马鞍形屋面钢结构环梁法兰盘施工技术

于明刚　徐宏鑫/青岛高新区投资开发集团有限公司

马鞍形屋面钢结构环梁法兰盘施工技术

于明刚徐宏鑫/青岛高新区投资开发集团有限公司

本文以结合实际工程施工，通过钢结构法兰盘工厂下料、钻孔、预拼、现场安装、螺栓施工等工序，对大型钢管截面法兰盘施工进行技术总结，从而指导类似工程施工。

张拉；法兰盘；压环梁；马鞍形

前言

随着建筑业的不断发展，各类“高、大、新、尖、特、重”项目如雨后春笋在全国各大省、市争相绽放。特别是一些机场、车站、体育中心、会议中心等基础设施项目，由于其处于所在城市的特殊地位，开发商们在设计初期便追求造型的新颖和别出心裁，并力求将建设项目打造为城市新地标。由于圆形截面，特别是钢管类截面，其外形及受力性能的优势，受到了格外推崇，并广泛的应用于大型钢结构建设项目中。

另一方面，作为以圆管作为主体结构的钢结构工程，由于受限于加工机械、运输尺寸、安装吊重等因素，钢圆管的现场拼接必不可少，而考虑一般主体结构钢圆管径大壁薄的特点，接口处的对接焊将对圆管外形圆形轮廓造成较大变形，因此钢结构法兰盘连接得到了较好的应用，特别是一些针对大管径钢管截面构件。

1.工程概况

某工程体育场钢结构主体由空间压环梁闭合而成，并形成空间马鞍造型，每根压环梁由两根倾斜立柱支撑固定于混凝土平台上。压环梁高低点落差10米，高点处标高为52米。

表1　压环梁截面信息Table 1 Section information of ring beam

2 .法兰盘构造信息

压环梁间的连接全部采用法兰盘对接，与工业用法兰盘不同之处在于本工程法兰盘之间无垫圈，而是直接由法兰盘钢板进行摩擦连接。法兰盘为平板形式，并直接由钢结构加工厂进行下料、钻孔制得。

压环梁之间由2块80mm厚Q390C法兰盘通过48颗10.9级M36高强螺栓连接，螺栓需要施加100％预拉力，法兰盘外径1800mm，压环梁外径1500mm。

图1　环梁法兰连接Fig.1　Flange connection of ring beam in stadium

3.法兰盘制作与拼装工艺

法兰盘制作的精准度直接影响到后期压环梁现场高空连接，同时由于建筑设计对于外观造型要求，法兰盘面与压环梁圆管截面并非完全垂直，而是存在一定夹角，且压环梁空间位置的变化夹角随之变化。压环梁通过自身弯管来实现结构的整体马鞍造型，因此圆管与法兰盘的位置关系要求更加严格。另外，相邻压环梁间的成对法兰盘，由于法兰盘自身与压环梁间的定位可以绕环梁中心旋转以及法兰盘钻孔的误差累计，因此，如何保证相邻成对法兰盘螺栓的顺利传入，也需要在制作过程中加以考虑。

通过对现场施工及车间制作的整体规划和部署，实际加工制作中采用了法兰盘配对钻孔、接头单元拼装、压环梁整体预拼装验收等措施，加以控制，以满足实际施工中的需要，法兰盘整体制作与控制流程如下：

图3　法兰盘制作与控制流程Fig.3　The flow of flange manufacture and control

图4　法兰盘配对Fig.4 The flange group

　　图5　拼装单元Fig.5 The unit assembly

图6　预拼装验收Fig.6 Pre assembled acceptance

工艺要点：

（1）对应安装法兰盘为保证螺栓孔的对应与顺利穿入，将下料完成后的配对法兰利用码板焊接固定，以实现一次性钻孔，提高孔位精准度。另外，为考虑后期法兰盘与压环梁焊接变形影响，于法兰盘中心开透气孔，孔径200mm。压环梁预拼验收合格后下胎，涂装前，采用10mm钢板将透气孔封堵，从而防止后期堆放、运输过程中杂物或雨水进入。

（2）压环梁由于截面较大（直径1m以上），采用钢板卷管过程中，以钢板长度方向为卷管方向，即板宽方向平行于压环梁方向，因此单个长度20米的压环梁，均是由每段长度约3米卷管拼接而成。法兰盘配对后，每侧法兰盘先与两侧3米长卷管拼接，形成约6米的拼接单元。

（3）拼装单元完成后，将法兰盘与压环梁进行焊接。焊缝等级为一级全熔透，采用内贴衬圈，6mm间隙全位置焊接。法兰焊前应预热，预热温度100～120℃，焊接工艺参数严格按照《焊接作业指导书》进行，焊后进行后热处理，后热温度250～350℃，并保温2h以上。焊接时，法兰4个方向用M36的螺栓拧紧，安排4名焊工，对称施焊焊缝①②（正反面），立向上位置焊接。再安排4名焊工，对称施焊焊缝③④位置（正反面），平及仰位置焊接。完成后，拧下螺栓，再安排8名焊工同时对称焊接螺栓位置焊缝（正反面）。

图8　法兰盘焊接顺序Fig.8　The flange welding sequence

（4）法兰盘焊接完成后，将拼装单元在胎架上固定并定位准确，随后焊接两相邻拼装单元间的压环梁本体卷管，以实现压环梁的整体预拼装。

（5）压环梁的整体预拼装采用循环拼，5组一拼，拼5留2原则，即5组拼接验收完成后，前3组下胎涂装后发运现场，后2组参与下一批预拼，以此循环，此方法保证每组压环梁均参与到其相邻压环梁的预拼。

5.法兰盘螺栓施工工艺

本工程法兰盘螺栓采用10.9级M39大六角高强螺栓，每节点处48颗。

根据钢结构施工流程，在压环梁安装完成后，即进入索网铺设与张拉工序。在张拉过程中由于拉索不断收紧，部分区段压环梁处于受压状态，法兰盘高强螺栓紧固施工时顶紧的接触面之间间隙被压实，可能导致高强螺栓对连接面预压力损失。因此根据以往施工经验，本项目采用了高强螺栓预张拉工艺进行施工，即提前对高强螺栓施加预拉力，以保证项目整体结构完成后高强螺栓紧固质量。

高强螺栓预张拉施工工法是采用小型液压设备对高强螺栓螺杆直接施加轴拉力，通过液压设备读数表控制螺杆轴拉力到达标准值后压紧连接部件，用普通扳手将高强螺栓连接副螺母拧紧，释放液压力使高强螺栓连接副自身承受标准轴拉力，继续压紧连接部件。

法兰盘螺栓施工选择在法兰盘两侧对应压环梁施工完毕并矫正结束后进行张拉施工，待合拢段压环梁施工结束后完成全部法兰盘螺栓的张拉施工。单组法兰盘螺栓施工顺序见下，第一步，从隔板分段处开始对称安装，每侧对称完成1/4圆周；第二步，施工人员转180度反方向对称安装剩余圆周高强螺栓，完成法兰盘连接。

图9　第一步Fig.9 First step

图10　第二步Fig.10 Second step

法兰盘螺栓的张拉施工优点在于：

（1）针对非标准高强螺栓连接副（国内标准为直径30mm以内）的扭矩系数，特别是热浸锌防腐处理的高强螺栓连接副，由于其扭矩系数的离散性，目前国内实验室无法确定该螺栓的扭矩系数，因此采用施加扭矩力的方式无法确定具体紧固力矩值。预张拉施工工法是液压设备直接对螺杆施加轴拉力，通过液压表读数控制轴拉力大小，不再需要确定高强螺栓扭矩系数，同时满足国家标准对高强螺栓连接副紧固轴力值的要求。

（2）在对高强螺栓连接副施加扭矩力过程中，螺杆存在的扭剪应力，降低了螺栓承受轴拉力的能力。采用预张拉施工工法避免了扭剪力对螺杆的影响，提高了高强螺栓连接副施工完成后的受拉承载能力，有利于结构质量、安全。

（3）液压设备进行螺栓张拉时，液压表控制精度高，避免了轴拉力超出范围的情况，有利于提高高强螺栓紧固质量。高强螺栓检验时，采取在现场巡查，确保按要求正确使用液压设备，简化检查程序。

（4） 根据高强螺栓连接副受拉承载能力提高情况，采用液压设备进行螺杆预张拉时，可以在国家标准轴拉力值的基础上增大。增加的轴拉力可抵消部分区段压环梁受压顶紧接触面损失的部分，由此避免了对高强螺栓连接副的第二次紧固，减小了机械设备、措施材料和劳动力的投入，同时降低了近50％的安全风险。

图11　螺栓张拉（a）Fig.11　Bolt tension(a)

图12　螺栓张拉（b）Fig.12　Bolt tension(b)

6.合拢段法兰安装的保证措施

大跨度结构采用法兰盘对接时，其最终的合拢施工一直作为钢结构施工的重点和难点，施工前应该有详细的施工针对方案，施工过程中应严格按照方案要求加以实施。针对本工程特点，实际施工中采取相应措施加以保证：

（1）合理制定压环梁安装顺序，减少累计误差产生，以实现法兰盘的准确对位。

（2）以施工模拟计算分析为基础，提高构件制作进度。

由于本工程采用了钢结构支撑加空间索网屋面体系，随着索网张拉前后，屋面结构施工前后分析计算，其引起的钢结构前后变形较大，施工之前利用结构的最终完成态来反推钢结构安装初始态，指导钢结构深化设计、制作及安装，确保压环梁法兰盘及压环梁本体最终通过张拉索网及屋面施工，最终实现最初的设计效果。

（3）合拢段压环梁现场拼接施工措施。

合拢段压环梁施工之前必须保证其相邻压环梁及其对应倾斜柱安装完成并趋于稳定。然后将现有结构中与合拢段对接的法兰盘进行空间测量定位，将每个法兰盘上、下、左、右四个点的空间坐标反馈至加工厂用以合拢段压环梁的实测下料制作。同时，为保证最终合拢段法兰盘的对接准确，将合拢段压环梁3m段的拼装单元与合拢段本体的车间对接焊缝改至现场原位焊接，并按照结构计算的合拢限定条件，选取室外20°时进行合拢段的焊接，合拢段的拼装步骤如下：

表2　合拢段压环梁拼接步骤Table 2 The closure segment ring beam splicing steps

（4）后续施工的验收复核。

钢结构合拢段安装焊接施工完成后，需要对钢结构的整体位形进行复核，并将复核结果提供至索网、金属屋面、膜等专业单位。各相关单位需要将钢结构成型模型与自身结构进行碰撞、位移、受力情况进行分析验算，并将结果提交设计单位与业主，经审核确认后进入下到工序施工。各单位主要复核内容包括压环梁处的拉索连接、压环梁与金属屋面处的天沟连接、压环梁与膜单位间的膜边界连接等。

7.结语

通过对施工过程进行总结，针对国内大跨度、大截面法兰盘的制作与施工，例如法兰盘的成对制作和预拼、高强螺栓施工工艺选择、合拢段法兰连接的保证措施可作为今后类似工程施工的参考依据，以提高大跨度大截面法兰施工的精确度。

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