既有钢结构立柱焊接牛腿方案浅探

许大海

摘要 本文结合某船用柴油机厂在装配车间厂房时利用原厂房的立柱增加屋盖,并在原厂房的立柱上加焊牛腿的改扩建工程,对牛腿焊接的可行性及牛腿的焊接方案进行了详细论述。

关键词 钢结构立柱;焊接牛腿;施工方案

中图分类号 TG4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)07-0061-03

1 工程概况

为扩大生产规模,某船用柴油机厂拟对现有钢结构厂房进行改扩建,其中新建装配二车间是在既有的装配车间和机加工车间之间利用既有厂房的立柱增加屋盖(见图1:立面图)。新建装配二车间主跨30m,副跨18m,长度126m,单层钢结构,面积约6 450m2。车间内设40t行吊2台,利用既有钢结构柱作为行吊的承重柱,为不影响原有车间的生产,需要在既有钢结构柱加焊牛腿。

图1:立面图

2 牛腿焊接可行性分析

1)首先,进行力学检算,建立力学模型,以原装配车间单榀屋架为研究对象,利用3D3S软件绘制出屋架的N图、Q图、M图。原装配车间钢立柱截面H450×300×8×14,屋架截面H(700-500)×180×8×10,跨度18m,榀间距6m,在不考虑吊车作用力的情况下,取屋面恒荷载0.3kN/M2, 6M长吊车梁带钢轨重量取10kN。(图2:单榀屋架受力示意图,图3:屋架的N图,图4:屋架的Q图,图5:屋架M图)。

图2单榀屋架受力示意图 图3屋架N图(kN)

图4屋架Q(kN) 图5屋架M图(kN·M)

为方便计算,假设在焊接吊车梁牛腿时,H钢立柱与焊接牛腿接触的翼缘不参与受力,H钢按T型钢考虑,吊车梁牛腿实焊处T型钢截面应力为拉应力:

σt=Mmax/W+FN/A

σt ,牛腿处T型钢截面处应力

Mmax ,牛腿处弯矩,为33.2KN·M

W ,弯曲截面系数 , T型钢T450×300×8×14弯曲截面系数Wmax=1396.99cm3,Wmin=414.1 cm3

FN , 牛腿处截面压力,为46.6kN

A , 牛腿处危险处截面积,型钢T450×300×8×14截面积为75.76 cm2

σt=Mmax/W+FN/A

=33.2×103/(414.1×10-6)-46.6×103/(75.76×10-4)

=74.02MPa

σt远小于Q345钢材屈服强度310MPa,同时既有柱的施焊处已经设有加筋板,也保证了翼缘板、腹板的局部稳定性。

2)为了不影响既有车间生产,在既保证牛腿与既有柱现场焊接质量,又能提高现场施工进度的情况下,牛腿与既有柱焊接选用单面焊双面成型的焊接工艺。

3)为防止焊接连接处在焊接过程中出现层状撕裂等焊接缺陷,避免产生局部应力,在牛腿现场焊接工艺上采用预热(约150~250℃)、缓冷和锤击等方法。

4)为避免因新增牛腿结构焊接而引起的结构变形,采用以下焊接顺序:

即先焊接牛腿腹板,再依箭头方向顺次施焊,避免既有柱翼缘板因局部受热失稳而变形。

5)在施工过程中采取相应安全防护措施,同时要求行吊距操作处最小距离为10m,以此保证施工和既有车间安全生产。

6)充分考虑原有行吊的运行状态。操作平台搭建时要求在保证施焊顺利的条件下尽量缩减横向空间,避免和行车滑触线接触,以保证安全生产。

7)做好现场测量,在正式施焊前先试焊一单件,对比钢柱施焊前后尺寸变化,并进行焊缝探伤分析,合格后再通焊。

3 施工工艺流程

3.1 流程图

既有结构测量(包括既有柱、牛腿标高和垂直度)→既有柱附近围护结构拆除→既有柱新增牛腿部位表面清除防火涂料、油漆→新增牛腿找点、初步定位点焊→测量精确定位→修正牛腿→焊接牛腿。

3.2 新增牛腿安装标高的控制

新增牛腿标高,直接在已有钢柱标记,往上引一固定尺寸得一点,将同轴线新增牛腿均固定在该同水平位置。

3.3 新增牛腿构件复查

现场焊接作业前由现场质检员依据GB50205-2001《建筑钢结构焊接技术规程》对检查焊接构件的坡口、间隙、钝边等做现场检查。

3.4 焊缝周围区域的清除

清理既有柱焊接部位30mm范围内的防火涂料、油漆、铁锈、油污、水分、灰尘等杂物。

3.5 新增牛腿安装垂直度的控制

先使牛腿腹板中线与原有柱翼缘板中线完全重合,用经纬仪复核其垂直度,调整后再通焊固定。

3.6 新增牛腿安装水平度的控制

在牛腿整体焊接前,先点焊上翼缘板于柱身已测得标记处,用水平尺复核其水平度及时调整后再通焊固定。

3.7 新增牛腿安装过程的控制

在牛腿、既有钢柱的整个焊接过程中,设有专职测量人员,对牛腿的垂直度和标高、水平度进行监测。

4 新增牛腿焊接施工方案

4.1机械设备选用

电焊机的选用:本工程的焊接方法为手工电弧焊,焊条规格最大为φ5.0mm,选用ZX7-400型手工直流电弧焊机,采用直流反接。焊机完好,接线正确,电流表、电压表完好,电源线安全可靠。选用塑性韧性好、含氢量低及抗裂性能好的E5015碱性焊条(即低氢焊条),且焊前烘烤,施焊过程采用保温桶防潮。

4.2技术措施

牛腿与既有柱现场焊接是本工程施工的重点和难点,为了不影响两侧车间正常生产,在保证施工质量、又能提高施工进度的前提条件下,制定合理的焊接技术工艺是关键。先清理既有柱焊接部位的油漆、铁锈、油污、水分、灰尘等杂物。

1)上下翼缘板与立柱焊接

(1)采用手工电弧焊,牛腿上下翼缘板均开单边V型坡口,底面采用垫板,分3层焊接。具体型式如下图:

(2)第1层打底用φ=3.2的焊条,焊接参数在满足要求的条件下尽量减小;第2、3层选用直径为φ=5.0 的焊条。焊接间隙b=6,坡口角度α=45°,钝边P=2,焊角尺寸hf=8。当焊接第2层时,焊接方向应与第1层方向相反,以此类推。每层焊接接头应错开15～20mm。

(3)工艺参数

第1层焊接 第2、3层焊接

I=100～130A I=170～190A

U=21～25VU=25～28V

焊速100～160mm/min 焊速100～160mm/min

2)腹板与立板焊接

(1)开K型坡口,对称焊,具体型式如下:

(2)坡口角度为α=45°,钝边P=2,h1=h2=4, 焊角尺寸hf=8。

(3)工艺参数

I=100～130A

U=24～26V

焊速60～120mm/min

3)焊接顺序

先焊接钢牛腿腹板且上下预留50mm不焊,再焊接上翼缘且从两边向中间焊接(下翼缘与上翼缘板同时施焊,两名焊工在焊接时的焊接电流、焊接速度和焊接层数应保持一致),最后补焊,顺序如下图所示。

4)垫板、引弧板,引出板装配要求:

(1)焊接垫板材质为Q345B,两端伸出各60mm。引、熄弧板的材质和被焊母材相同,坡口型式与被焊焊缝相同,焊接完成后用火焰切割去除引弧板和引出板,并修磨平整。

(2)钢衬垫的定位焊在接头坡口内焊接。定位焊焊缝与最终的焊缝相同,所有焊材与正式施焊的质量要求相同。

5 结论

通过第三方现场对焊缝进行检测和监理检查,牛腿与柱的焊缝均合格,达到一级焊缝要求,既有钢结构立柱未发生变形。本工程通过理论计算后,无需对既有柱进行加固,避免了工程盲目投入,节约了工程成本,又确保了安全,为今后类似加焊牛腿工程提供了经验参考。

参考文献

[1]严正庭,等.最新钢结构实用设计手册.南宁:广西科学技术出版社,2003,8.

[2]龙驭球,包世华主编.结构力学教程(Ⅰ).北京:高等教育出版社,2000,7.