淺談型鋼柱扭曲變形的解決辦法

李 昶 辛宏偉 何亞強

(中國建筑第四工程局有限公司，陜西 西安 710000)

在結構施工階段型鋼柱安裝過程中出現了型鋼柱扭曲變形超出規(guī)范要求的情況，項目技術人員結合現場情況分析產生扭曲變形的原因，并制定了切實可行的對策，成功規(guī)避了后面鋼柱安裝扭曲變形的問題。

1 項目鋼構部分概況

曲江·漢華城二期二標段項目位于西安市雁塔區(qū)曲江池北路北側，曲江大道西側，該項目致力于打造一個融合商業(yè)零售、商務辦公、公寓住宅等于一體的多功能、高效率綜合體。總建筑面積為80 524.73m2,其中商業(yè)建筑面積為36 906.43m2,辦公建筑面積為22 650.81m2，地下建筑面積為20 907.49m2,建筑基底面積為8 725.69m2。

其中商業(yè)為地下2層，地上5層，建筑總高度為23.800 m，平板筏基礎，因該商業(yè)綜合體造型復雜且有影院、巨幕廳、中庭等大跨度空間，采用鋼筋混凝土結構會導致梁、柱截面變大，減小空間凈尺寸，故主體結構為鋼筋混凝土結構、型鋼混凝土結構和鋼結構的混合結構。型鋼混凝土結構承載力大、剛度大、抗震及防火性能好，結構局部和整體穩(wěn)定性好，并且有減小截面尺寸及節(jié)約鋼材等優(yōu)點，故本工程主體結構中設計有較多型鋼混凝土梁、柱。涉及的型鋼混凝土柱均為十字型鋼柱，鋼柱截面800×800(800×300×20×30×800×300×20×30), 最重單節(jié)柱長度為7.745m，重量4.73t。十字型鋼柱制作難度大，焊接變形難以矯正，故在制作、安裝及焊接過程中控制變形較為重要。

2 型鋼柱出現扭曲變形的原因

2.1 鋼柱焊接工藝及焊接順序影響

本項目鋼結構中重要焊縫普遍采用焊接，而焊接時構件焊縫及焊縫周圍不均勻的受熱，會在焊接區(qū)域內產生壓縮應力和塑性收縮變形[1]，產生不同程度的縱、橫向收縮，這種收縮會引起焊接構件的各種變形。

構件焊接后發(fā)生的變形分為：整體結構的變形和結構局部的變形。而本項目鋼構件為工廠自動化加工，構件進場時經檢驗無變形情況(圖1進場驗收)，故不考慮整體結構的變形，判斷變形為現場焊接引起的局部變形。

圖1 進場驗收

常見焊接變形基本形式有如下幾種：板材坡口對接施焊后產生的長度伸縮和寬度變化的變形及對焊后產生的角變形；焊后構件的角變形沿構件縱向變形值不同及構件翼緣與腹板的縱向收縮不同產生的扭曲變形。(詳見：圖2 構件扭曲變形)

圖2 構件扭曲變形

各種復雜的結構變形都是上述基本變形單個或者綜合作用的結果。本工程鋼柱截面尺寸大且形狀復雜，鋼柱整體為工廠加工，綜合分析鋼柱變形為扭曲變形。

2.2 上下層鋼柱拼接接頭處連接夾板剛度不夠

鋼柱在吊裝時臨時固定采用夾板固定，起初夾板采用8mm厚鋼板，經分析認為鋼柱重量大(單節(jié)鋼柱重量普遍在3t左右)，夾板剛度不夠，焊接完成前夾板產生的不均勻變形會導致上面型鋼柱發(fā)生扭曲。

2.3 鋼柱拼接后焊接完成前未對鋼柱進行除夾板外的其他固定

第一批鋼柱拼接完除了固定夾板，再未采取其他固定方式，接頭焊接完成后發(fā)現個別柱子出現扭曲現象，分析認為鋼柱焊接過程中焊接熱輸入不均勻導致的變形和夾板剛度不足導致的變形會引起鋼柱扭曲，所以焊接前應對鋼柱進行除連接夾板外的其他固定方式。

2.4 澆筑混凝土時振搗產生變形

因為型鋼混凝土柱截面較大(1 500×1 200,1 200×1 200，1 500×1 500)，且層高均大于4.5m，澆筑砼時作業(yè)人員過度振搗或者振搗方式不合理也會造成型鋼混凝土柱中型鋼柱扭曲。

2.5 地腳螺栓預埋偏位

本項目十字型鋼柱是安裝在筏板施工時預埋的地腳螺栓上，筏板施工完成后安裝型鋼柱，如果地腳螺栓預埋偏位或者筏板澆筑時導致預埋螺栓偏移均會影響型鋼柱安裝，較小的螺栓偏移也會導致型鋼柱扭曲(負二層型鋼柱一次安裝到位，高度5.8m)。

綜上所述，導致構件扭曲變形的原因眾多，分析各因素對變形的影響，總結其規(guī)律，采取合理措施，從而來控制扭曲變形。

3 型鋼柱安裝存在扭曲變形過大的解決措施

3.1 從焊接方面著手

3.1.1 減小焊接熱輸入

焊接熱輸入的影響：一般焊接時熱輸入越大，構件高溫范圍會越大、溫度也越高，冷卻的速度越慢[2]，導致接頭(焊縫)區(qū)域塑性變形增大，縱向、橫向和角變形增大。經過查詢相關資料，綜合分析對比電渣焊、電弧焊、CO2氣體保護焊等焊接方法的優(yōu)缺點后，從焊接穩(wěn)定性、焊接熱輸入大小及焊縫質量的角度考慮，選擇熱輸入相對較小的CO2氣體保護焊做為該項目鋼柱的焊接設備。

另外焊縫截面積越大，施焊時熱輸入就越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量也就越大[3]。本工程型鋼柱拼接節(jié)點采用全焊接節(jié)點，且鋼柱翼緣板、腹板厚度均大于20mm，相對較厚，故在滿足施工方便及焊縫合格的前提下，采用較小的坡口角度和坡口間距來減小焊接時熱輸入量。因此，本工程鋼柱焊接接頭采用單V形坡口加襯墊全焊透焊縫，且焊接時采用多層焊代替單層焊，減小局部熱輸入過大。

3.1.2 圖紙深化、優(yōu)化

施工前選擇專業(yè)的單位進行鋼結構圖紙深化、優(yōu)化，盡可能減少拼接焊縫的數量和尺寸，通過圖紙優(yōu)化縮小焊縫尺寸(上下節(jié)型鋼柱加工時坡口采用單V形)，在保證安全的前提下，不得隨意加大焊縫厚度，合理布置焊縫，避免出現集中焊縫，盡可能使焊縫位置靠近構件中和軸，或者與構件中和軸對稱布置，并留在施焊方便的部位。避免焊縫過分集中或多方向焊縫相交于一點(高度集中的熱量會引起較大的焊接變形)。

3.1.3 選擇合理的焊接順序

選擇合理的焊接順序，具備對稱施焊條件的焊縫，盡可能采取同時對稱同向施焊的方法，本工程型鋼柱截面尺寸較大(800×800)，焊接時安排兩名專業(yè)的電焊工對稱型鋼柱中和軸同時施焊，避免單面或局部施焊引起變形不均勻導致的扭曲變形。當焊縫在結構上分布不對稱時，如果焊縫位于構件中和軸兩側，可通過交替施焊來調節(jié)焊接熱輸入從而減小變形[4]。焊接時對較長的焊縫采用分段退焊或跳焊的方法，對于較厚的焊縫采取分層施焊的方法(本工程型鋼柱翼板厚度均為30mm)，以此規(guī)避焊縫局部集中加熱。用頭部帶有弧度的小錘敲擊焊縫，使焊縫得到延展，可減小焊接殘余應力，也有助于減小殘余應力引起的變形。

3.2 從鋼柱拼接連接夾板入手

結構的剛性與焊接變形的關系：剛性較小的結構，焊接變形大；剛性大的構件，焊后變形較小，而構件的剛性大小，主要由結構的形狀和截面大小決定。本工程十字型鋼柱截面尺寸大，翼板及腹板板材厚度大且固定間距設計有加肋板，整體剛度較大。但是開始施工時拼接連接夾板使用厚度8mm的鋼板，剛度小，不足以抵抗焊接過程中產生的變形，經討論將鋼柱拼接連接夾板更換為20mm厚鋼板，然后校正鋼柱位置，用螺栓固定型鋼柱連接夾板(詳見：圖3 型鋼柱拼接節(jié)點)。

圖3 型鋼柱拼接節(jié)點

3.3 從鋼柱臨時固定措施入手

剛性固定法又稱為強制法。在現場施工中，雖然剛性大的構件焊后變形相對較小，但是在焊接前仍需加強型鋼柱剛性，來減小焊接后變形。在采用剛性固定法時，必須等焊縫冷卻至常溫后將連接夾板和支撐拆去，本項目采用增加支撐和定位焊接的方法。

3.3.1 增加支撐

為保證型鋼柱焊接過程不發(fā)生變形或者盡可能減小變形，焊接前對鋼柱進行花籃拉桿固定。每層砼澆筑時在型鋼混凝土柱一側2.5m處預埋2塊20厚鋼板，兩鋼板間距800與型鋼柱翼板平行，鋼板露出地面一端帶20螺栓孔，鋼柱拼接完，夾板連接后，從鋼柱一側用花籃拉桿(詳見：圖4 花籃拉桿)連接鋼柱和預埋板，起到臨時固定鋼柱的作用，減小鋼柱因焊接變形和其他外力引起的扭曲變形。

圖4 花籃拉桿

3.3.2 采用定位焊接法先行固定

定位焊接法拼接接頭：鋼柱位置校正準確后，固定夾板和花籃螺栓(拉桿)支撐，然后再次復核型鋼柱位置，確定無誤后先點焊幾處，固定拼接接頭，然后按方案要求順序開始施焊焊接。

3.4 加強鋼筋、模板施工管理

木工支設型鋼混凝土柱模板時為保證構件尺寸及位置準確，對鋼筋保護層較小面會采用外力矯正模板，而鋼筋此時與型鋼柱已成為一個整體，矯正模板會造成型鋼柱扭曲，故鋼筋綁扎時應嚴格預留保護層并保證鋼筋位置準確，柱子砼澆筑時給柱筋綁扎定位箍筋，并且安排專人看鋼筋，鋼筋出現移位時要及時調整。綜上鋼筋下料及綁扎時嚴格按照設計及規(guī)范要求，嚴格留保護層，保證鋼筋位置準確，避免鋼筋移位導致的保護層不夠。

3.5 加強砼澆筑管理

(1)型鋼柱所在軸線梁截面尺寸大，配筋比較密，會導致澆筑時混凝土不宜流入柱模板內，為此項目聯系商混站實驗室在滿足砼設計強度的前提下調整砼配合比，保證砼的和易性(流動性、保水性及粘聚性)，確保澆筑時混凝土能正常流入柱子模板內。

(2)合理安排澆筑時間，避開上下班高峰時段和中午炎熱時段澆筑型鋼混凝土柱，減小出廠砼的坍落度損失和流動性減小，因為砼流動性小時為保證砼正常入模，作業(yè)人員會加強振搗，從而引起型鋼柱扭曲變形。

(3)澆筑前加強作業(yè)人員交底，振搗時盡量避免觸碰鋼筋和型鋼柱，嚴禁在一處長時間振搗；筏板澆筑振搗時振搗器不得觸碰預埋的地腳螺栓，澆筑時安排人員旁站，預埋螺栓一旦出現偏移，及時處理。

3.6 地腳螺栓預埋要準確

地腳螺栓預埋位置的準確與否，對型鋼柱的安裝有很大影響，尤其首層安裝，柱子較高，如果產生偏移，偏差會累計，導致后面無法調整，因此地腳螺栓的預埋很重要，要根據放設的軸線定位每根型鋼柱的位置，所有型鋼柱的螺栓預埋好后，統(tǒng)籌復核螺栓位置是否準確，確認無誤后將地腳螺栓與筏板鋼筋焊接固定，避免外界因素引起地腳螺栓位移。

安裝型鋼柱前再次復核預埋螺栓位置，如果螺栓存在較小偏差，可對型鋼柱底座板進行擴孔處理，避免螺栓偏位引起的鋼柱扭曲。

3.7 加強施工全過程管理

型鋼柱工廠生產完成后現場安裝、焊接，加工好的構件進場時需提供材質單，同監(jiān)理、甲方一起進行檢查驗收，檢查構件規(guī)格、尺寸是否正確，有無缺陷、變形，并現場取樣送檢。而現場施工均由施工人員完成，作業(yè)人員能力、技術水平高低直接影響工程質量，故加強現場管理可以避免因人員操作不當引起的誤差。

施工前編制有針對性的施工方案或者作業(yè)指導書，人員進場時檢查焊工證及證件是否在有效期內，保證作業(yè)人員持證上崗，并對現場作業(yè)人員進行詳細的安全、技術交底，使作業(yè)人員清楚施工流程、方法，明白作業(yè)注意事項；另外施工人員要固定，不能頻繁更換施工人員尤其是關鍵崗位的(不能勝任現場工作的除外)，當更換作業(yè)人員時，要及時進行交底、培訓。

施工過程中要有管理人員旁站、監(jiān)督，當施工工序或操作方法不當時要及時指出，并要求按正確的方法進行施工。當發(fā)現作業(yè)人員對安裝、施焊流程不熟悉時要及時組織交底、培訓，當出現未預見的情況時先暫停施工，提出合理的解決措施后再繼續(xù)施工。保證施工過程嚴格按方案實施，避免人的因素對施工質量的影響。每層型鋼柱施工完成后進行復盤，總結本層施工存在的問題并分析原因，避免下層施工時同樣的問題重復出現。

4 結 語

文章以曲江· 漢華城二期二標段項目型鋼混凝土柱施工時型鋼柱出現扭曲變形為問題切入點，就施工過程進行詳細分析，得出具體的型鋼柱扭曲變形原因，并提出相應的解決措施。通過深化圖紙，選擇合理的焊接方式及焊接順序控制焊接熱輸入，通過提高連接夾板剛度，加強鋼柱拼接臨時固定，加強砼澆筑及施工全過程管理，有效避免了型鋼柱安裝過程中出現的扭曲變形，保證了項目型鋼柱安裝質量，提高了鋼柱安裝一次合格率。

目前建筑市場的鋼結構設計、加工、施工一般為專業(yè)分包進行，本文主要從鋼結構施工方面進行了原因分析、制定解決措施，鋼結構設計方、鋼結構加工(生產)方也可參考類似方法進行鋼結構變形分析，從鋼結構設計、加工、施工全過程對鋼結構變形進行控制，從而保證鋼結構的工程質量及安全。