全焊接形式大型模塊鋼結構的建造工藝研究

王志勇

上海建工（江蘇）鋼結構有限公司 江蘇 海門 226100

1 項目概況

煙臺萬華聚氨酯股份有限公司9924模塊化裝置鋼結構項目高22.8 m，長26.8 m，寬12.3 m，總用鋼量約340 t，由8個單元模塊組合而成（圖1）。單個單元模塊為全焊接形式框架結構，模塊與模塊之間采用栓接形式。其中M1、M2為全焊接形式大型單元模塊，也是整個項目中制作的難點。M1單元模塊與M2單元模塊為對稱布置。以M1單元模塊為例，其高8.5 m，長13.0 m，寬12.3 m，總用鋼量約70 t，由型鋼柱、板拼形式的十字柱、型鋼梁、管狀斜撐焊接組成。本文著重對M1單元模塊的建造工藝進行研究。

2 施工重點、難點

圖1 模塊分布

1）深化設計：單元模塊鋼結構由型鋼柱、板拼形式的十字柱、型鋼梁、管狀斜撐焊接組成。主、次構件混合分布，主梁與柱節點、主梁與次梁節點的焊接難度高，且要充分考慮裝配順序，多處次梁結構需要采用退裝法進行安裝。如何保證后續單元模塊在建造車間內能夠有序、有效地推進，在Tekla軟件深化建模時需要充分考慮怎樣進行單元模塊的內容分割[1-3]。

2）加工及驗收：項目高22.8 m，且體積龐大，所以在鋼結構建造時，通過對單元模塊進行精細化的尺寸控制，來確保施工過程中不需再對項目進行整體預裝。驗收時重點在于保證模塊的連接形式、連接處的標高尺寸、連接處的位置關系，區分單元模塊的重要尺寸、次要尺寸及非重要尺寸，形成數據表。這些數據表中的內容將成為相鄰單元模塊制作時的重要參考數據。

3）單元模塊的構件安裝：主梁與次梁的安裝形式為將次梁H型鋼的上、下翼板切去一段，僅留腹板，然后將突出腹板插入主梁H型鋼中，主、次梁的腹板與腹板進行T接，翼板與翼板進行對接。這樣的連接形式如不考慮安裝及組對順序，會面臨后續次梁H型鋼無法插入主梁H型鋼中的問題。如何制訂合理的零件安裝順序，保證各構件均能安裝到位是重點。

4）單元模塊焊接的變形控制：該單元模塊的梁、柱節點的連接形式多為H型鋼與H型鋼相貫后產生的節點類型，并隨著H型鋼規格和相貫角度的變化產生多種連接節點形式。節點處為全焊接形式，H型鋼的上、下翼板為全熔透焊接，腹板為雙側角焊縫。這樣的焊接形式雖然有較大的剛性和承載力，但是對焊縫質量要求很高，且焊接勞動強度大，焊縫質量不容易得到保證，焊縫缺陷等因素將導致節點容易發生脆性破壞。焊縫的焊接和返修過程中變形帶來的偏差控制難度大，如何控制焊接變形、保證單元模塊的尺寸精度尤為重要[4-6]。

5）質量控制：結合該單元模塊鋼結構的特點，可將其質量控制分為設計階段的質量控制、工廠制造階段的質量控制、場內轉運的質量控制和運輸階段的質量控制。每個環節的質量控制是本項目的重點和難點。

3 關鍵建造技術

3.1 可行性的模塊分割及建模

M1單元模塊鋼結構由476個零件組成，這些零件采用焊接的形式組合成一個大型模塊單元。傳統的建模理念是在不加以約束的條件下，依據連接關系進行構件的分割。一般通過栓接或其他可拆卸的連接，模型建立時可單獨分為2個獨立構件。對于M1模塊的焊接連接形式，Tekla軟件模型往往會被建立成1個單獨構件。如采用這樣的方式，很難保證單元模塊在建造車間內能夠有序、有效地推進。建造人員無法對這么多零件進行合理的統籌處理，這對項目的工期會產生極大的影響。經過綜合考慮，可行性的模塊分割是非常重要的。我們擬將M1單元模塊分割成柱單元、主梁單元、次梁單元等，然后每個單元中又由若干個零件組成。這樣將一個復雜的單元分解成多個簡單的單元，建造車間可以統籌安排這些簡單單元的生產，并充分、合理地利用場地、人員等寶貴資源，為項目的工期提供有效保證。傳統的Tekla軟件建模理念與合理分割的建模理念比對如圖2所示。

3.2 單元模塊的制作

3.2.1 模塊分割后的單構件制作

經過可行性的模塊分割后，整個單元模塊M1（圖3）形成如下典型的型鋼柱、十字柱、型鋼主梁、型鋼次梁等單構件結構形式。

型鋼柱、十字柱分別位列軸線A（①—④）、B（① —④）、C（①—④）、Da（①—④）處（圖4）。

圖2 傳統的Tekla建模理念與合理分割的建模理念比對示意

圖3 M1單元模塊整體示意

圖4 型鋼柱、十字柱分布示意

型鋼主梁分別位于標高0、+4.0、+7.8 m處的柱與柱的連接處（圖5）。

圖5 型鋼主梁分布示意

型鋼次梁分別位于標高0、+4.0、+7.8 m，貫穿于主梁與主梁的連接，這些次梁在后期將會被安裝上設備支架、管道支架、電儀支架、平臺等構件。

根據上述各類型單構件的特點，確定合理的制作工藝步驟。一般的制作步驟為：主體型鋼的制作及校正→根據基準端面安裝焊接量較大的牛腿→根據基準端面安裝加勁板、連接板、塞焊板等→安裝柱頂法蘭板→尺寸測量及校正→定總長、去除余量并焊接柱底板。

為避免焊接過程中產生過大的焊接應力，導致這些單構件變形過大，在焊接過程中，要嚴格按照對稱焊接、預留收縮量、多層多道焊接、分段退步焊等焊接工藝原則，以減少焊接變形。單構件的制作把控優良，可更好地指導后續作業。

3.2.2 單構件組合成小型模塊的制作

3.2.1節中的單構件制作完成后，如果將這些構件直接進行整體合模成M1單元模塊，顯然也是不利于項目的施工進程的，這樣會增加現場單構件防傾倒措施的工作量、吊裝作業量、高空作業量等，且不利于整個單元模塊的尺寸控制。對此，經過探索，擬將這些單構件先行組合成小型模塊，再將小型模塊合模成M1單元模塊。

該單元模塊位于字母軸A—Da，數字軸①—④，是一個典型的“九宮格”位置排布，將A/①、A/④、Da/①、Da/④位置的4角形成單獨的4個小型模塊進行建造（圖6）。小型模塊體積、質量相對較小，可利于車間組模和尺寸控制。通過鋼結構的翻身，可減少高空焊接的作業量。

圖6 “九宮格”中4個小型模塊分布示意

小型模塊制作時需以型鋼（或十字柱）的中心線為基準定軸線位置，且保證立柱的柱頂板上平面齊平。同時以立柱的柱頂板上平面為基準進行+1 000 mm標高線標記，標高線需要敲設樣沖標記，用于后續整體組模的定位基準及尺寸測量點。

3.2.3 單元模塊的整體合龍制作

依據M1單元模塊的整體平面布置圖制作胎架，胎架應具有足夠的剛性。畫字母軸線、數字軸線，找正16處柱腳安裝的中心位置，敲設樣沖標記。并采用水準儀校驗，調整柱腳定位板并處于同一水平面內（圖7）。

將上述單獨的4個小型模塊吊裝至對應位置，如圖6狀態，依據+1 000 mm標高樣沖線，調至水平位置，對小型模塊進行固定，并采取加強措施，防止在后續工作中因合攏焊接造成定位點的橫向位移變化。

圖7 單元模塊合攏用胎架布置

依次按照標高0、+4.0、+7.8 m的順序，完成4個小型模塊之間的連接組件，形成整體單元模塊狀態，如圖3所示。該步驟中涉及高空焊接作業，在施工中應該嚴格遵守相關安全操作規程，如需設置臨時工裝支撐，臨時工裝焊縫必須滿焊，并且實施等強焊接，以確保安全生產的操作可靠性。

3.3 單元模塊的整體狀態數據測量

單元模塊的重要尺寸為柱頂板的位置尺寸，這些尺寸將直接影響到裝置模塊總集成。采用全站儀對這些柱頂板的三維坐標數據進行采集，通過數據連接到PC端，并采用IN-CHECK三維精度測量軟件對這些采集的數據進行處理分析，最終對整個單元模塊的尺寸進行有針對性的調整。同時這些數據將會被利用于與M1單元模塊有連接關系的M2、M3、M5的建造中去，這樣可為大型復雜模塊的測量校正提供一種更加高效、準確的技術檢測手段。

4 結語

本文闡述了大型全焊接形式的鋼結構模塊施工工藝。在鋼結構模塊施工過程中，通過對模塊的合理分割、化整為零的制作理念進行研究，針對模塊結構的特點，總結出一套成熟的施工工藝。該施工工藝可以解決施工中的難題，抓住施工工藝的關鍵環節，保證施工過程的質量與安全，減少施工措施的投入，可為其他類似鋼結構工程施工提供參考。