浅谈型钢柱扭曲变形的解决办法

李 昶 辛宏伟 何亚强

(中国建筑第四工程局有限公司，陕西 西安 710000)

在结构施工阶段型钢柱安装过程中出现了型钢柱扭曲变形超出规范要求的情况，项目技术人员结合现场情况分析产生扭曲变形的原因，并制定了切实可行的对策，成功规避了后面钢柱安装扭曲变形的问题。

1 项目钢构部分概况

曲江·汉华城二期二标段项目位于西安市雁塔区曲江池北路北侧，曲江大道西侧，该项目致力于打造一个融合商业零售、商务办公、公寓住宅等于一体的多功能、高效率综合体。总建筑面积为80 524.73m2,其中商业建筑面积为36 906.43m2,办公建筑面积为22 650.81m2，地下建筑面积为20 907.49m2,建筑基底面积为8 725.69m2。

其中商业为地下2层，地上5层，建筑总高度为23.800 m，平板筏基础，因该商业综合体造型复杂且有影院、巨幕厅、中庭等大跨度空间，采用钢筋混凝土结构会导致梁、柱截面变大，减小空间净尺寸，故主体结构为钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构和钢结构的混合结构。型钢混凝土结构承载力大、刚度大、抗震及防火性能好，结构局部和整体稳定性好，并且有减小截面尺寸及节约钢材等优点，故本工程主体结构中设计有较多型钢混凝土梁、柱。涉及的型钢混凝土柱均为十字型钢柱，钢柱截面800×800(800×300×20×30×800×300×20×30), 最重单节柱长度为7.745m，重量4.73t。十字型钢柱制作难度大，焊接变形难以矫正，故在制作、安装及焊接过程中控制变形较为重要。

2 型钢柱出现扭曲变形的原因

2.1 钢柱焊接工艺及焊接顺序影响

本项目钢结构中重要焊缝普遍采用焊接，而焊接时构件焊缝及焊缝周围不均匀的受热，会在焊接区域内产生压缩应力和塑性收缩变形[1]，产生不同程度的纵、横向收缩，这种收缩会引起焊接构件的各种变形。

构件焊接后发生的变形分为：整体结构的变形和结构局部的变形。而本项目钢构件为工厂自动化加工，构件进场时经检验无变形情况(图1进场验收)，故不考虑整体结构的变形，判断变形为现场焊接引起的局部变形。

图1 进场验收

常见焊接变形基本形式有如下几种：板材坡口对接施焊后产生的长度伸缩和宽度变化的变形及对焊后产生的角变形；焊后构件的角变形沿构件纵向变形值不同及构件翼缘与腹板的纵向收缩不同产生的扭曲变形。(详见：图2 构件扭曲变形)

图2 构件扭曲变形

各种复杂的结构变形都是上述基本变形单个或者综合作用的结果。本工程钢柱截面尺寸大且形状复杂，钢柱整体为工厂加工，综合分析钢柱变形为扭曲变形。

2.2 上下层钢柱拼接接头处连接夹板刚度不够

钢柱在吊装时临时固定采用夹板固定，起初夹板采用8mm厚钢板，经分析认为钢柱重量大(单节钢柱重量普遍在3t左右)，夹板刚度不够，焊接完成前夹板产生的不均匀变形会导致上面型钢柱发生扭曲。

2.3 钢柱拼接后焊接完成前未对钢柱进行除夹板外的其他固定

第一批钢柱拼接完除了固定夹板，再未采取其他固定方式，接头焊接完成后发现个别柱子出现扭曲现象，分析认为钢柱焊接过程中焊接热输入不均匀导致的变形和夹板刚度不足导致的变形会引起钢柱扭曲，所以焊接前应对钢柱进行除连接夹板外的其他固定方式。

2.4 浇筑混凝土时振捣产生变形

因为型钢混凝土柱截面较大(1 500×1 200,1 200×1 200，1 500×1 500)，且层高均大于4.5m，浇筑砼时作业人员过度振捣或者振捣方式不合理也会造成型钢混凝土柱中型钢柱扭曲。

2.5 地脚螺栓预埋偏位

本项目十字型钢柱是安装在筏板施工时预埋的地脚螺栓上，筏板施工完成后安装型钢柱，如果地脚螺栓预埋偏位或者筏板浇筑时导致预埋螺栓偏移均会影响型钢柱安装，较小的螺栓偏移也会导致型钢柱扭曲(负二层型钢柱一次安装到位，高度5.8m)。

综上所述，导致构件扭曲变形的原因众多，分析各因素对变形的影响，总结其规律，采取合理措施，从而来控制扭曲变形。

3 型钢柱安装存在扭曲变形过大的解决措施

3.1 从焊接方面着手

3.1.1 减小焊接热输入

焊接热输入的影响：一般焊接时热输入越大，构件高温范围会越大、温度也越高，冷却的速度越慢[2]，导致接头(焊缝)区域塑性变形增大，纵向、横向和角变形增大。经过查询相关资料，综合分析对比电渣焊、电弧焊、CO2气体保护焊等焊接方法的优缺点后，从焊接稳定性、焊接热输入大小及焊缝质量的角度考虑，选择热输入相对较小的CO2气体保护焊做为该项目钢柱的焊接设备。

另外焊缝截面积越大，施焊时热输入就越大，冷却时收缩引起的塑性变形量也就越大[3]。本工程型钢柱拼接节点采用全焊接节点，且钢柱翼缘板、腹板厚度均大于20mm，相对较厚，故在满足施工方便及焊缝合格的前提下，采用较小的坡口角度和坡口间距来减小焊接时热输入量。因此，本工程钢柱焊接接头采用单V形坡口加衬垫全焊透焊缝，且焊接时采用多层焊代替单层焊，减小局部热输入过大。

3.1.2 图纸深化、优化

施工前选择专业的单位进行钢结构图纸深化、优化，尽可能减少拼接焊缝的数量和尺寸，通过图纸优化缩小焊缝尺寸(上下节型钢柱加工时坡口采用单V形)，在保证安全的前提下，不得随意加大焊缝厚度，合理布置焊缝，避免出现集中焊缝，尽可能使焊缝位置靠近构件中和轴，或者与构件中和轴对称布置，并留在施焊方便的部位。避免焊缝过分集中或多方向焊缝相交于一点(高度集中的热量会引起较大的焊接变形)。

3.1.3 选择合理的焊接顺序

选择合理的焊接顺序，具备对称施焊条件的焊缝，尽可能采取同时对称同向施焊的方法，本工程型钢柱截面尺寸较大(800×800)，焊接时安排两名专业的电焊工对称型钢柱中和轴同时施焊，避免单面或局部施焊引起变形不均匀导致的扭曲变形。当焊缝在结构上分布不对称时，如果焊缝位于构件中和轴两侧，可通过交替施焊来调节焊接热输入从而减小变形[4]。焊接时对较长的焊缝采用分段退焊或跳焊的方法，对于较厚的焊缝采取分层施焊的方法(本工程型钢柱翼板厚度均为30mm)，以此规避焊缝局部集中加热。用头部带有弧度的小锤敲击焊缝，使焊缝得到延展，可减小焊接残余应力，也有助于减小残余应力引起的变形。

3.2 从钢柱拼接连接夹板入手

结构的刚性与焊接变形的关系：刚性较小的结构，焊接变形大；刚性大的构件，焊后变形较小，而构件的刚性大小，主要由结构的形状和截面大小决定。本工程十字型钢柱截面尺寸大，翼板及腹板板材厚度大且固定间距设计有加肋板，整体刚度较大。但是开始施工时拼接连接夹板使用厚度8mm的钢板，刚度小，不足以抵抗焊接过程中产生的变形，经讨论将钢柱拼接连接夹板更换为20mm厚钢板，然后校正钢柱位置，用螺栓固定型钢柱连接夹板(详见：图3 型钢柱拼接节点)。

图3 型钢柱拼接节点

3.3 从钢柱临时固定措施入手

刚性固定法又称为强制法。在现场施工中，虽然刚性大的构件焊后变形相对较小，但是在焊接前仍需加强型钢柱刚性，来减小焊接后变形。在采用刚性固定法时，必须等焊缝冷却至常温后将连接夹板和支撑拆去，本项目采用增加支撑和定位焊接的方法。

3.3.1 增加支撑

为保证型钢柱焊接过程不发生变形或者尽可能减小变形，焊接前对钢柱进行花篮拉杆固定。每层砼浇筑时在型钢混凝土柱一侧2.5m处预埋2块20厚钢板，两钢板间距800与型钢柱翼板平行，钢板露出地面一端带20螺栓孔，钢柱拼接完，夹板连接后，从钢柱一侧用花篮拉杆(详见：图4 花篮拉杆)连接钢柱和预埋板，起到临时固定钢柱的作用，减小钢柱因焊接变形和其他外力引起的扭曲变形。

图4 花篮拉杆

3.3.2 采用定位焊接法先行固定

定位焊接法拼接接头：钢柱位置校正准确后，固定夹板和花篮螺栓(拉杆)支撑，然后再次复核型钢柱位置，确定无误后先点焊几处，固定拼接接头，然后按方案要求顺序开始施焊焊接。

3.4 加强钢筋、模板施工管理

木工支设型钢混凝土柱模板时为保证构件尺寸及位置准确，对钢筋保护层较小面会采用外力矫正模板，而钢筋此时与型钢柱已成为一个整体，矫正模板会造成型钢柱扭曲，故钢筋绑扎时应严格预留保护层并保证钢筋位置准确，柱子砼浇筑时给柱筋绑扎定位箍筋，并且安排专人看钢筋，钢筋出现移位时要及时调整。综上钢筋下料及绑扎时严格按照设计及规范要求，严格留保护层，保证钢筋位置准确，避免钢筋移位导致的保护层不够。

3.5 加强砼浇筑管理

(1)型钢柱所在轴线梁截面尺寸大，配筋比较密，会导致浇筑时混凝土不宜流入柱模板内，为此项目联系商混站实验室在满足砼设计强度的前提下调整砼配合比，保证砼的和易性(流动性、保水性及粘聚性)，确保浇筑时混凝土能正常流入柱子模板内。

(2)合理安排浇筑时间，避开上下班高峰时段和中午炎热时段浇筑型钢混凝土柱，减小出厂砼的坍落度损失和流动性减小，因为砼流动性小时为保证砼正常入模，作业人员会加强振捣，从而引起型钢柱扭曲变形。

(3)浇筑前加强作业人员交底，振捣时尽量避免触碰钢筋和型钢柱，严禁在一处长时间振捣；筏板浇筑振捣时振捣器不得触碰预埋的地脚螺栓，浇筑时安排人员旁站，预埋螺栓一旦出现偏移，及时处理。

3.6 地脚螺栓预埋要准确

地脚螺栓预埋位置的准确与否，对型钢柱的安装有很大影响，尤其首层安装，柱子较高，如果产生偏移，偏差会累计，导致后面无法调整，因此地脚螺栓的预埋很重要，要根据放设的轴线定位每根型钢柱的位置，所有型钢柱的螺栓预埋好后，统筹复核螺栓位置是否准确，确认无误后将地脚螺栓与筏板钢筋焊接固定，避免外界因素引起地脚螺栓位移。

安装型钢柱前再次复核预埋螺栓位置，如果螺栓存在较小偏差，可对型钢柱底座板进行扩孔处理，避免螺栓偏位引起的钢柱扭曲。

3.7 加强施工全过程管理

型钢柱工厂生产完成后现场安装、焊接，加工好的构件进场时需提供材质单，同监理、甲方一起进行检查验收，检查构件规格、尺寸是否正确，有无缺陷、变形，并现场取样送检。而现场施工均由施工人员完成，作业人员能力、技术水平高低直接影响工程质量，故加强现场管理可以避免因人员操作不当引起的误差。

施工前编制有针对性的施工方案或者作业指导书，人员进场时检查焊工证及证件是否在有效期内，保证作业人员持证上岗，并对现场作业人员进行详细的安全、技术交底，使作业人员清楚施工流程、方法，明白作业注意事项；另外施工人员要固定，不能频繁更换施工人员尤其是关键岗位的(不能胜任现场工作的除外)，当更换作业人员时，要及时进行交底、培训。

施工过程中要有管理人员旁站、监督，当施工工序或操作方法不当时要及时指出，并要求按正确的方法进行施工。当发现作业人员对安装、施焊流程不熟悉时要及时组织交底、培训，当出现未预见的情况时先暂停施工，提出合理的解决措施后再继续施工。保证施工过程严格按方案实施，避免人的因素对施工质量的影响。每层型钢柱施工完成后进行复盘，总结本层施工存在的问题并分析原因，避免下层施工时同样的问题重复出现。

4 结 语

文章以曲江· 汉华城二期二标段项目型钢混凝土柱施工时型钢柱出现扭曲变形为问题切入点，就施工过程进行详细分析，得出具体的型钢柱扭曲变形原因，并提出相应的解决措施。通过深化图纸，选择合理的焊接方式及焊接顺序控制焊接热输入，通过提高连接夹板刚度，加强钢柱拼接临时固定，加强砼浇筑及施工全过程管理，有效避免了型钢柱安装过程中出现的扭曲变形，保证了项目型钢柱安装质量，提高了钢柱安装一次合格率。

目前建筑市场的钢结构设计、加工、施工一般为专业分包进行，本文主要从钢结构施工方面进行了原因分析、制定解决措施，钢结构设计方、钢结构加工(生产)方也可参考类似方法进行钢结构变形分析，从钢结构设计、加工、施工全过程对钢结构变形进行控制，从而保证钢结构的工程质量及安全。