角鋼定位器在杯基鋼柱吊裝中的應(yīng)用技術(shù)研究

張勝勇

（中鐵十六局集團(tuán)城市建設(shè)發(fā)展有限公司 北京 100018）

1 引言

近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)得到了蓬勃發(fā)展，從一般鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展到高層、超高層建筑及大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)［1］。鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的保證，決定因素除材料合格、制作精度高外，還需依靠科學(xué)合理的安裝工藝［2］。在廠房建設(shè)中，鋼柱吊裝是鋼結(jié)構(gòu)施工中重要節(jié)點(diǎn)，是確保整體鋼結(jié)構(gòu)工程安全、質(zhì)量與進(jìn)度的重中之重［3］。根據(jù)實(shí)體項(xiàng)目，研發(fā)一種適用于杯口基礎(chǔ)的鋼柱吊裝校正工藝方法，既保證施工安全可靠，又保證操作簡(jiǎn)便、精度高、工效快、通用性強(qiáng)的吊裝定位裝置。

2 工程概況

科爾沁馬城賽事大樓工程位于內(nèi)蒙古通遼市開(kāi)發(fā)區(qū)，總建筑面積約11.3萬(wàn) m2，地下一層［4］，分為酒店、寫(xiě)字樓及后勤庫(kù)區(qū)。其中后勤庫(kù)區(qū)結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用杯口型承臺(tái)基礎(chǔ)。排架系統(tǒng)由排架柱及柱間支撐組成，鋼架上柱為實(shí)腹式工字型柱［5］，下柱為雙肢鋼管柱，柱距9 m，柱腳采用插入式柱腳。上柱支撐采用交叉撐，采用槽鋼組合斷面，下柱支撐采用交叉形撐［6］，采用槽鋼組合斷面，上下柱柱間支撐與柱子均采用節(jié)點(diǎn)板焊接連接。庫(kù)區(qū)鋼構(gòu)件總計(jì)2 400 t，鋼柱吊裝共計(jì)220根。

3 角鋼定位器施工原理

定位裝置由角鋼定位器及輔助鋼筋組成，首先采用規(guī)格∠50×5的角鋼以垂直焊接的方式，根據(jù)基礎(chǔ)頂面預(yù)先彈好的安裝控制線對(duì)杯口相鄰兩側(cè)的角鋼定位器進(jìn)行預(yù)定位。隨后進(jìn)行吊裝鋼柱，調(diào)整鋼柱并校正合格后，采用輔助鋼筋設(shè)置水平支撐，頂住杯口四壁與鋼柱焊接。將剩余兩側(cè)的角鋼定位器全部焊接完成，通過(guò)角鋼組合及水平支撐筋完成鋼柱的吊裝定位。

4 角鋼定位器三維建模

通過(guò)強(qiáng)大的三維建模功能，在鋼柱吊裝前進(jìn)行三維模擬構(gòu)畫(huà)，見(jiàn)圖1。建立角鋼組合的構(gòu)造模擬，完善組合中各分部角鋼的布設(shè)，保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的可行性，見(jiàn)圖2。

圖1 角鋼定位器研制結(jié)構(gòu)

圖2 角鋼定位器三維圖

圖1中，1為杯口基礎(chǔ)；2為角鋼一，與杯口基礎(chǔ)左右側(cè)壁垂直頂固；3為角鋼二，作為角鋼一的側(cè)肢支撐；4為角鋼三，作為角鋼一的側(cè)肢支撐；5為角鋼四，與角鋼一垂直焊接，另一側(cè)與杯口基礎(chǔ)前側(cè)壁垂直頂固；6為角鋼五，與角鋼四垂直焊接，另一端與杯口基礎(chǔ)左側(cè)壁垂直頂固；7為角鋼六，與角鋼一垂直焊接，另一側(cè)與杯口基礎(chǔ)前側(cè)壁垂直頂固；8為角鋼七，與角鋼四及角鋼六垂直焊接。

5 施工操作要點(diǎn)

5.1 鋼柱吊裝驗(yàn)算

（1）鋼柱重量計(jì)算

鋼柱總重量約為：4 957 kg。

（2）起重重量

［4 957 kg（鋼柱）＋300 kg（索具重量）］×1.2（動(dòng)力系數(shù)）＝6 308 kg。

（3）起升高度

17.4 m（鋼柱底部至柱頂高度）＋10 m（索具高度）＋0.5 m（安裝時(shí)提升高度）＋0.3 m（室內(nèi)外高差）＋1 m＝29.2 m。

（4）起重機(jī)選擇

由上述數(shù)據(jù)可知：起重機(jī)工作半徑R≥8 m，起重高度32.5 m≥29.2 m，起重重量W總10 214 kg≥6 308 kg查起重機(jī)性能表，25 t汽車(chē)起重機(jī)可滿足要求。

（5）吊裝鋼柱鋼絲繩驗(yàn)算

①鋼絲繩吊裝采用鋼筋加鎖扣勾住柱頂螺栓孔吊裝法，鋼絲繩的吊索拉力為7.4 t，由于鋼絲繩基本都是垂直的，所以鋼絲繩采用6×37＋1、d＝46 mm型號(hào)。

② 根據(jù)吊裝重量，選用6×37＋1、d＝46 mm、抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa鋼絲繩時(shí)，其破斷拉力總和P破＝1 040 kN，根據(jù)公式［P］＝（P破÷9.8）×φ修÷K＝（1 040÷9.8）×0.82÷6＝14.5 t＞6.3 t，故安全。其中：φ修為修正系數(shù)，K為安全系數(shù)。

5.2 杯口復(fù)查

（1）位于杯口基礎(chǔ)鋼柱安裝前，基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)，即可使用。同時(shí)需要在基礎(chǔ)中心標(biāo)識(shí)橫縱中心線及標(biāo)高標(biāo)記標(biāo)識(shí)。

（2）對(duì)杯底標(biāo)高進(jìn)行一次水平儀檢查和調(diào)整，以保證柱吊裝后牛腿頂面標(biāo)高的準(zhǔn)確［7］。為使杯底標(biāo)高調(diào)整值（Δh）為正值，柱基施工時(shí)，杯底標(biāo)高控制值一般均要低于設(shè)計(jì)值50 mm［8］。見(jiàn)表1。

表1_杯口尺寸允許偏差

5.3 角鋼組件制作、預(yù)定位安裝

（1）預(yù)制定位器角鋼組件

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基礎(chǔ)軸線進(jìn)行復(fù)測(cè)見(jiàn)圖3，確定無(wú)誤后根據(jù)定位軸線在基礎(chǔ)頂面彈出角鋼定位器安裝控制線，控制線為角鋼定位器內(nèi)邊線，并與鋼柱的安裝中心線相對(duì)應(yīng)，根據(jù)安裝控制線及實(shí)測(cè)基礎(chǔ)杯口尺寸提前制作預(yù)定位角鋼組件。預(yù)定位組件由圖1中，角鋼一與角鋼二、角鋼三垂直頂固焊接，角鋼二與角鋼三均勻布設(shè)在角鋼一左側(cè)，焊接形成獨(dú)立單體Ⅰ。角鋼四與角鋼五垂直頂固焊接，角鋼五布設(shè)于角鋼四中線位置，形成獨(dú)立單體Ⅱ，見(jiàn)圖4。

圖3 基礎(chǔ)測(cè)量復(fù)核標(biāo)高及軸線

圖4 制作完成的角鋼組件

（2）角鋼組件預(yù)定位安裝

根據(jù)安裝控制線預(yù)先安裝預(yù)定位角鋼組件（獨(dú)立單體Ⅰ、獨(dú)立單體Ⅱ），基礎(chǔ)復(fù)查及支座安裝合格后，運(yùn)用垂直焊接的方式，在杯口預(yù)定位兩側(cè)安裝角鋼定位器［9］。邊框角鋼端頭預(yù)切50 mm×50 mm卡槽，卡掛在基礎(chǔ)杯口頂面并頂緊，獨(dú)立單體Ⅰ選用角鋼一雙側(cè)搭接頂位，獨(dú)立單體Ⅱ選用角鋼四臨基礎(chǔ)側(cè)搭接頂位，反方向與獨(dú)立單體Ⅰ垂直滿接，以防止定位器位移。卡槽應(yīng)根據(jù)杯基卡位處隨型調(diào)整且保證滿卡，見(jiàn)圖5、圖6。

5.4 線墜吊架焊接

鋼柱吊裝前預(yù)先在柱頂焊接水平短鋼筋作為線墜吊架。截取4根25 cm長(zhǎng)12鋼筋，對(duì)應(yīng)平行于基礎(chǔ)的定位軸線分別垂直焊接在柱頂橫梁上，鋼筋吊架距柱邊20 cm處，分別拴系線墜并垂吊至柱底。線墜使用5 kg鋼質(zhì)線墜，尼龍絲線垂吊，在柱頂鋼筋處捆綁牢固，防止滑移，見(jiàn)圖7。

圖5 定位器預(yù)安裝三維圖

圖6 定位器雙側(cè)角鋼垂直焊接

5.5 鋼柱吊裝

鋼柱安裝采用滑行法在跨內(nèi)依次進(jìn)行［10］。起吊時(shí)吊機(jī)將綁扎好的鋼柱緩慢吊起垂直下放到杯口上方，穩(wěn)住柱腳插入杯口落于杯底支座上，并貼緊已安裝的預(yù)定位角鋼，按照安裝控制線找正平面位置，隨即利用柱頂預(yù)先垂吊的線墜檢測(cè)鋼柱垂直度。用鋼尺分別從兩個(gè)方向測(cè)量吊線至鋼柱距離，同時(shí)指揮吊車(chē)并使用鋼管撐桿斜頂法調(diào)整垂直度偏差，保證鋼柱按設(shè)計(jì)位置安裝就位，見(jiàn)圖8、圖9。

圖7 線墜吊架焊接實(shí)物

圖8 鋼柱吊裝示意

圖9 鋼柱垂直度校正測(cè)量示意

5.6 支撐筋焊接、角鋼組件安裝完成

（1）支撐筋焊接油漆標(biāo)記，以使支撐點(diǎn)受力位置一致保證準(zhǔn)確穩(wěn)固。焊接時(shí)將鋼筋支撐頂緊杯壁及鋼柱中心，焊機(jī)電流適當(dāng)調(diào)大，采用斷弧焊工藝將鋼筋支撐與鋼柱焊接牢固，見(jiàn)圖10。

圖10 支撐筋焊接完成

（2）角鋼組件安裝完成

為盡量節(jié)省鋼柱吊裝校正期間的焊接工作量，在安裝預(yù)定位角鋼時(shí)，根據(jù)安裝控制線預(yù)先制作預(yù)定位安裝組件并焊接，此項(xiàng)工作可在鋼柱吊裝前完成，不占用鋼柱吊裝總體時(shí)間，鋼柱校正合格且支撐筋焊接完成后，其余兩側(cè)定位角鋼可不設(shè)置側(cè)肢支撐，直接采用垂直焊接的方式與預(yù)定位角鋼連接，為節(jié)省材料用量并進(jìn)一步壓縮操作時(shí)間。其余兩側(cè)定位角鋼垂直焊接工藝流程由圖1中角鋼六（獨(dú)立單體Ⅲ）、角鋼七（獨(dú)立單體Ⅳ）按照實(shí)量尺寸現(xiàn)場(chǎng)加工制作。獨(dú)立單體Ⅲ緊貼鋼柱進(jìn)行安裝并與獨(dú)立單體Ⅰ垂直焊接，另一側(cè)卡槽卡在基礎(chǔ)杯口頂面并頂緊。獨(dú)立單體Ⅳ緊貼鋼柱并與獨(dú)立單體Ⅱ、Ⅲ反方向平鋪垂直焊接，整體角鋼定位器安裝完成，見(jiàn)圖 11、圖 12。

圖11 定位器三維圖

圖12 定位器安裝完成

5.7 杯口混凝土澆筑

在澆筑混凝土前，應(yīng)先清除杯口內(nèi)部、基礎(chǔ)頂面的垃圾、泥土或鋼柱吊裝所使用的殘余材料，防止?jié)仓r(shí)落入杯基中。

杯口采用C35細(xì)石混凝土澆筑，采用小型振搗棒振搗密實(shí)，振搗時(shí)嚴(yán)禁碰觸角鋼組件、支撐筋及鋼柱，以免振搗時(shí)導(dǎo)致鋼柱位移，待澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可拆除角鋼定位器［11］，進(jìn)入下一步工序施工。

6 角鋼定位器創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

（1）在鋼柱吊裝校正的施工過(guò)程中，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)做法一般采用槽鋼固定架配合鋼筋支撐固定校正鋼柱或采用螺旋千斤頂配合經(jīng)緯儀定位校正鋼柱［12］。采用角鋼定位器配合線墜定位校正鋼柱做法優(yōu)點(diǎn)：一是無(wú)需纜風(fēng)繩及地錨，節(jié)省大量手拉葫蘆、鋼楔子等材料機(jī)具，避免投入大量人工；二是無(wú)需錨固螺栓，避免鉆孔破壞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，角鋼及輔助鋼筋材料使用量較小，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量較少，節(jié)省人工；三是使用線墜校正鋼柱垂直度，工序簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需多人配合經(jīng)緯儀檢測(cè)，施工效率高；四是角鋼定位器制作簡(jiǎn)易，充分利用現(xiàn)場(chǎng)邊角余料，質(zhì)量可靠，安全性好，保證快速進(jìn)入下道工序施工。

（2）在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)：以本工程施工難度最大的節(jié)點(diǎn)工期為例，采用角鋼定位器運(yùn)用在鋼柱吊裝校正施工之中，鋼柱安裝質(zhì)量得到很大提高，施工工期得到了很大縮減，施工安全可靠，為后期工序施工提供了堅(jiān)實(shí)的保障。結(jié)合所依托項(xiàng)目實(shí)際情況所得數(shù)據(jù)，采用角鋼定位器定位校正鋼柱比未使用此項(xiàng)技術(shù)指導(dǎo)下的施工節(jié)省工期20 d，人工費(fèi)成本降低70%，機(jī)械費(fèi)成本降低20.4%。

綜合測(cè)算：采用角鋼定位器比傳統(tǒng)纜風(fēng)繩定位校正鋼柱成本降低43.6%，人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)總成本為13.27萬(wàn)元，折合每根鋼柱綜合單價(jià)為296.2元／根；采用傳統(tǒng)纜風(fēng)繩多方位錨固校正鋼柱人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)總成本為23.52萬(wàn)元，折合每根鋼柱綜合單價(jià)為525.2元／根。本工程累計(jì)可節(jié)省成本約10.25萬(wàn)元。

7 結(jié)束語(yǔ)

本工程通過(guò)對(duì)鋼柱吊裝校正的綜合研究，以安全保障、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、施工效率、人工成本等方面為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)前期的三維構(gòu)建，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)初試，以達(dá)到后期普遍應(yīng)用的效果；縮短了工期，同時(shí)節(jié)約了人工的投入，創(chuàng)造了顯著的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該技術(shù)在項(xiàng)目上的研發(fā)和應(yīng)用獲得“一種杯口基礎(chǔ)吊裝校正鋼柱的定位器”國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)ZL 201720733449.8）。此項(xiàng)創(chuàng)新解決了鋼柱吊裝校正施工中重難點(diǎn)問(wèn)題，在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)施工中具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。