钢结构由于其强度高,自重轻,整体刚性好,变形能力强及工业化程度高,施工工期短等特点而广泛应用于各项工程建设中.结构通过柱脚与混凝土基础连接,柱脚的作用就是将柱端的轴力,弯距和剪力传递给基础,使上部结构与基础牢固的连接在一起,保证结构满足承载能力和正常使用要求.目前,在工业与民用建筑钢结构设计中,柱脚与混凝土基础的连接方式主要有外露式、外包式、埋入式与插入式,而外露式钢柱脚施工工艺简单,造价低,是最为成熟,应用最为广泛的钢柱脚形式.
延长石油( 集团) 煤 - 油共炼试验示范项目共有钢结构框架 13 个,钢结构厂房 2 个,泵棚、库房 5 个,管廊钢结构 6组,结构总量共计 4500 余 t,施工工作量非常大.除两个钢结构厂房采用杯口插入式柱脚外,其余结构均设计为外露式柱脚,柱与梁连接采用栓、焊连接形式.由于工期紧张,现场交叉作业较多,且为了保证焊接与防腐的质量,结构在制造厂深度预制,现场仅进行柱与梁的拼接及次梁、梯子平台的安装,结构现场组对工作量主要体现在吊装与柱脚的安装上.由于吊装工作无法进行简化,柱脚安装方式的选择成为决定现场施工工作量大小的主要因素.
1 结构柱脚设计主要形式及传统安装方法
1. 1 结构柱脚设计主要形式
结构柱脚设计主要有以下几种形式,即六锚栓柱脚( 见图1) 、四锚栓柱脚( 见图2) 、两锚栓柱脚( 见图3) 、六锚栓带剪力键柱脚( 见图 4) 、四锚栓带剪力键柱脚( 见图 5).
设计时柱脚板下表面与混凝土基础顶面之间留有50mm 找平层,用于在安装时对立柱垂直度及柱顶标高进行调整( 见图 6) .
1. 2 传统安装方法
传统安装方法为在柱脚板与基础顶面之间加垫铁进行调整,具体做法如下:
( 1) 钢结构基础验收合格后,对放垫铁位置进行处理,柱脚各地脚螺栓放置 1 ~2 组垫铁,最少不得小于 1 组( 见图7、8、9) .基础铲麻面,垫铁槽要铲平,垫铁与基础接触面积不小于 50%.
( 2) 垫铁接触面应磨平,无氧化皮和飞边,光洁度和斜度要达到要求,平垫铁与斜垫铁配套使用调整高度,斜垫铁成对使用,与平垫铁组成垫铁组,一般不超过四层,薄垫铁放在斜垫铁与平垫铁的中间,垫铁组高度一般为 30 ~70mm.
( 3) 垫铁组应露出柱脚板 10 ~ 30mm,每垫铁组伸入柱脚板底面的长度,均应超过地脚螺栓.各垫铁组顶面的标高应与柱脚底面实际安装高度一致.
( 4) 垫铁均采用水平尺找平,平垫铁顶水平度允差为2mm /m.
( 5) 就位立柱: 垫铁找平完以后,安装就位立柱.立柱吊装就位以后,柱脚板下利用两组( 成 90°角 ) 斜铁找平,远处用经纬仪找垂直度,垂直度找好以后,调整各组垫铁,保证垂直度不变的前提下,要求每组垫铁与立柱地脚板下表面严密接触,验收时用 2. 5P 手锤敲击,无松动为合格.最后,拧紧地脚螺栓.
( 6) 全部钢结构安装完成后,重新把紧地脚螺栓,垫铁组垫铁之间进行层间点焊固定,防止松动.柱脚板下表面与混凝土基础顶面之间空隙用细石混凝土进行二次灌浆,结构安装完成.
2 无垫铁安装法
我们结合国外以及中石化各建设公司结构施工经验,此次施工采用无垫铁安装,即在基础顶面用高强度无收缩灌浆料预制混凝土块代替垫铁,具体做法如下:
( 1) 在基础上画出预制垫块的位置,对于没有剪力键预留孔的钢结构柱脚基础,在基础中部设置一个垫块,垫块顶尺寸为 150 ×150mm( 见图 10、11、12) ; 对于有剪力键预留孔的钢结构柱脚基础,宜在地脚螺栓之间设置 2 个垫块,垫块顶尺寸为 100 ×100mm( 见图 13、14、15) .
( 2) 用手锤和钎子在安装垫块的位置凿出麻面,然后用水冲洗干净,然后在每个麻面部位放满清洁水,充分湿润基础砼,在制作垫块前除去积水.
( 3) 用 Q235B 钢板加工垫板,厚度为 6 ~8mm,边长比垫块顶尺寸小 10 ~20 mm,垫板必须要求平整光滑,并将表面和边缘打磨清理合格.
( 4) 制作垫块前,先在基础上刷一层水泥浆,然后将木模( 或铁模板) 放在安装垫块的位置上,用高强度无收缩灌浆料分层施工,一般以两至三层为宜,每加一层,用橡皮锤捣打一层,达到表面平整,并略有出水现象为止.
( 5) 在混凝土顶部放好垫板,用水准议测定垫板的标高,垫板上顶面标高即柱脚板下表面标高尺寸,标高误差应控制在 ± 2mm 以内,用水平仪测定垫板的水平度,纵、横向水平度误差应于 0. 15mm/m 以内,有标准和水平度超差时,可通过调整垫板下面的砂浆厚度和用橡皮锤捣打垫铁来实现.
( 6) 脱模修整支墩,施工完成后,垫板的上表面要比浆顶高出 2 ~5mm,不得低于灌浆料座浆,并在周边进行 45°倒角.修整完成后,覆盖塑料薄膜养护,待 4h 后开始在薄膜内少量淋水养护,待 72h 后,即可进行钢结构安装工作.
( 7) 就位立柱: 立柱吊装就位以后,远处用经纬仪找垂直度,垂直度找好以后,最后,拧紧地脚螺栓.待全部钢结构安装调整完成后,重新把紧地脚螺栓,柱脚板下表面与混凝土基础顶面之间空隙用细石混凝土进行二次灌浆,结构安装完成( 见图 15) .
3 两种施工方法的比较
比较两种施工方法,无垫铁安装方法具有以下优点:
( 1) 经济性较好.以本项目为例,钢结构共有立柱 442个,如采用垫铁安装法,需 10. 5t Q235 钢板,再加上垫铁加工费、焊接材料费、人工费等,比无垫铁安装法需多花费约11. 3 万元( 见表 1) .
( 2) 安装操作更加方便快捷.采用无垫铁安装,对混凝土基础面的平整度要求不高,不需要打磨垫铁基面槽,且吊装立柱时调整垂直度非常方便.
( 3) 使用效果好.混凝土垫块稳定性更好,无振动,也不存在垫铁腐蚀.且无收缩灌浆料施工 72h 后抗压强度可达到 50MPa,可完全满足结构承重的要求.
综上所述,钢结构安装采用无垫铁安装法可以节省材料、减少工序,施工质量也能完全保证,不失为一种提高工效、增收节支的好方法,可以在工程建设中广泛推广.
