高层钢结构商用楼工艺技术应用与探讨

1.前言
随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，大量的高层钢结构建筑拔地而起。钢结构可以将设计、生产、施工、安装一体化，提高产业化水平,同时具备施工周期短、安装精度高、抗震性能好、节能、环保等优势，钢结构市场必将有良好的发展前景。但是各种形式的钢结构构件加工与安装工艺、技术还有待于在应用过程中进一步完善。日前，我公司加工制作并安装施工的“莱州百大商业综合楼”工程是山东省烟台市第一座高层钢结构建筑，是一座集商业、办公、酒店于一体的商业综合楼。现将工程概况、钢结构加工及安装工艺方法和技术应用情况介绍如下，与同行探讨。
2.工程概况
莱州百大商业综合楼工程位于烟台莱州市，本工程地上二十一层，地下一层，总建筑面积51106.4m2，高度达到90米以上，设计使用年限为50年。为商业、办公、酒店综合楼，并配套建设有商务中心和多项娱乐设施，是烟台市第一座高层钢结构建筑。上部结构为钢框架-现浇钢筋混凝土剪力墙体系；一层以下框架柱为钢骨（十字型）混凝土柱，一层以上框架柱为箱型截面混凝土柱，内灌C50混凝土，框架梁为H型钢，规格达27种之多，钢柱采用工厂成品箱型柱。外墙为加气砼砌块，内隔墙为轻质墙板。
3.钢构件加工、安装
3.1钢构件的制作
本工程所用钢构件全部采用工厂化制作，工厂设有焊接H型钢生产线、热轧H型钢二次加工生产线、箱型柱生产线等成套设备生产线。具体设备主要有多嘴式火焰自动切割机、U型组立机、箱型组立机、隔板组立机、铣边机、龙门焊机、电渣焊机、端面铣床、抛丸机、数控三维钻床、数控带锯床、数控平面钻床等。
为保证构件的加工精度，一是采用自动化程度较高的成套设备生产线和高精度单机设备；二是针对不同构件，制定焊接作业指导书，进行焊接工艺评定，编制焊接工艺，并实施焊前培训，焊中跟踪，焊后检测的工艺验证；三是根据工艺，编制产品检验计划，确定关键过程和质量控制点，并严格执行首件检查，工序控制和出厂检查制度。实现制作设备先进化、工艺制度化、产品检验程序化。
3.1.1箱型柱制作工艺
本工程所用箱型柱为600*600mm，厚度由下至上依次减小，最大厚度32mm，最小厚度14mm，钢板材质为Q345B。箱型柱本体加工在生产线上进行，经过切割下料、隔板组立、U型组立、隔板焊接、箱型组立、龙门焊接、电渣焊接、火焰矫形、端面铣削等工序而完成。
隔板组立与焊接。箱型柱隔板切割下料后，在专用隔板组立机上进行，以确保组装精度。组成电渣焊缝的每件隔板上的4条衬板（垫板），按要求控制其厚度，以保证后续电渣焊缝的质量。组装好衬板的隔板需进行铣削加工（只加工电渣焊缝边缘，垂直两侧CO2气保焊缝边缘采用半自动切割即可），以保证隔板周边的平面度以及相邻两边的垂直度。隔板实施单面焊，开单面45°“V”型坡口，背面加-6×30mm通长衬条，并预留3~6mm组装间隙，亦可采用不预留组装间隙、背面碳弧气刨清根的办法，以保证焊缝熔透。对多个隔板的，焊接时应间隔焊接，从中间往两端跳焊，以减少焊接变形。焊接方法采用二氧化碳气体保护半自动电弧焊。焊接24小时后，用斜探头在内侧对隔板焊缝进行超声波探伤，按二级焊缝标准进行检验。
箱型柱电渣焊接。熔嘴及焊接材料的选择：熔嘴型号选择Φ10，熔嘴长度比工件长出200mm。焊丝直径选择Φ3.2，型号 H08MnMoA配合焊剂HJ431或HJ360。焊接之前，在腹板上开设电渣焊孔（电渣焊孔尺寸应根据隔板厚度大小确定，但不允许超出电渣焊道2mm），保证电渣焊孔尺寸、表面粗糙度符合要求，然后将电渣焊孔内的异物清理干净，焊道两端按要求设置引弧、收弧套筒。引弧时，电压应比正常电压高5V左右，电流比正常焊接过程大50-100A。渣池形成后恢复正常电压、电流。焊接电压随焊接过程而变化，应注意随时调节电压。为防止箱型柱焊接过程弯曲变形，同一隔板两侧的电渣焊同时施焊，熔嘴应保证在焊道的中心位置。焊接过程中，应随时检查熔嘴是否在焊道的中心位置，严禁熔嘴和焊丝过偏，焊接过程不得中断。焊缝收尾时，应适当减小焊接电流，确保焊缝引到收弧套筒上熄弧。电渣焊完毕将冒口割掉磨平。焊后24小时进行超声波探伤，按一级焊缝标准进行100%检验。

箱型柱埋弧自动焊接。应用两台双丝、双弧龙门焊机，同时、同向对称焊接。按规程加设引弧板、收弧板，宽度应大于80mm，长度大于100mm，其厚度、材质、坡口形式与母材相同，引弧与熄弧必须出构件焊缝外30mm以上。根据母材材质、板厚和焊缝等强原则，选择焊丝型号HO8MnA、焊丝直径Φ4，配合焊剂HJ431。
焊接参数见表一：

多层施焊时，选用合理的焊接顺序，对同一侧板的两条焊道焊1～2遍，然后翻转工件焊接另一侧的两条焊道3～4遍，再次翻转工件，依次焊接直至焊满。焊接24小时后对全熔透部位的焊缝，进行100%超声波一级探伤检查。
3.1.2钢梁制作工艺
本工程共有H型钢钢梁27种，其中主梁15种，次梁12种，主梁最大规格为800*350*12*25，次梁最大规格为650*350*10*22，钢板材质为Q345B。H型钢钢梁分为焊接H型钢钢梁和热轧H型钢钢梁两种。
3.1.2.1热轧H型钢钢梁本体在热轧H型钢二次加工生产线上进行，经过数控三维钻床制孔、数控带锯床定尺锯切、机械或火焰锁口等工序而完成。
3.1.2.2焊接H型钢钢梁本体在焊接H型钢生产线上进行，经过切割下料、腹板与翼缘板组立、埋弧自动焊接、机械矫形、火焰矫形、制孔等工序而完成。
下料：根据不同钢板厚度，下料时考虑留有切割加工余量1-3mm和焊接收缩余量约1mm/m。上、下翼板接板应避免在三分之一跨中处。上、下翼板及腹板接板的焊缝应相互错开200mm以上，腹板与端板的位置应大于600mm。
组装：在组立机进行。组装前必须将接料工作进行完毕，应经无损探伤检测合格。定位焊所采用的焊接材料型号，应与焊件材质相匹配。焊缝厚度约6mm，定位焊长度约40mm，定位焊间距一般为300～500mm。
焊接：采用船形位置、埋弧自动焊接方法完成焊接。
1、焊前清理焊接接头及其周围的油、锈、水分和其它污物。
2、根据母材选择焊接材料（表二为参考值），焊剂按要求烘干。

3、H型钢两端需加设引弧板与熄弧板。引弧板与熄弧板材质与H型钢母材相同，其宽度、长度、厚度应分别≥80、100、10mm，焊接完毕应去除（禁止用锤击法去除）引弧板与熄弧板并修磨光滑。
4、根据焊脚高度或母材厚度选择工艺参数（表三为参考值）
5、选择合理的焊接顺序：4道H型钢主焊缝要对称施焊。

3.1.3摩擦面处理
采用H型钢专用抛丸机，对高强度螺栓连接节点处的构件钢材表面进行抛丸处理，高强度螺栓摩擦面处理后的抗滑移系数值必须符合设计文件的要求（钢板材质为Q345B，抗滑移系数为0.45～0.55）。
3.2钢结构的安装
本工程第一节钢柱为十字型与箱型柱组合的形式，地下一层为十字型柱，外包钢筋，支设模板后浇筑砼，形成边长1m的正方形钢骨砼柱（见图二），地下一层以上为边长600*600mm的箱型柱（见图二），共计49根。本工程综合考虑构件尺寸、重量以及施工进度等因素，选用QTZ80、QTZ125塔吊各一部，保证钢结构吊装的顺利进行。
3.2.1钢柱预埋螺栓的定位控制
根据施工现场特点，在土建筏板基础施工时，钢柱地脚螺栓同时预埋，不同的钢柱制作了不同预埋螺栓模具，模具采用钢板焊接，预埋定位后螺栓与钢筋稳固焊接，确保了混凝土施工时，不产生位移。在钢结构钢柱安装时一次成功，预埋螺栓穿孔率高达98%，轴线位移不大于1.5mm，保证了以后钢结构的安装质量。
3.2.2钢柱垂直度、标高和平面轴线的控制
本工程基准控制点采用内控法，将基准控制点放在楼内部（每层楼板同一位置预留200*200mm方孔），用高精度的激光铅垂仪对垂直度控制；设立标准柱和沉降观测点，以此控制钢柱安装的标高和平面轴线位置。
3.2.3钢柱快速对接安装与焊接
根据柱的对接安装特点，通过组织专业人员分析研究，自行设计了钢柱对接定位器和调节支撑杆，利用钢柱对接定位器保证了柱对接的零错口，同时通过调节支撑杆上的细调节螺母，实现了对上节柱垂直度和标高的一次性校正，与传统的安装方法相比可提高工效30%。上、下节钢柱之间现场焊接时，由于设计采用了一端单边“V”型坡口、另一端在加工场内进行铣床加工平面并加设背面内部衬板，且现场钢柱安装标高控制到位，因此，确保钢柱现场连接横向焊缝全熔透焊接质量。
3.2.4钢梁的安装与焊接
当钢柱安装形成稳定单元后，吊装H型钢钢梁（主梁15种，次梁12种），采用高强螺栓与钢柱连接，主梁上下翼缘与钢柱进行焊接。高强螺栓连接是目前建筑钢结构最先进的连接方法之一。它的特点是施工方便，可拆可换，传力均匀。根据本工程的设计方案高强螺栓采用摩擦型连接。紧固办法采用专用棘轮扳手和扭矩扳手分初拧和终拧两个步骤完成。钢梁与钢柱牛腿的现场焊接，焊接方法采用二氧化碳气体保护半自动电弧焊，单边“V”型坡口、背面加设衬板结构形式，确保连接焊缝完全熔透。

图二 地下一层为十字型钢骨砼柱、地下一层以上为边长600*600mm的箱型柱
3.2.5钢梁与砼楼板的连接
按图纸要求在钢梁上焊接足够数量的栓钉，以保证钢梁与其上的砼楼板有效的连接。本工程栓钉规格为∮18*180、∮16*100两种。栓钉施焊前，放线、抽检栓钉及瓷环，瓷环应保持干燥，受潮的瓷环应经120℃烘干1h。正式施焊前做两个试件，弯曲30°检查合格后，方可正式施焊。
3.2.6钢柱内砼浇注
本工程采用高抛法施工法，向钢柱内浇注C50商品砼，借助重力作用，使商品砼自行震荡密实，与箱型钢柱结合更加牢固。
4.质量控制结果
通过实施以上技术质量保证措施以及有利的施工组织，在短短4个月之内，顺利完成“莱州百大商业综合楼”工程3900吨钢结构的安装任务。同时有效控制了钢结构的制作和安装质量，经监理方和业主验收，“莱州百大商业综合楼”工程的钢结构制作和安装符合《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）和《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)。主要质量参数如下：
每节钢柱弯曲矢高均控制在3.0mm以内，柱身扭曲控制在2.0mm以内；H型钢钢梁弯曲矢高控制在10.0mm以内，扭曲控制在5.0mm以内，制孔精度达到0.5mm以内。工厂加工制作焊缝一次抽检合格率达99.5%，钢构件出厂合格率达到100%。施工现场钢柱对接、柱梁连接焊缝探伤一次合格率99.6%，高强螺栓自由穿孔率达到99%。