综合性文化场馆工程超大埋件可调胎具置换预埋工法

　1 大型埋件预置可调胎具施工工法 完成单位名称：中建三局第二建设工程有限责任公司 主要完成人：代保明 杨亮亮 杨凡凡 李科 邱奔 1 前言 近年来,在国内的大型公共和民用建筑中,出现了 越来越多的大空间、大跨度的钢结构会展、场馆类工程.这类工程的上部钢结构通常与下部的钢筋混凝土基础间通过刚性锚固的方式连接.随着钢结构体量的增大,钢结构埋件也呈现出以下显著的特点：数量多,尺寸大、重量重,埋设精度高,安装工艺复杂. 大型埋件的通用安装工艺是：先预埋支架,一次浇筑混凝土保证钢支架固定,待钢支架稳固后,大埋件与钢支架焊接使埋件固定,再用混凝土二次浇灌以完成大型埋件的安装. 这种埋件安装工艺的缺点是：

　1、需设置大量的预埋支架,浪费大量的材料;埋件尺寸不统一,造成了 支架的尺寸也各不相同,加大了 安装难度. 2、钢结构和土建专业间需要大量的现场配合时间,交叉作业时间长,配合难度大. 3、混凝土分成二次浇筑,不利于控制浇筑质量,生产成本高. 深圳当代艺术馆与城市规划展览馆外围护钢结构面域单元结构主要由 11 个平面和 5 个曲面组成.图 1-1.其上部钢结构总重 20000t,包含了 平面、扭曲、倾斜、扇形弯曲、弯扭、旋转等曲(直)面等多种复杂的空间形态和受力状态.基础大环梁尺寸为3000米米*1500米米/4500 米米*1500 米米/4800 米米*1500 米米,传力钢柱最大截面尺寸：箱型柱1800*800*80*80(材质 Q420GJC)、圆管柱 D1400*60(材质 Q390GJC),钢柱与首层基础大环梁间采用超大埋件连接.平均每个埋件需要承受上部表皮结构传递的压力 2000KN,剪力 5000KN,拉力 20000KN.为了 满足设计受力要求,本工程的大型埋件主要由 6~15 个 H 型抗剪键(H200*150*35*35))及 12-20 根锚栓及 40~80 米米的钢板组成,大型埋件的最大重量为 6t,最大构件尺寸为 2000*3000*60.图 1-2/3. 为了 避免混凝土梁的二次浇筑,有效解决大型埋件与基础钢筋间的定位和穿插困难问题,项目部研发了 一种用于大型埋件预置定位的装置,确保了 安装精度、效率和施工安全,得到各方好评.

　图 1-1 深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构三维图

　2

　图 1-2 大型埋件三维图

　图 1-3 大型埋件实物图 2 工法特点 大型埋件置换预埋工法具有以下显著特点：

　2.1 有效避免埋件与土建作业的互相干扰 由于使用了 预置胎具用于预留埋件抗剪短柱的埋设空间,从而避免了 超大埋件与土建钢筋间的交叉作业;同时,局部锚杆通过现场塞焊焊接焊固定技术,也有效地避免了 弯锚锚杆与土建钢筋间的冲突. 2.2 定位调节操作方便,精度控制高 在超大埋件通过可调节器放入指定位置后,通过门式支架精确定位,利用全站仪测量控制点,极大提高超大埋件安装精度. 2.3 节约工期,节省成本 单个超大埋件安装通过模拟提前确定抗剪键位置,避免了 传统施工方法需花费的大量钢支架措施材料;使用预置可调解器及门式支架进行超大埋件安装,节约了 大量的劳动力、塔吊使用台班和工期.

　3 3 适用范围 本工法适用于所有大型钢柱柱脚为螺栓预埋连接钢结构工程中钢构件与混凝土结构连接所需的大型埋件安装. 4 工艺原理 4.1 预置胎具设计、定位、置换安装原理 通过 x-steel 软件 3D 实体放样技术,模拟将现场混凝土大环梁、主梁、次梁等钢筋与埋件抗剪键位置关系,从深化阶段确定抗剪键与混凝土梁位置关系,提出可行性的施工图纸. 根据现场埋件抗剪键在 x、y 方向间距种类较多的情况下,设计出可调胎具,通过螺母调节 x、y 方向抗剪键之间的距离,满足现场不同种类预埋件的安装.

　图 4-1 预置胎具实物图 4.2 门式支架设计原理 现场通过可调胎具预留抗剪键洞口,利用现场塔吊安装埋件,采用移动轻便、灵活的门式钢架对埋件进行 x、y、z 方向精确定位. 门式钢架最大吊装工件重 6T,采用米 IDAS 软件分析如下：

　图 4-2 米 IDAS 分析科

　4.3 模板体系加固原理 因为埋件、钢筋和混凝土的自重较大,土建专业依据《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162-2008 等有关标准对模板支撑体系及其基础进行设计、验算,确定支撑立柱纵向间距、

　4 横向间距和水平步距为 450*450*1500 米米.支撑体系的合理计算、验算和搭设为超大埋件的安装工作提供必要的安全保障.

　图 4-3 模板设计剖面图

　图 4-4 模板设计剖面图 5 施工工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程 预置可调节器安装工艺流程如图：

　图 5-1 施工工艺流程图 5.2 施工准备 1、采用 x-steel 三维深化放样,对混凝土钢筋与埋件中抗剪键进行碰撞检查,使抗剪件与钢筋碰撞概率到最小化.

　5

　图 5-1 采用 X-STEEL 软件分析埋件与钢筋位置图 2、采用 x-steel 三维深化放样,检查锚杆上端与倾斜构件的碰撞情况,必要时提前改变锚杆在厚板上的开孔位置.

　图 5-2 采用 X-STEEL 软件分析埋件螺杆与上部构件碰撞图 3、所有锚杆孔采用大孔设计,以使弯锚螺杆可以灵活地避开土建钢筋. 5.3 胎具制作 5.3.1 可调胎具设计、制作 1、胎具设计

　图 5-3 胎具设计图

　6 2、胎具制作

　图 5-4 胎具实物图

　5.3.2 门架的设计设计：

　1、门式架设计

　图 5-5 门架设计图

　2、门式架制作

　图 5-6 门架实物图

　7 5.3.3 模板支撑体系搭设 大环梁梁 3000 米米*1500 米米/4500 米米*1500 米米/4800 米米*1500 米米,按最大截面设计：

　梁底模：立杆梁宽方向上,原则上在梁宽+60 厘米范围内布置,两侧各布置一根,其余立杆均匀布置在梁宽范围以内;立杆上端伸出至模板支撑点长度为 0.4 米. 梁截面 木方 立杆(梁宽方向) 立杆(梁长方向) 横杆步距 备注 4800×1500 @200 @450 @450 1500 可调托座 梁侧模 梁高 木方 (次楞) 钢管(主楞,合并根数为 2) 对拉螺杆 备注 － @250 @450 @450 采用钢筋焊接固定

　图 5-7 现场大环梁高支模实物照 按照《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》、《广东省建设工程高支撑模板系统施工安全管理办法》规定：施工总荷载超过 15KN/米 2,集中线荷载超过 20KN/米及以上,需按高大支撑模板系统有关规定进行施工并进行专家论证. 5.4 胎具安装 1、根据现场待预埋抗剪键距离,调节可调胎具工字型钢间距. 2、依据埋件深化平面布置图,将调节好的调节胎具放入制定位置. 3、混凝土大环梁、主梁、次梁钢筋水平筋和箍筋在施工时绕开调节胎具中工字型钢. 5.5 胎具取出 1、测量放线定位出每个埋件的具体位置 根据埋件平面布置图,利用全站仪的定位,找出每个埋件的具体位置,通过与土建专业现场负责人取得沟通,要求其在相应的位置,优先铺设好主筋后,留出该处工作面. 2、安装预置可调解器精准定位埋件位置 首先,在提前铺设好的主筋上,根据该处埋件的详图,测量定位埋件抗剪键的位置;之后,调节好预置可调解器的抗剪键间距,并将调节器安装在主筋上;最后将埋件位置的主筋通过辅助的短钢筋焊接定位,固定好混凝土水平钢筋.

　8

　图 5-8 胎具取出现场照片 3、取出调节器放入埋件和安装锚栓 将埋件位置的钢筋固定后,取出调节器,放入超大表皮埋件,配套的锚栓一步安装到位,焊接固定. 5.6 埋件安装 1、测量放线定位出每个埋件的具体位置 根据埋件平面布置图,利用全站仪的定位,找出每个埋件的具体位置,通过与土建专业现场负责人取得沟通,要求其在相应的位置,优先铺设好主筋后,留出该处工作面. 2、安装预置可调解器精准定位埋件位置 首先,在提前铺设好的主筋上,根据该处埋件的详图,测量定位埋件抗剪键的位置;之后,调节好预置可调解器的抗剪键间距,并将调节器安装在主筋上;最后将埋件位置的主筋通过辅助的短钢筋焊接定位. 3、取出调节器放入埋件和安装锚栓 将埋件位置的钢筋固定后,取出调节器,放入超大表皮埋件,配套的锚栓一步安装到位,锚栓与粱钢筋焊接固定. 4、门式支架定位调节 1)根据现场基准点坐标,借助已经建立的平面控制网,通过计算机放样,得出控制点A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3) 2)通过全站仪对控制点 A/B/C 进行测量,得出过程坐标(x,y,z),则表皮埋件的安装偏差为△X=1 厘米 ,△Y=1 厘米 ,△Z=3 米米 3)通过门式支架及手动葫芦等辅助工具进行定位调节,同时使用全站仪及塔尺实时监测控制点 A/B/C 的坐标变化情况.

　9

　图 5-8 现场实物照

　5.7 混凝土浇筑 1、应选用高流态、低水灰比的混凝土,并添加一定比例的膨胀剂. 2、混凝土浇筑应自预埋件锚件较密集处向锚件较少处推移,保证钢板下混凝土浇筑密实. 3、配备足够的振捣器具,使入模的混凝土能及时被振捣密实;为防止漏振,坚持分层振捣,采用二次振捣工艺,以提高混凝土密实度和预埋件与混凝土间紧密结合. 5.8 5.7 埋件检测 预埋件安装后,在浇筑混凝土前需进行复核,通过借助全站仪、钢尺、直尺及游标卡尺,对预埋件的中心点等几个控制点进行测量,预埋件固定校正不误后,混凝土浇筑前,应会同监理单位技术负责人进行隐蔽工程验收.在混凝土浇筑过程中,应进行跟踪监督,对混凝土浇筑过程中的损坏情况应及时进行校正及验收复核. 6 材料与机具设备 6.1 材料 主要材料截面型材(角钢、工字型钢、槽钢),材质 Q235B,用于调节器组成. 本工法需要的主要材料如表 序号 名称 规格型号 备注 1 支架杆件 L80*8

　2 H 型钢 H250*175*10*10

　3 螺杆 Φ22

　4 螺母 米 22

　6.2 机具设备 本工法需要的主要机具设备如表 序号 名称 型号 数量 备注 1 塔吊 500t １台 吊装 2 千斤顶 10t 4 个 预埋件调整 3 葫芦 10t/20t 若干 预埋件调整 4 门式钢架

　1 台 预埋件调整 5 CO2 焊机 30KW 4 台 焊接 6 钢卷尺

　4 个 测量放线 7 墨盒线

　2 个 放线标记

　10 8 塔尺 5 米 2 个 测量 9 大盘尺 长城 50 米 2 个 测量 10 经纬仪 J2-2 2 个 测量 11 全站仪 Topcon GTS-211D 1 个 测量 7 质量控制 7.1 应执行的标准规范 本工法应执行的主要标准规范有《钢结构设计规范》GB50017-2003、《钢结构工程施工规范》GB50755-2012、《钢结构工程焊接规范》GB50661-2011、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002、《钢结构工程质量验收规范》GB50205-2001 等. 7.2 质量要求 7.2.1 超大埋件加工前期的控制: 1、在埋件施工准备期,在满足结构的情况下,从优化、简化埋件节点,尽量现场散装,埋件灵活现场处理,减少现场埋件与混凝土梁水平筋和箍筋的碰撞出现的现场整改问题. 2、深化阶段组织各施工单位开展埋件技术交流会,把过程中可能出现的技术难题,提前拿出解决方案. 7.2.2 超大埋件加工前期的控制: 超大埋件加工前期的控制：主要控制好计划实施的监控、对技术文件、工艺规程制定和评定、对生产设备的检修和维护、对作业人员的技艺水平培训和考核等方面. 7.2.3 超大埋件焊接变形控制：

　1、焊接过程中产生变形主要原因与温度梯度、温度应力与板材厚度和结构刚度有关,板材越厚,结构刚度越大,变形越大.施工开始前,应采用数值模拟的方法选择合理的分块参数,形成详细的施工方案,并严格按施工方案进行施工. 2、焊接前先将钢板与锚杆点焊连接,分块处用 2~3 快薄钢板焊接连接.分层施焊,每焊完一道焊缝应及时进行敲渣并锤击焊接,以减少焊接应力.焊接过程中应随时校正水平度和轴线尺寸. 3、角焊缝应优先采用埋弧焊或气体保护焊(CO2 气体保护焊或混合气体保护焊).气体保护电弧焊焊丝宜采用船用焊丝,如大西洋 ER50-6 船用焊丝,保护气体为 CO2 或 Ar+CO2,电流极性为直流反接.用混合气体焊接后,其力学性能冲击功比 CO2 气体保护焊的更好;焊接时飞溅小,焊缝成形美观.也可采用药芯焊丝焊接. 7.2.4 后期施工质量控制：

　顶板混凝土浇筑完毕 14 天后,检查钢板与混凝土的结合程度,必要时对钢板表面钻孔取样,观察钢板与混凝土间结合情况.如存在结合不好的情况,可采取高压注浆处理,在钢板表面钻间距 600 米米×600 米米呈梅花状布置的圆孔,圆孔直径 25 米米.利用钻好的圆孔进行高压注浆,材料采用 C80 灌浆料.注浆前先用高压气体将孔内吹干,不允许孔内有积水和杂物.注浆时加压要均匀,在对每个孔注浆时需观察有邻近孔内开始冒浆时才能停止该孔注浆,同时立即用木楔(包布)将已注完浆的孔封闭. 7.2.5 超大埋件安装质量标准表 序号 项目 允许偏差(米米) 备注 1 预埋件 标高 ±3.0

　水平度 L/1000

　与轴线中心偏移 2.0

　表 7.2.5-1 表皮埋件安装质量标准 8 安全措施 8.1 应执行的标准规范 本工法应执行的主要标准规范有《建筑机械使用安全技术规程》JGJ33-2012、《建筑施工安全检查标准》JGJ59-2011、《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2005、《施工现场机械设备检查技术规程》JGJ160-2008 等.

　11 8.2 安全要求 1、加强操作人员的安全教育培训工作,开工前做好安全技术交底工作,并形成书面交底记录.每天认真开展好班前安全教育活动,确保每个操作人员对施工防护工作做到心中有数. 2、进入施工现场的所有操作工人均需佩戴好个人防护用品,严格按照各工种操作规程进行作业. 3、吊装施工中严格按照以下要求进行 1)绑扎构件的吊索需经过计算,绑扎方法应正确牢靠.所有起重工具应定期检查.起重机的吊钩和吊环严禁补焊.当吊钩吊环表面有裂纹、严重磨损或危险断面有永久变形时应予更换. 2)禁止在六级风、浓雾等恶劣气候的情况下进行吊装作业. 3)起重吊装的指挥人员必须持证上岗,作业时应与起重机驾驶员密切配合,执行规定的指挥信号.驾驶员应听从指挥,当信号不清或错误时,驾驶员可拒绝执行. 4)严禁起吊重物长时间悬挂在空中,作业中遇突发故障,应采取措施将重物降落到安全地方,并关闭发动机或切断电源后进行检修.在突然停电时,应立即把所有控制器拨到零位,断开电源总开关,并采取措施使重物降到地面. 5)设置吊装禁区,禁止与吊装作业无关的人员入内.地面操作人员,应尽量避免在高空作业面的正下方停留或通过,也不得在起重机的起重臂或正在吊装的构件下停留或通过. 6)构件安装后,必须检查连接质量,只有连接确实安全可靠,才能松钩或拆除临时固定工具. 4、电焊过程中的注意事项 1)电气焊工上岗,必须持有上岗证,上岗前进行消防安全培训. 2)电气焊工上岗必须携带小型灭火器,以便发生火险,及时扑救.应采取严密防护措施,严禁熔珠溅落到易燃物品上. 3)电气焊工焊、割作业结束后,必须及时彻底清理现场,消除遗留下来的火种. 4)电气焊工了 解现场情况,焊、割单位附近堆有易燃易爆物品.必须采取有效安全措施,方可施工. 5)在高处用气割或电焊切割时,应采取措施,防止火花落下伤人. 6)电焊作业过程中,要注意做好操作工人的劳动安全保护工作. 9 环保措施 9.1 应执行的标准规范 本工法应执行的主要标准规范有《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2014 等. 9.2 环保要求 1、预置调节器和门式支架要合理设计,选择通用材料,严格控制技措材料用量,避免工程浪费. 2、预置调节器和门式支架,选择重复利用,减少材料浪费,施工结束后,要统一回收,最大程度进行再利用. 3、现场油漆选择环保、质量优良的油漆产品,避免对人工、大气产生有害影响. 4、残留的氧气、乙炔等气体燃料应及时运到换气站统一处理,决不能在现场任意释放或燃烧. 5、施工过程中不能将废螺栓、废焊条乱丢乱放,应该统一归拢在一起,后运送到环卫部门指定地点. 6、教育施工人员养成良好的卫生习惯,不随地乱丢垃圾、杂物,保持工作和生活环境的整洁. 7、尽量减少施工过程中产生的噪声污染. 8、每日做到工完料清,不能入库的材料,堆放在指定位置,并分规格、品种堆放整齐,半成品应有明显的安装部位、件号等标记. 9、作业区域内不得高空抛物. 10 效益分析 10.1 安全效益

　12 1、通过软件分析,设计门式支架,并对施工过程进行模拟受力分析,对埋件施工安全性有了 充分的保证. 2、通过设计的预置调节器安装埋件和门式支架调节,达到要求后,与地下室顶板大环梁,形成稳定整体,避免人力、吊车等手工调节,让施工更简单、更快捷,更安全. 10.2 经济效益 采用预置调节器安装埋件和门式支架安装超大表皮埋件,节约了 措施材料,减少了 人工使用数量及机械使用时间,同时也节约了 工期.以深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构工程为例,采用本工法安装埋件共计 87 个. 相比传统方法,每个埋件安装节省措施材料 1.1t,提高安装效率 2 倍,节省了 近一半的施工周期,共节省工期 2 个月.措施材料均价按 4500 元/吨计算,人工平均工资按 300 元/日,项目安装工人 20 个,500t 履带吊按 20000 元/日计算,总计节省施工成本：

　材料费：1.1×4500×87=43.06 万元 人工工资：20×60×300=36 万元 台班费：60×20000=120 万元 节约总成本=43.06+36+120=199.06 万元 10.3 社会效益 本工法的社会效益是十分明显的,主要表现为:将先进的软件三维建模及埋件预置调节器施工充分运用到超大型埋件的安装中来,并通过设计可调式门式支架调节对埋件的精确定位做了 有效的控制,保证了 深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构工程的顺利进行与安全施工,为两馆钢结构的完工争取了 宝贵时间. 11 工程应用实例 超大埋件可调胎具置换预埋工法成功应用于深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构工程超大表皮埋件的施工中,取得了 良好的安全、经济与社会效益.在进行超大埋件安装时按照本工法规定的施工工艺流程、操作要点及质量标准等进行安装,实现安装定位精度 100%的佳绩,对保证深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构工程整体施工进度、工程质量和安全具有重要意义. 工程应用实例 1：

　工程名称：深圳当代艺术馆与城市规划展览馆钢结构工程 工程地点：深圳市福田区市民中心东北角,福中路与金田路交汇处 实物工作量：单个埋件最大 6t,最小 2t 安装周期：2014.06-2014.07 应用效果：良好

　图 11－1 实施效果照

　13 工程应用实例 2：

　工程名称：兴业银行大厦主体工程 工程地点：福州市台江区江滨大道北侧、鳌峰支路东侧 实物工作量：单个埋件 2t 安装周期：2014.010-2014.11 应用效果：良好

　工程应用实例 3 工程名称：广州松日总部大楼工程 工程地点：广州高新技术产业开发区科学城创新路以东、光谱东路以北 实物工作量：单个埋件 3t 安装周期：2014.06-2014.07 应用效果：良好