浅述钢结构施工中栓焊连接变形的控制方法

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1 问题的提出

高强螺栓连接是继铆接、焊接之后发展起来的一种新型钢结构连接型式。它具有承载能力高、受力性能好、耐疲劳、自锁性能好、施工方便、质量易于控制等优点,近年来已成为钢结构制作及安装工程的主要连接手段。在某个装置中15个管廊全部采用栓焊连接。在安装中,中国石油天然气第七建设有限公司按照最根本的安装顺序进行操作,先进行立柱安装,再进行连接梁的安装。但出乎意料的是,安装之后整个框架中立柱的垂直度出现偏差,一般情况下,认为这是由于连接梁焊接时受热集中造成的变形。

图1 高强螺栓连接安装现场

2 原因分析

为了查找原因,施工队根据设计及规范的要求,按照以下A、B两种方法进行了操作试验。

图2 操作实验方法

结果发现,两种试验效果都产生了很大的误差,立柱垂直度均超出设计及标准要求,分析主要原因如图3。

图3 误差原因分析示意图

(1)立柱在预制厂制作时,根据GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》制孔要求,柱底板两孔之间的允许偏差为±1mm,这就造成柱底孔与立柱中心的尺寸ΔE1、ΔE3至少为1mm (其中不考虑立柱在焊柱底板时的偏差),相邻两组的端孔之间的距离ΔE2为±1.5mm,累计误差ΔE1+ΔE2+ΔE3=2.5mm。

(2)根据设计要求,连接梁高强螺栓孔为螺栓直径+1.5mm。根据GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》制孔要求,任意两孔之间的允许偏差为1mm,即 ΔE4、ΔE5、ΔE6、ΔE8均为 1mm(其中不考虑牛腿焊接时的误差),累计误差ΔE4+ΔE5+ΔE6+ΔE8=4mm。

(3)在两摩擦面的连接板上,根据GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》制孔要求,任意两孔之间的允许偏差为1mm,即ΔE7=1mm。

结合以上分析,得累计误差ΔE=ΔE1+ΔE2+ΔE3+ΔE4+ΔE5+ΔE6+ΔE8+Δ E7=7.5mm

以上误差造成连接梁与牛腿之间,高强螺栓不能顺利、自由穿入(见图4)。

3 施工现场控制方法

3.1 安装后进行扩孔处理

根据GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》6.3.7条规定,扩孔数量应征得设计同意,扩孔后的孔径不应超过原螺栓直径的1.2倍。所以安装后进行扩孔处理是符合设计和规范要求的。在65万t/a对二甲苯芳烃装置中,H管廊、C管廊都采用这种方法进行了修改。但是在安装过程中,如果连接梁的螺栓孔某一个出现不对中,就会影响整个连接牛腿及连接板不对中,最终导致扩孔的数量非常大,进而影响整根梁的连接质量。

图4 高强螺栓现场安装图

3.2 安装后进行连接梁的调整

分析表明,上述扩孔数量过大,浪费时间,耗费人力。另一种可选的方法就是对立柱连接梁的牛腿进行修改。在四川石化65万t/a对二甲苯芳烃装置中,G管廊采用这种方法进行了修改。即在保证立柱垂直度和高强螺栓顺利安装的情况下,调整立柱牛腿的焊接间隙。这种方法虽然可行,但效果不理想。因为在切除和焊接牛腿时,容易造成立柱局部受热而变形,所以该方法也不能解决“质”的问题。

4 解决方法

以上扩孔和连接梁的调整都属于“临阵磨枪”的行为,而现场施工中要的是“磨刀不误砍柴功”的做法。为此,根据现场的施工试验,总结以下几方面避免现场高强螺栓施工中问题的一些方法。

4.1 设计方面

从设计方面考虑是最关键的,因为设计在选择连接方式时,就已经决定了在今后施工中的弊端,所以改变连接方式是最根本的解决办法。

4.2 施工扩孔

连接件在预制厂预制加工时扩孔施工,改变设计连接方式可能会改变设计的初衷,所以选择加大螺栓连接孔的方式,这也是解决栓焊连接变形最直接的办法。

4.2.1 扩大柱底板的螺栓孔

扩大柱底螺栓孔可调整柱底板的偏差,从而控制ΔE1、ΔE2和ΔE3的安装精度。在65万t/a对二甲苯芳烃装置C管廊的施工中,两根18m立柱根据设计及规范要求的H/1000,垂直度应不大于18mm。但结果测得的数据为28mm,超标10mm。于是采用对柱底板扩孔的办法,适当调整连接梁的高强螺栓连接孔,最后得到的垂直度为14mm,在允许误差范围之内,符合设计及规范要求。

4.2.2 扩大高强螺栓孔

扩大高强螺栓孔,可以调整连接梁与连接牛腿之间的偏差,从而控制ΔE4、ΔE5、ΔE6、ΔE8和ΔE7的安装精度。

4.3 改变安装顺序

改变安装方式是最有效、最可行的一种方式,相对以上两种方法,该方法既能控制误差,确保安装精度,又省时省功,一举两得。选用这种方式是现场施工中最切合实际的。安装顺序如下(见图5):

(1)立柱、连接梁、连接牛腿及连接筋板等半成品制作,散件发货到现场,并在立柱上做好标高线;

(2)先进行单根立柱的安装,并用经纬仪调节垂直度,使其在允许误差范围之内;

(3)把连接梁、连接筋板及牛腿进行地面组合,一起安装,利用牛腿与立柱的焊接间隙控制误差(若连接牛腿在立柱腹板安装可先安装一端)。

图5 改变后的安装顺序示意图

5 总结

栓焊连接具有一定的优势,其连接形式是双重抗剪和双重抗压,非常稳定。但也存在一定的弊端,例如在施工中要求的精度非常高,施工难度比焊接大,尤其是在修改时费时费功。

栓焊连接虽然是钢结构施工中一个小小的环节,但对整个工程的顺利施工具有重要作用。以上对高强螺栓连接产生误差的原因做了具体分析,并讨论了可行的解决方案,以期对以后的施工有所助益。