近几年, 钢框架结构在电子厂房中应用越来越广泛, 大体量、组合式的多层洁净厂房采用的结构形式多为框架结构, 且整体不设置结构缝。对于超长超宽的钢结构厂房如何进行合龙带的设置及实施合龙, 设计单位及施工单位都进行着探索与实践。本文以咸阳彩虹光电电子厂房为例, 介绍ACF厂房合龙施工技术。

ACF厂房共5层, 总高42.470m, 长479m, 宽259.45m。初步设计采用3条纵缝、2条横缝的合龙缝留置方案, 后期设计单位采纳了施工单位初步计算分析结果建议, 调整为在纵向 (9) ～ (10) 轴、 (17) ～ (18) 轴设置合龙带, 在横向轴设置合龙段, 将整个结构分为6部分。合龙带平面分布如图1所示, 结构剖面如图2所示。

设计要求钢结构主体施工完成后进行合龙, 合龙基准温度为15℃, 合龙温度为 (15±2) ℃。

平面上合龙点分布在桁架与钢柱连接处、主次桁架连接处、主钢梁与柱连接处、次钢梁与桁架连接处。

在立面上, 合龙点分布在桁架的上、下弦及腹杆上, 腹杆合龙点位置均在下弦杆处, 以方便施工, 如图3所示。

合龙点处构件连接在施工阶段均采用高强螺栓固定, 螺栓孔采用长条孔, 以便结构各温度区段在温度作用下能够相对滑动。待整个结构施工完毕, 达到合龙温度时, 采用增补焊接方式进行二次连接。其中桁架的连接形式如图4所示。

1) 合龙缝分布点多, 同期合龙量大ACF厂房楼层设计合龙点数量共124个, 其中最短合龙带上有16个, 要求一次组织焊接设备及人员多。

2) 合龙窗口期时间短根据近3年统计的日平均温度数据, 预判合龙施工期间昼夜温差变化大, 每天符合合龙温度的时间只有6～8h。本工程合龙时间在4月份前后, 最低气温0°, 最高气温21°。

3) 屋面结构合龙缝的设置对屋面安装的质量及工期影响明显。

建立ACF厂房计算模型 (见图5) , 采用MIDAS/GEN8.3针对整个结构施工不同阶段、不同温度变化情况进行分析, 分析时考虑不同基准温度下 (15, 13, 10, 8℃) 及结构在使用和施工过程中各分区所能遇到的最高或最低温度, 对各阶段进行升降温分析。

根据结构刚度分布特点, 屋面结构刚度相比下部结构较小, 变形能力较大, 应力对温度变化不敏感。对取消屋面合龙带进行分析并验证其可行性。各区在基准温度为15℃时的温度考虑范围如图6所示。

以上2种情况对比结果如表1所示。由表1可知, 结构整体应力变化很小, 屋面应力在2种情况下均较低, 受温度影响小。因此, 可取消ACF厂房屋面合龙带, 即屋面进行独立一次性合龙, 不再考虑下部混凝土结构的合龙步骤, 同时根据施工实际进度及计算结果, 将合龙基准温度由原来的15℃降至10℃, 提前进行合龙作业。

温度区段划分后, 合龙顺序是影响结构的一个重要因素。如果采用不合理的合龙顺序, 有可能会在结构中产生不利的残余应力和残余变形, 给结构正常使用带来不利影响, 降低结构可靠度。

根据合龙发生的季节取合龙过程温差为±8℃, 拟定如下3种合龙顺序。

1) 合龙顺序1先合龙纵向3个温度区段的钢结构 (1-1) ;再合龙横向2个温度区段 (1-2) ;最后施工合龙段混凝土楼板。

2) 合龙顺序2先合龙横向2个温度区段的钢结构 (2-1) ;再合龙纵向3个温度区段 (2-2) ;最后施工合龙段混凝土楼板。

3) 合龙顺序3首先合龙2层混凝土结构 (3-1) ;再合龙纵向3个温度区段的钢结构 (3-2) ;依次合龙横向2个温度区段 (3-3) ;最后施工合龙段混凝土楼板。

不同合龙顺序各阶段下的计算结果如表2所示。

采用合龙顺序1合龙时, 随着纵横向温度区段的合龙, 厂房在2个方向上的温度变形依次增加, 应力也逐渐增长。

采用合龙顺序2合龙时, 钢结构应力相比横向温度区段合龙前有所减小, 主要原因是合龙前该处钢柱处于角部, 受到纵横2个方向的温度变形影响, 较为不利, 而横向温度区段钢结构合龙后, 该处钢柱处于此边的中部区域, 主要受到纵向温度变形影响。

采用合龙顺序3合龙时, 2层混凝土结构先合龙完毕, 在同样温差下, 厂房在2个方向上的温度变形已接近结构全部合龙后的变形值, 应力也是如此, 再进行纵横温度区段的合龙时, 在温差作用下厂房的变形和应力峰值变化不大。2种合龙顺序都满足强度要求, 但2层混凝土结构的先合龙使整个厂房提前进入温差作用下的不利状态。

最终施工采用合龙顺序2的分析结果, 钢结构的温度区段先合龙横向温度区段, 再合龙纵向温度区段。用于指导施工的顺序细化为:先合龙纵缝, 后合龙横缝, 从中间向两边;先主桁架, 后次桁架 (轴为带人字撑梁) , 再钢梁;先下弦, 后上弦, 再腹杆。

在ACF厂房结构相应位置设置了54个测温点, 如图7所示。测温点设置在位于2层合龙间的钢结构腹杆和钢柱上, 反映构件的本体温度。

成立测温小组, 测温每1h进行1次, 形成记录, 测温设备采用红外线测温仪及传感测温相结合的方式。

分别统计出结构本体温度、环境温度, 将环境温度与本体温度进行对比。本工程内部钢结构超长超大, 本体温度比外界环境温度要低, 在外界环境温度达到设计基准温度时, 进行温度监测并记录对比, 从测试温度曲线得出, t₁=t₂+ (3～4) ℃, 其中, t₁为环境温度, t₂为构件温度。结合天气预报, 拟定合龙窗口期。合龙期间ACF厂房施工温度测量结果如图8所示。

每次合龙作业完成1个合龙带的1层的作业量。根据温度测控预期, 提前半天组织设备人员进场, 做好合龙准备工作;制定合龙计划, 将合龙点与焊工对应起来, 合龙前对人员到岗情况进行检查。ACF厂房合龙实施统计情况如表3所示。

通过对超长超宽钢框架电子厂房结构正确认识和判定, 经过详细模拟计算, 取消屋面合龙带, 实现屋面整体吊装合龙, 减少后期二次施工及合龙带屋面处理不好导致渗漏的可能。合龙温度的降低缩短了钢结构合龙时间, 同时节省混凝土合龙带施工时间, 加快整个结构施工周期, 严密的监测与控制也是合龙施工顺利完成的条件。