鋼結構深化設計中構件分段分節(jié)研究
張智強 劉曉瑋 魏大江
（中建鋼構有限公司，北京 100089）
摘 要：在鋼結構加工制作、運輸及安裝過程中，鋼結構分段分節(jié)十分重要，需要考慮以下方面：構件的運輸尺寸及重量；確保運輸合理化；確保加工制作合理化；確�，F(xiàn)場施工合理化；與其他相關專業(yè)的配合。通過對運輸成本和現(xiàn)場安裝焊接成本的綜合經(jīng)濟分析，將構件的分段尺寸控制在交管超限管理的二級范圍；考慮運輸過程中構件的變形，盡量保證巨柱構件腔體完整，保證整個構件的整體剛度，對剛度較小位置設置臨時支撐。
關鍵詞：焊接量；合理化；穩(wěn)定性；安全性DOI:10. 13206/j.gjg201606014
1 概 述
1.1 鋼結構發(fā)展趨勢
隨著社會的發(fā)展和需求，鋼結構在工程上的應用越來越廣泛，鋼結構建筑是資源節(jié)約型建筑。我國建筑用鋼量占總用鋼量的30%，美國、日本則達到50%~55%，我國建筑用鋼量中鋼結構用鋼量占10%，而美國則達到40%~50%，可見，鋼結構的應用在發(fā)達國家是十分普遍的。住房和城鄉(xiāng)建設部提出到2010年鋼結構用鋼量占整個用鋼量的60%，我國目前的鋼結構發(fā)展水平與之存在一定差距。
1.2 鋼結構工程優(yōu)勢
鋼結構建筑綜合效益顯著鋼結構建筑便于實現(xiàn)工廠化、規(guī)模化生產(chǎn)，比傳統(tǒng)磚混結構和鋼筋混凝土結構施工周期短、現(xiàn)場用工少、勞動生產(chǎn)率高，而且品質易保證。鋼結構建筑的另一個突出優(yōu)點是自重輕、延性好、抗震性能優(yōu)越。鋼結構建筑施工速度快、空間利用率高、室內布置靈活、所需施工場地小等優(yōu)點也十分突出，受到開發(fā)商的青睞。建筑師要把鋼結構建筑作為一個完整的建筑體系進行研究，滿足鋼結構建筑在適用性能、節(jié)能環(huán)保性能、經(jīng)濟性能、安全性能、耐久性能方面的綜合要求，形成完善的體系。在鋼結構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，以及運輸、吊裝問題等。
2鋼結構分段分節(jié)技術主要原則
鋼結構分段分節(jié)直接影響加工制作及現(xiàn)場施工，應綜合考慮多方面因素，主要原則包括以下內容：1）構件的運輸尺寸及質量；2）合理分段確保運輸合理化；3）減少現(xiàn)場焊接量；4）構件分段確保加工制作合理化；5）構件穩(wěn)定性安全性；6）與其他專業(yè)的配合；7）構件分段分節(jié)應在構件受力較弱區(qū)域。鋼結構分段分節(jié)應符合下列要求：1）盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；2）焊縫的布置對稱于構件截面的中和軸；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)點形式，避免焊縫密集與雙向／三向相交；5）焊縫位置避開高應力區(qū)；6）根據(jù)不同焊接工藝方法合理選用坡口形狀和尺寸。構件分段分節(jié)的合理性，直接影響工程整體安全質量和進度，在鋼結構工程中起著至關重要的作用。
2.1 構件的運輸尺寸及重量
由于鋼結構構件運輸主要以公路為主，國外工程考慮海運，因此構件分段分節(jié)尺寸應考慮運輸?shù)缆非闆r。道路情況主要考慮高速公路收費站的寬高、橋梁的寬高及載重量，隧道、立交橋的通過限制等；構件運輸應考慮運輸車輛的因素，包括車寬、車長、車的載重量等；構件運輸應考慮運輸加工廠的因素，主要包括加工車間的吊車的吊重，加工設備的技術參數(shù)，加工廠大門的寬、高等。構件的重量需考慮現(xiàn)場塔吊的吊重，根據(jù)塔吊的吊重布置，確定構件的重量，在保證安全起重、滿足運輸要求的前提下，盡量做大構件、減少吊次、減低吊裝成本和時間，提高現(xiàn)場安裝進度，進而縮短工期。由于構件運輸?shù)某叽缰苯佑绊戇\輸?shù)馁M用，構件分段應要綜合考慮上述因素，對構件的運輸尺寸進行論證，從中選取最適合本工程的構件運輸尺寸，這樣既能滿足現(xiàn)場需求和工程進度，也節(jié)約運輸成本。吊耳設置位置需要考慮構件安全性，應設置在構件重心處且均勻分布，同時需進行吊耳的承載力計算，保證焊接質量，以滿足吊耳在構件制作、安裝過程中的安全性、穩(wěn)定性。根據(jù)交通運輸管理部門對超限構件進行以下分級，共分4級，見表1。
2.2 構件合理分段確保運輸合理化
構件運輸應綜合考慮多方面因素，既要滿足現(xiàn)場需要，也要滿足加工廠的需要。構件運輸線路的選擇直接影響運輸?shù)乃俣群托�。在選擇加工廠時，應盡量考慮施工工地周邊的制作廠，這樣既節(jié)省運輸成本，又節(jié)約運輸時間，從而促進施工進度。構件運輸線路應以高速為主，國外工程應以海運為主，到港口后再采用道路運輸。
2.3 構件合理分段確保加工制作合理化
構件分段分節(jié)應考慮加工制作的合理化，確保構件的完整性。構件能滿足加工廠的工藝要求，盡量分成標準構件，如箱型、H型或是組合型，便于加工，促進加工制作自動化，盡量考慮流水線制作。構件分段分節(jié)應考慮施焊空間，確保每道焊縫都能進行焊接，并保證焊縫要求，達到工程質量要求。構件分段分節(jié)應考慮制作廠主要設備參數(shù)，如切割機、端銑機、H型鋼流水線、箱型流水線、相貫線切割機、吊車、拋丸機等，以便分段分節(jié)構件能在制作廠加工。構件分段分節(jié)還應考慮工廠焊縫，避免焊縫重疊、盲焊等情況；考慮材料采購，分段分節(jié)應充分考慮常用鋼板寬度和長度，盡量避免鋼板對接，減少制作廠的焊接量，節(jié)約制作成本，保證焊接質量。
2.4 構件合理分段確�，F(xiàn)場施工合理化
構件合理分段確�，F(xiàn)場施工合理化，應根據(jù)工程特點、現(xiàn)場堆放條件、道路因素、現(xiàn)場塔吊位置及吊重等因素，進行構件的分段分節(jié)；要考慮構件穩(wěn)定性，依據(jù)構件重心位置，計算吊耳承載力，合理設置吊耳；構件安裝過程中，盡量避免對構件進行臨時支撐，構件分段應在結構受力比較小的區(qū)域，應充分考慮現(xiàn)場焊接量。構件現(xiàn)場焊接量直接影響工程進度、質量和安全，構件分段應盡量減少現(xiàn)場焊接量，避免仰焊和立焊，構件對接位置盡量對稱，避免焊縫重疊。
2.5 構件分段與其他專業(yè)配合
構件分段要結合土建鋼筋綁扎的進度安排，隨時跟進土建鋼筋綁扎工作面的交接標高，確保構件分段分節(jié)位置錯開外伸鋼筋，以免外伸鋼筋影響構件安裝和現(xiàn)場焊接，鋼筋遇到鋼柱或是鋼梁時，可以采用牛腿焊接，也可采用穿孔，或是鋼筋連接器等措施；構件分段要結合機電圖紙，考慮設備管道位置，在構件中予以體現(xiàn)，如采取在鋼梁腹板處開孔，并對開孔進行補強；構件分段還要考慮幕墻等裝飾工程因素，設置幕墻連接件。
2.6構件分段的經(jīng)濟性
構件分段分節(jié)在考慮專業(yè)需求的同時要綜合分析制作、運輸、塔吊、安裝、焊接之間的經(jīng)濟效率關系，合理分段分節(jié)，使經(jīng)濟效率達到最大化。這樣不僅能保證施工安全，也能保證施工質量和進度。
3 工程應用
構件分段分節(jié)原則上應適合各類鋼結構工程、鋼桁架或網(wǎng)架（殼）結構、多層和高層梁柱框架結構等工業(yè)與民用建筑和一般構筑物的鋼結構工程，包括超高層鋼結構、大型體育館桁架、網(wǎng)架、輕鋼廠房、重鋼廠房、鋼結構橋梁等工程。
以下工程分段案例通過對制作、運輸、安裝等各方面限制因素綜合考慮選出的最優(yōu)方案，既滿足了合理的運輸?shù)跹b重量，同時降低構件從生產(chǎn)到安裝過程中的變形，合理節(jié)約了項目成本，方便施工現(xiàn)場焊接。
1)案例1。某項目為巨柱外框筒+內核心筒結構體系，外框筒為巨柱+翼墻，內核心筒為鋼筋混凝土簡體（含鋼板）。巨柱由多個腔體組成，單根巨柱重約5 000 k N。核心筒內西北角和東南角布置兩臺重型塔吊，端部起重量近400 k N;北側為構件起吊區(qū)。貨運載重車輛：最大運輸尺寸為20 mx4.5 mx3.8 m，最大運輸重量為1 000 k N。工廠加工和涂裝車間單臺行車最大起重量750 k N。綜合以上因素，將巨柱分為多段，分片組裝方式。
2)案例2。某文化設施項目，桁架為外懸挑，受現(xiàn)場塔吊及其他條件制約，通過對鋼柱（圖1）及桁架（圖2）合理分段，控制運輸長、寬、高，既節(jié)省了運輸成本，又保障了現(xiàn)場安裝、提高了工作效率、保證了施工質量及工期。
3)案例3。某機場擴建項目為網(wǎng)架結構體系，通過合理分段和分區(qū)，將網(wǎng)架弦桿上、下弦桿分區(qū)（圖3），以便現(xiàn)場安裝。
4 結束語
鋼結構構件分段分節(jié)在鋼結構工程中極為重要，是鋼結構工程的關鍵技術。通過對運輸成本和現(xiàn)場安裝焊接成本的綜合經(jīng)濟分析，將構件的分段尺寸控制在交管超限管理的二級范圍；考慮運輸過程中構件的變形，盡量保證巨柱構件腔體完整，保證整個構件的整體剛度，對剛度較小位置設置臨時支撐。
在制作廠：1）充分考慮單獨構件腔體內的施工空間及施焊的通風環(huán)境，以保證構件焊接質量；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)場施工中：1）盡量做大構件，減少厚板的現(xiàn)場焊縫量，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，需增設焊接工藝隔板，以控制焊接變形。
分段要結合土建鋼筋綁扎的進度安排，隨時跟進土建鋼筋綁扎工作面的交接標高，確保構件分段分節(jié)位置錯開外伸鋼筋，以免外伸鋼筋影響構件安裝和現(xiàn)場焊接。
分段分節(jié)在考慮專業(yè)需求的同時要綜合分析制作、運輸、塔吊、安裝、焊接之間的關系，合理分段分節(jié)，使經(jīng)濟效益達到最大化。
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