基于大跨度門式剛架的外露式鋼柱柱腳施工技術★

李振興，吳金池，徐 亮

(湖北工建集團第三建筑工程有限公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

鋼柱柱腳是鋼結構中的重要節點,其作用是將鋼柱下端軸力、剪力、彎矩傳遞給基礎,使鋼柱與基礎有效地連接在一起,確保上部結構承受各種外力作用[1-4]。鋼柱柱腳類型按柱腳位置分外露式、外包式、埋入式和插入式[5-8]。輕型鋼結構房屋和重工業廠房中通常采用外露式鋼柱柱腳,抗震設防烈度為6度、7度且高度不超過50 m的多層和高層鋼框架也可采用外露式鋼柱柱腳[9]。

外露式鋼柱柱腳施工時一般采用地腳螺栓將鋼柱與基礎進行連接固定,地腳螺栓通常預埋于基礎內。目前,安裝地腳螺栓時一般是基礎混凝土澆筑前在其上方采用定位鋼板、經緯儀、鋼卷尺、水準儀等逐個調整懸空地腳螺栓的水平定位及豎向標高,同時采用短鋼筋將調整好的懸空地腳螺栓與基礎鋼筋籠進行臨時固定,待基礎混凝土初凝前再次采用經緯儀、鋼卷尺、水準儀等逐個復核經短鋼筋臨時固定的懸空地腳螺栓的水平定位及豎向標高[10-15]。

現有外露式鋼柱柱腳在安裝地腳螺栓時使用設備多、步驟復雜,而且定位不準確,這是因為:1)由于地腳螺栓在基礎混凝土澆筑前處于懸空布置,容易晃動,導致地腳螺栓的水平定位及豎向標高調整比較困難,且采用短鋼筋進行臨時固定時容易使地腳螺栓發生偏移,另外在基礎混凝土澆筑時因振動棒振動,容易使地腳螺栓發生水平及豎向移位,進而導致地腳螺栓定位不準確;2)地腳螺栓在基礎內的錨固長度一般不宜小于25d(d為地腳螺栓直徑),且地腳螺栓懸空布置,當地腳螺栓垂直度稍有偏差,就會導致地腳螺栓的水平偏差過大。

為解決上述問題,以東風本田聯合廠房項目的門式剛架為例,介紹外露式鋼柱柱腳通過增加一套用于對地腳螺栓進行定位的定位機構,可以達到地腳螺栓安裝方便、定位準確的目的,為外露式鋼柱柱腳的施工提供了一些施工經驗。

1 工程概況

東風本田汽車有限公司生產能力擴建項目位于武漢經濟技術開發區72MD地塊,該項目總裝、調整檢測、發動機裝配聯合廠房主體1層—2層為鋼結構廠房,總建筑面積約109 323 m2。該項目包括總裝車間、調整檢測車間、發動機裝配車間、生產準備車間等多個大跨度鋼結構廠房,項目鳥瞰圖見圖1。其中生產準備車間為單層兩跨的大跨度門式剛架,建筑面積約10 100 m2,平面軸網尺寸為54 m×136 m,跨度依次為30 m和24 m,高度為7.5 m,柱距為6 m,鋼柱柱腳采用外露式,生產準備車間橫斷面見圖2。外露式鋼柱柱腳包括鋼柱(1)、柱腳底板(2)、地腳螺栓(3)、抗剪鍵(4)、定位機構(5)、灌漿料(6)、混凝土基礎(7),其中地腳螺栓包括螺栓本體、底部固定螺母、頂部固定螺母、調節螺母、墊板,定位機構包括橫向定位板(51)、縱向定位板(52)、斜撐板(53)、連接件(54)、立柱(55)、通孔(56),外露式鋼柱柱腳典型詳圖、地腳螺栓詳圖、定位機構立面圖、定位機構平面圖見圖3—圖6。

2 新技術的特點

本項目施工面積大、工期緊、鋼柱柱腳地腳螺栓安裝定位難度大。針對現有技術中地腳螺栓定位不準確的問題,本項目提出了一種外露式鋼柱柱腳的新技術,包括柱腳底板、地腳螺栓、抗剪鍵、定位機構、灌漿料、混凝土基礎,他們各自的特點詳見以下介紹。

2.1 柱腳底板

柱腳底板固定安裝于鋼柱的底部,柱腳底板上設有若干個與地腳螺栓數量和位置相對應的安裝孔,柱腳底板在混凝土澆筑后通過安裝孔安裝在地腳螺栓上,頂部固定螺母固定連接于螺栓本體伸出柱腳底板外的頂部,并與底部固定螺母一起將鋼柱、柱腳底板、地腳螺栓、定位機構和基礎鋼筋籠固定連接成一體。柱腳底板的厚度根據柱腳荷載的大小計算確定,但不小于20 mm,柱腳底板上安裝孔的孔徑視地腳螺栓的型號而定,本技術經優化計算得到如表1所示的柱腳底板安裝孔孔徑優化表。

2.2 地腳螺栓

地腳螺栓包括螺栓本體、底部固定螺母和頂部固定螺母(頂部固定螺母通常采用雙螺母)、調節螺母、墊板。螺栓本體的兩端設有與底部固定螺母和頂部固定螺母相配置的螺紋,若干個地腳螺栓從對應的通孔穿過定位井架,一對底部固定螺母螺紋連接于螺栓本體的底部且分別位于定位井架的上方和下方,并將螺栓本體與定位井架連接成一體。調節螺母螺紋連接于螺栓本體的頂部且位于柱腳底板下方,通過旋轉調節螺母就可以控制柱腳底板的水平定位及豎向標高,操作簡單方便,而且調節螺母可以實現無極調節,調節精度好。墊板分別設置于調節螺母與柱腳底板之間、頂部固定螺母與柱腳底板之間,墊板的規格與地腳螺栓的規格有關,墊板的寬度為3d(d為地腳螺栓直徑),墊板的厚度為20 mm(d≤48 mm)或30 mm(d>48 mm),墊板開螺栓孔的孔徑為d+2 mm。地腳螺栓在基礎內的錨固深度視其材質而定,本技術經過優化計算得到,當地腳螺栓的材質為Q235時,地腳螺栓的預埋深度為12d;當地腳螺栓的材質為Q345時,地腳螺栓的預埋深度為17d。

表1 柱腳底板安裝孔孔徑優化表

2.3 抗剪鍵

基礎混凝土內設有抗剪槽,將抗剪鍵焊接在柱腳底板的下方,安裝鋼柱時,使抗剪鍵位于抗剪槽內,抗剪鍵的高度可根據柱腳剪力的大小確定,但不小于150 mm。

2.4 定位機構

定位機構包括上下間隔一定距離水平設置的兩個水平框架以及將兩個水平框架固定連接成一體的若干個立柱,通孔開設于每個水平框架上,連接件固定安裝于每個水平框架的外周。水平框架包括橫向定位板、縱向定位板和斜撐板,2個橫向定位板和2個縱向定位板呈井字狀固定連接在一起,斜撐板傾斜設置于兩個橫向定位板之間,通孔開設于橫向定位板與縱向定位板的相交處,通孔的孔徑為d+2 mm,連接件安裝于橫向定位板的兩端。橫向定位板、縱向定位板、斜撐板、立柱和連接件均采用角鋼制作。橫向定位板的兩端搭設在連接件水平設置的角板上,橫向定位板的安裝位置可以在角板寬度范圍內進行調節。定位機構各部件的選型視地腳螺栓的型號而定,本技術經過優化計算得出如表2所示的定位機構優化選型表。

表2 定位機構優化選型表

2.5 灌漿料

灌漿料為高強無收縮灌漿料,其強度等級不小于混凝土基礎強度等級的2倍,且其厚度不小于50 mm。

2.6 混凝土基礎

混凝土基礎包括基坑、預埋于基坑內的基礎鋼筋籠和澆筑于基坑內的混凝土。混凝土基礎的外形尺寸每邊應超過柱腳底板200 mm以上。

3 新技術的工藝流程

開挖基坑、綁扎鋼筋→安裝連接件→安裝橫向定位板→安裝縱向定位板→安裝立柱→安裝斜撐板→安裝地腳螺栓→澆筑基礎混凝土→鋼柱安裝就位→灌注灌漿料。

4 新技術的操作要點

4.1 開挖基坑、綁扎鋼筋

根據圖紙要求放線后開挖基坑,澆筑基礎墊層后在基礎墊層上鋪設并綁扎基礎底板鋼筋、豎向縱筋及箍筋使其形成基礎鋼筋籠。

4.2 安裝連接件

在地腳螺栓的預埋深度范圍內將由角鋼制作的連接件水平安裝在基坑內相對兩側的基礎鋼筋籠上,每側基礎鋼筋籠上各安裝2個連接件,每個連接件的一肢豎直安裝在基礎鋼筋籠上,其另一肢朝內水平設置,位于上方的兩個連接件的另一肢等高設置,位于下方的兩個連接件的另一肢等高設置,連接件與基礎鋼筋籠之間通過焊接進行牢固連接。

4.3 安裝橫向定位板

將由角鋼制作的橫向定位板放置于連接件的另一肢上,每個橫向定位板上設有2個通孔,位于上方的兩個連接件上放置2個橫向定位板,位于下方的兩個連接件上放置2個橫向定位板,將所有通孔位置調節至與對應的地腳螺栓的預埋位置一致,然后將橫向定位板與連接件通過焊接進行牢固連接。

4.4 安裝縱向定位板

準備4個由角鋼制作的縱向定位板,每個縱向定位板上設有2個通孔,將2個縱向定位板呈井字狀固定安裝在位于上方的橫向定位板上,將2個縱向定位板呈井字狀固定安裝在位于下方的橫向定位板上,并使所有通孔位置調節至與對應的地腳螺栓的預埋位置一致,縱向定位板與橫向定位板之間通過焊接進行牢固連接。

4.5 安裝立柱

將由角鋼制作的4個立柱分別豎直在橫向定位板與縱向定位板相交形成的4個交叉處,每個立柱的一肢與上下兩個橫向定位板通過焊接進行牢固連接固定連接,其另一肢與上下兩個縱向定位板通過焊接進行牢固連接。

4.6 安裝斜撐板

準備由角鋼制作的2個斜撐板,其中一個斜撐板傾斜設置于上方兩個橫向定位板之間,另一個斜撐板傾斜設置于下方兩個橫向定位板之間,斜撐板與橫向定位板之間采用焊接進行牢固連接,此時即完成定位機構的安裝。

4.7 安裝地腳螺栓

將4個地腳螺栓從對應的通孔穿過定位機構,并通過一對底部固定螺母將螺栓本體與定位機構連接成一體。

4.8 澆筑基礎混凝土

安裝基礎模板并在基礎內預留抗剪槽,按規范要求澆筑基礎混凝土,在混凝土澆筑完成后及時覆蓋薄膜對其進行養護。

4.9 鋼柱安裝就位

在鋼結構加工車間依次將抗剪鍵焊接在柱腳底板的下方、柱腳底板焊接在鋼柱的底部,在螺栓本體上依次安裝調節螺母、墊板,采用吊車將鋼柱(含柱腳底板、抗剪鍵)吊裝至對應位置,同時將地腳螺栓穿過柱腳底板的螺栓孔后,依次調整調節螺母來控制柱腳底板的水平定位及豎向標高,待調整好后在地腳螺栓上依次安裝墊板、頂部固定螺母,此時鋼柱(含柱腳底板、抗剪鍵)即安裝就位。

4.10 灌注灌漿料

配制高強無收縮灌漿料,對柱腳底板、抗剪鍵與混凝土基礎之間的縫隙采用高強無收縮灌漿料填充密實。

5 結語

本技術提供了一種外露式鋼柱柱腳及其施工方法,通過增加一套定位機構,該定位機構通過連接件與基坑鋼筋籠固定連接成一體,形成可靠的穩定的支撐體系,能達到地腳螺栓安裝方便、定位準確的目的。

首先,本技術調節好定位機構安裝高度并使所有通孔與地腳螺栓的預埋位置一一對應,安裝地腳螺栓時只需將地腳螺栓從對應的通孔穿過定位機構再通過一對底部固定螺母固定于定位機構上即可,安裝簡單可靠,還可避免現有技術中因地腳螺栓懸空布置容易晃動導致地腳螺栓的水平定位及豎向標高調整困難的問題,保證地腳螺栓的定位準確性。

其次,相比于現有技術采用短鋼筋進行臨時固定易使地腳螺栓發生偏移,本技術的地腳螺栓通過定位機構與基礎鋼筋籠形成一體的穩固連接體系,使得地腳螺栓不易發生偏移,進一步保證地腳螺栓的定位準確性。

再次,本技術通過設置定位機構將地腳螺栓與基礎鋼筋籠形成一體的穩固連接體系,在基礎混凝土的澆筑過程中可以避免因振動棒振動引起地腳螺栓發生水平及豎向移位的問題,進一步保證地腳螺栓的定位準確性。

最后,本技術通過設置定位機構將地腳螺栓與基礎鋼筋籠形成一體的穩固連接體系,大大提高了地腳螺栓的抗拔能力,因此在滿足地腳螺栓設計抗拔力的條件下,本技術可以減小地腳螺栓的錨固深度至少8d,地腳螺栓在基礎內的錨固深度大大減少,可以降低因地腳螺栓垂直度稍有偏差導致地腳螺栓的水平偏差過大的情況發生,進一步保證地腳螺栓的定位準確性。