向孔之间的距离、第三纵向孔之间的距离均为2W,纵向侧相邻的两个直角立柱的第一横向孔之间的距离、第二横向孔之间的距离、第三横向孔之间的距离均为2L。

2)制作横向板、纵向板和定位板,在横向板的一肢上开设有两个中心距为2W的第四纵向孔,在纵向板的一肢上开设两个中心距为2L的第四横向孔,在纵向板一肢上位于两个第四横向孔之间设有用于安装定位板的第五横向孔,定位板的两端安装有定位端板,定位端板上设有与第五横向孔对应的第六横向孔,定位板的一肢上开设有连接孔。

3)将一对横向板沿横向安装在横向两侧相邻两立柱的中部,将一对纵向板沿纵向安装在纵向两侧相邻两立柱的中部,将一对定位板沿横向安装在一对纵向板之间,由于一对定位板之间的间距等于钢柱腹板高度,此时钢柱两横向侧分别紧贴两个定位板设置,对钢柱的纵向位置进行第一次固定。

4)将一对横向板沿横向安装在横向两侧相邻两立柱的顶部,将一对纵向板沿纵向安装在纵向两侧相邻两立柱的顶部,将一对定位板沿横向安装在一对纵向板之间,由于一对定位板之间的间距等于钢柱腹板高度,此时钢柱两横向侧分别紧贴两个定位板设置,对钢柱的纵向位置进行第二次固定。

5)调整钢柱位置使其所有定位孔与所有连接孔一一对应,并通过穿入对应定位孔和连接孔内的螺栓将钢柱与定位板固定连接,进而将钢柱与定位机构、底座、混凝土基础固定连接成一体。

3.2.5 向预留杯口浇筑混凝土

松掉起重机吊钩,向预留杯口内浇筑混凝土(具体可为细石混凝土)并进行养护,养护一段时间后拆除定位机构,养护一段时间指细石混凝土强度达到设计值75%以上时,杯口细石混凝土强度等级比混凝土基础至少高一级且不小于C40。

4 结语

本技术提供了一种插入式钢柱柱脚及其施工方法,它通过增加一套用于对钢柱进行定位与临时固定的可拆卸式定位机构,可以达到使钢柱安装便捷、定位准确、节约工期、降低成本的目的。

1)本技术通过在预留杯口顶部四角各安装一个底座对定位机构进行定位,预埋于混凝土基础内的锚筋无定位要求,只需校准锚板顶面为水平面,并以此校准第一角钢和第二角钢的安装位置,最终保证底座横向孔和底座纵向孔的精准定位即可,大大降低了定位难度,提高了定位精度。

2)本技术在钢柱吊装至预留杯口后安装定位机构,将定位机构的直角立柱与直角安装板之间、横向板或纵向板与直角立柱之间、定位板与纵向板之间、定位板与钢柱之间均通过插入预设孔内的螺栓进行连接,普通施工人员即可完成安装,操作简单、快速、可靠,后续拆卸也简单快速,而且通过对横向板、纵向板、定位板各孔的精准设计,可以精确控制定位机构和钢柱的标高和定位,无需在预留杯口底部采用灌浆料二次找平,避免了因预留杯口空间狭小导致二次找平平整度控制困难进而使柱底标高精度难以保证的问题。

3)本技术在定位机构安装完成后即可将钢柱与混凝土基础连接成稳固的一体,便可松掉起重机,无需等待预留杯口内灌浆料养护强度达到预设值,起重机便可投入下一吊装作业,大大缩短施工工期,降低施工成本。

4)本技术采用定位机构对钢柱的上部进行临时固定,相较于采用钢楔子进行固定的方式,本技术可以避免在预留杯口细石混凝土浇筑过程中因振动棒振动使临时固定钢柱的钢楔子发生松动进而产生钢柱移位导致钢柱定位不准确的问题。

5)本技术定位机构的各部件之间、其与底座和钢柱之间均采用螺栓进行可拆卸连接,待预留杯口细石混凝土强度达到设计值75%后可拆除定位机构供下一个钢柱柱脚重复使用,与现有技术将钢楔子浇筑于预留杯口相比,本技术具有良好的经济性。