鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中構(gòu)件分段分節(jié)研究

張智強(qiáng)　劉曉瑋　魏大江

(中建鋼構(gòu)有限公司, 北京　100089)

摘　要：在鋼結(jié)構(gòu)加工制作、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)分段分節(jié)十分重要，需要考慮以下方面：構(gòu)件的運(yùn)輸尺寸及重量；確保運(yùn)輸合理化；確保加工制作合理化；確?，F(xiàn)場(chǎng)施工合理化；與其他相關(guān)專業(yè)的配合。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸成本和現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接成本的綜合經(jīng)濟(jì)分析，將構(gòu)件的分段尺寸控制在交管超限管理的二級(jí)范圍；考慮運(yùn)輸過(guò)程中構(gòu)件的變形，盡量保證巨柱構(gòu)件腔體完整，保證整個(gè)構(gòu)件的整體剛度，對(duì)剛度較小位置設(shè)置臨時(shí)支撐。

關(guān)鍵詞：焊接量； 合理化； 穩(wěn)定性； 安全性

1　概　述

1.1　鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的發(fā)展和需求，鋼結(jié)構(gòu)在工程上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)建筑是資源節(jié)約型建筑。 我國(guó)建筑用鋼量占總用鋼量的30%，美國(guó)、日本則達(dá)到50%～55%，我國(guó)建筑用鋼量中鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占10%，而美國(guó)則達(dá)到40%～50%，可見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家是十分普遍的。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出到2010年鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占整個(gè)用鋼量的60%，我國(guó)目前的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展水平與之存在一定差距。

1.2　鋼結(jié)構(gòu)工程優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑綜合效益顯著鋼結(jié)構(gòu)建筑便于實(shí)現(xiàn)工廠化、規(guī)模化生產(chǎn)，比傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期短、現(xiàn)場(chǎng)用工少、勞動(dòng)生產(chǎn)率高，而且品質(zhì)易保證。鋼結(jié)構(gòu)建筑的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是自重輕、延性好、抗震性能優(yōu)越。鋼結(jié)構(gòu)建筑施工速度快、空間利用率高、室內(nèi)布置靈活、所需施工場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn)也十分突出，受到開(kāi)發(fā)商的青睞。建筑師要把鋼結(jié)構(gòu)建筑作為一個(gè)完整的建筑體系進(jìn)行研究，滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑在適用性能、節(jié)能環(huán)保性能、經(jīng)濟(jì)性能、安全性能、耐久性能方面的綜合要求，形成完善的體系。 在鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊化制造方面，需研究合理的分段分節(jié)形式與分割方式，以及運(yùn)輸、吊裝問(wèn)題等。

2　鋼結(jié)構(gòu)分段分節(jié)技術(shù)主要原則

鋼結(jié)構(gòu)分段分節(jié)直接影響加工制作及現(xiàn)場(chǎng)施工，應(yīng)綜合考慮多方面因素，主要原則包括以下內(nèi)容：1)構(gòu)件的運(yùn)輸尺寸及質(zhì)量；2)合理分段確保運(yùn)輸合理化；3)減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量；4)構(gòu)件分段確保加工制作合理化；5)構(gòu)件穩(wěn)定性安全性；6)與其他專業(yè)的配合；7)構(gòu)件分段分節(jié)應(yīng)在構(gòu)件受力較弱區(qū)域。鋼結(jié)構(gòu)分段分節(jié)應(yīng)符合下列要求：1)盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；2)焊縫的布置對(duì)稱于構(gòu)件截面的中和軸；3)便于焊接操作，避免仰焊位置施焊；4)采用剛性較小的節(jié)點(diǎn)形式，避免焊縫密集與雙向/三向相交；5)焊縫位置避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)；6)根據(jù)不同焊接工藝方法合理選用坡口形狀和尺寸。構(gòu)件分段分節(jié)的合理性，直接影響工程整體安全質(zhì)量和進(jìn)度，在鋼結(jié)構(gòu)工程中起著至關(guān)重要的作用。

2.1　構(gòu)件的運(yùn)輸尺寸及重量

由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)輸主要以公路為主，國(guó)外工程考慮海運(yùn)，因此構(gòu)件分段分節(jié)尺寸應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)缆非闆r。道路情況主要考慮高速公路收費(fèi)站的寬高、橋梁的寬高及載重量，隧道、立交橋的通過(guò)限制等；構(gòu)件運(yùn)輸應(yīng)考慮運(yùn)輸車輛的因素，包括車寬、車長(zhǎng)、車的載重量等；構(gòu)件運(yùn)輸應(yīng)考慮運(yùn)輸加工廠的因素，主要包括加工車間的吊車的吊重，加工設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，加工廠大門的寬、高等。構(gòu)件的重量需考慮現(xiàn)場(chǎng)塔吊的吊重，根據(jù)塔吊的吊重布置，確定構(gòu)件的重量，在保證安全起重、滿足運(yùn)輸要求的前提下，盡量做大構(gòu)件、減少吊次、減低吊裝成本和時(shí)間，提高現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度，進(jìn)而縮短工期。由于構(gòu)件運(yùn)輸?shù)某叽缰苯佑绊戇\(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，構(gòu)件分段應(yīng)要綜合考慮上述因素，對(duì)構(gòu)件的運(yùn)輸尺寸進(jìn)行論證，從中選取最適合本工程的構(gòu)件運(yùn)輸尺寸，這樣既能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求和工程進(jìn)度，也節(jié)約運(yùn)輸成本。吊耳設(shè)置位置需要考慮構(gòu)件安全性，應(yīng)設(shè)置在構(gòu)件重心處且均勻分布，同時(shí)需進(jìn)行吊耳的承載力計(jì)算，保證焊接質(zhì)量，以滿足吊耳在構(gòu)件制作、安裝過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性。根據(jù)交通運(yùn)輸管理部門對(duì)超限構(gòu)件進(jìn)行以下分級(jí)，共分4級(jí)，見(jiàn)表1。

表1　構(gòu)件運(yùn)輸?shù)燃?jí)

運(yùn)輸?shù)燃?jí)長(zhǎng)度l/m寬度b/m高度h/m運(yùn)輸荷載量W/kN114≤l<2035≤b≤4.5><><><><><><><><><><><><>

2.2　構(gòu)件合理分段確保運(yùn)輸合理化

構(gòu)件運(yùn)輸應(yīng)綜合考慮多方面因素，既要滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，也要滿足加工廠的需要。構(gòu)件運(yùn)輸線路的選擇直接影響運(yùn)輸?shù)乃俣群托?。在選擇加工廠時(shí)，應(yīng)盡量考慮施工工地周邊的制作廠，這樣既節(jié)省運(yùn)輸成本，又節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間，從而促進(jìn)施工進(jìn)度。構(gòu)件運(yùn)輸線路應(yīng)以高速為主，國(guó)外工程應(yīng)以海運(yùn)為主，到港口后再采用道路運(yùn)輸。

2.3　構(gòu)件合理分段確保加工制作合理化

構(gòu)件分段分節(jié)應(yīng)考慮加工制作的合理化，確保構(gòu)件的完整性。構(gòu)件能滿足加工廠的工藝要求，盡量分成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，如箱型、H型或是組合型，便于加工，促進(jìn)加工制作自動(dòng)化，盡量考慮流水線制作。構(gòu)件分段分節(jié)應(yīng)考慮施焊空間，確保每道焊縫都能進(jìn)行焊接，并保證焊縫要求，達(dá)到工程質(zhì)量要求。構(gòu)件分段分節(jié)應(yīng)考慮制作廠主要設(shè)備參數(shù)，如切割機(jī)、端銑機(jī)、H型鋼流水線、箱型流水線、相貫線切割機(jī)、吊車、拋丸機(jī)等，以便分段分節(jié)構(gòu)件能在制作廠加工。構(gòu)件分段分節(jié)還應(yīng)考慮工廠焊縫，避免焊縫重疊、盲焊等情況；考慮材料采購(gòu)，分段分節(jié)應(yīng)充分考慮常用鋼板寬度和長(zhǎng)度，盡量避免鋼板對(duì)接，減少制作廠的焊接量，節(jié)約制作成本，保證焊接質(zhì)量。

2.4　構(gòu)件合理分段確?，F(xiàn)場(chǎng)施工合理化

構(gòu)件合理分段確?，F(xiàn)場(chǎng)施工合理化，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)堆放條件、道路因素、現(xiàn)場(chǎng)塔吊位置及吊重等因素，進(jìn)行構(gòu)件的分段分節(jié)；要考慮構(gòu)件穩(wěn)定性，依據(jù)構(gòu)件重心位置，計(jì)算吊耳承載力，合理設(shè)置吊耳；構(gòu)件安裝過(guò)程中，盡量避免對(duì)構(gòu)件進(jìn)行臨時(shí)支撐，構(gòu)件分段應(yīng)在結(jié)構(gòu)受力比較小的區(qū)域，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)焊接量。構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)焊接量直接影響工程進(jìn)度、質(zhì)量和安全，構(gòu)件分段應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量，避免仰焊和立焊，構(gòu)件對(duì)接位置盡量對(duì)稱，避免焊縫重疊。2.5　構(gòu)件分段與其他專業(yè)配合

構(gòu)件分段要結(jié)合土建鋼筋綁扎的進(jìn)度安排，隨時(shí)跟進(jìn)土建鋼筋綁扎工作面的交接標(biāo)高，確保構(gòu)件分段分節(jié)位置錯(cuò)開(kāi)外伸鋼筋，以免外伸鋼筋影響構(gòu)件安裝和現(xiàn)場(chǎng)焊接，鋼筋遇到鋼柱或是鋼梁時(shí)，可以采用牛腿焊接，也可采用穿孔，或是鋼筋連接器等措施；構(gòu)件分段要結(jié)合機(jī)電圖紙，考慮設(shè)備管道位置，在構(gòu)件中予以體現(xiàn)，如采取在鋼梁腹板處開(kāi)孔，并對(duì)開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；構(gòu)件分段還要考慮幕墻等裝飾工程因素，設(shè)置幕墻連接件。

2.6　構(gòu)件分段的經(jīng)濟(jì)性

構(gòu)件分段分節(jié)在考慮專業(yè)需求的同時(shí)要綜合分析制作、運(yùn)輸、塔吊、安裝、焊接之間的經(jīng)濟(jì)效率關(guān)系，合理分段分節(jié)，使經(jīng)濟(jì)效率達(dá)到最大化。這樣不僅能保證施工安全，也能保證施工質(zhì)量和進(jìn)度。

3　工程應(yīng)用

構(gòu)件分段分節(jié)原則上應(yīng)適合各類鋼結(jié)構(gòu)工程、鋼桁架或網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)、多層和高層梁柱框架結(jié)構(gòu)等工業(yè)與民用建筑和一般構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)工程，包括超高層鋼結(jié)構(gòu)、大型體育館桁架、網(wǎng)架、輕鋼廠房、重鋼廠房、鋼結(jié)構(gòu)橋梁等工程。

以下工程分段案例通過(guò)對(duì)制作、運(yùn)輸、安裝等各方面限制因素綜合考慮選出的最優(yōu)方案，既滿足了合理的運(yùn)輸?shù)跹b重量，同時(shí)降低構(gòu)件從生產(chǎn)到安裝過(guò)程中的變形，合理節(jié)約了項(xiàng)目成本，方便施工現(xiàn)場(chǎng)焊接。

1)案例1。某項(xiàng)目為巨柱外框筒+內(nèi)核心筒結(jié)構(gòu)體系，外框筒為巨柱+翼墻，內(nèi)核心筒為鋼筋混凝土筒體(含鋼板)。巨柱由多個(gè)腔體組成，單根巨柱重約5 000 kN。核心筒內(nèi)西北角和東南角布置兩臺(tái)重型塔吊，端部起重量近400 kN；北側(cè)為構(gòu)件起吊區(qū)。貨運(yùn)載重車輛：最大運(yùn)輸尺寸為20 m×4.5 m×3.8 m，最大運(yùn)輸重量為1 000 kN。工廠加工和涂裝車間單臺(tái)行車最大起重量750 kN。綜合以上因素，將巨柱分為多段，分片組裝方式。

2)案例2。某文化設(shè)施項(xiàng)目，桁架為外懸挑，受現(xiàn)場(chǎng)塔吊及其他條件制約，通過(guò)對(duì)鋼柱(圖1)及桁架(圖2)合理分段，控制運(yùn)輸長(zhǎng)、寬、高，既節(jié)省了運(yùn)輸成本，又保障了現(xiàn)場(chǎng)安裝、提高了工作效率、保證了施工質(zhì)量及工期。

圖1　鋼柱分段

圖2　桁架分段

3)案例3。某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)合理分段和分區(qū)，將網(wǎng)架弦桿上、下弦桿分區(qū)(圖3)，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝。

圖3　網(wǎng)架三維分區(qū)示意

4　結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分段分節(jié)在鋼結(jié)構(gòu)工程中極為重要，是鋼結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸成本和現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接成本的綜合經(jīng)濟(jì)分析，將構(gòu)件的分段尺寸控制在交管超限管理的二級(jí)范圍；考慮運(yùn)輸過(guò)程中構(gòu)件的變形，盡量保證巨柱構(gòu)件腔體完整，保證整個(gè)構(gòu)件的整體剛度，對(duì)剛度較小位置設(shè)置臨時(shí)支撐。

在制作廠：1)充分考慮單獨(dú)構(gòu)件腔體內(nèi)的施工空間及施焊的通風(fēng)環(huán)境，以保證構(gòu)件焊接質(zhì)量；2)分段需充分考慮中厚板的板幅，盡量減少厚板的拼接、料損，降低制作成本。

在現(xiàn)場(chǎng)施工中：1)盡量做大構(gòu)件，減少厚板的現(xiàn)場(chǎng)焊縫量，特別是柱腳板的焊接量；2)拼接位置選擇在橫隔板上方，方便施焊；3)盡量避免焊縫交叉、重疊，減少應(yīng)力集中；4)分節(jié)位置盡量靠近有加勁板位置或拼接位置，需增設(shè)焊接工藝隔板，以控制焊接變形。

分段要結(jié)合土建鋼筋綁扎的進(jìn)度安排，隨時(shí)跟進(jìn)土建鋼筋綁扎工作面的交接標(biāo)高，確保構(gòu)件分段分節(jié)位置錯(cuò)開(kāi)外伸鋼筋，以免外伸鋼筋影響構(gòu)件安裝和現(xiàn)場(chǎng)焊接。

分段分節(jié)在考慮專業(yè)需求的同時(shí)要綜合分析制作、運(yùn)輸、塔吊、安裝、焊接之間的關(guān)系，合理分段分節(jié)，使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。

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RESEARCH ON THE SEGMENTATION METHODS USED IN DETAILED DESIGN OF STEEL STRUCTURE

Zhang Zhiqiang　Liu Xiaowei　Wei Dajiang

(Construction Steel Structure Design Institute North Branch, Beijing 100089, China)

ABSTRACT：During the process of steel structure manufacture, transportation and installation, the steel structure sections is very important, the segmentation method should consider the transportation size and weight of members, so as to ensure the reasonable transportation, ensure the manufacture rationalization is necessary, ensure the on-site construction is necessary. In addition,the segmentation method should include other related professions. Through the comprehensive economic analysis of transportation cost and field welding cost, the segment size was controlled in the range of secondary traffic overload management level. Considering the deformation during transportation, the integrity of giant column cavity should be protected, so as to ensure the overall stiffness of member, the temporary supports could be set up at weak stiffness regions.

KEY WORDS：welding quantity; rationalization; stability; safety

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.13206/j.gjg201606014

第一作者：張智強(qiáng)，男，1980年出生，工程師。

Email:94795239@qq.com