某厂房总建筑面积14 580m², 檐口高19.6m, 柱距7.5m, 跨度27m, 上柱材质为Q345B钢, H600×300×10×16。厂房主体结构由25榀门式钢架组成, 每榀门架由5个联跨组成, 为中间跨 (见图1) 。厂房投入生产后, 业主更换了原设计桁车, 新桁车虽能进行生产, 但“游动”范围超出了限定范围, 剐蹭到钢柱 (见图2) 。正常情况下桁车沿轨道行驶时, 轨道与车轮间的间隙, a>d, f;间隙b>e, c, 桁车行驶时会在垂直于运行的方向上有“游动”, 之后发生滑动, 对钢柱和轨道产生巨大的水平力 (即剪力) , 存在严重的安全隐患。

经设计院核算及施工荷载验算, 可在带负荷状态下对两轴线的钢柱上柱易剐蹭部位进行局部截面减小改造, 将上柱腹板高度减小为540mm, 即H540×300×10×16。

1) 对上柱腹板进行改造时钢柱处于负荷状态, 相比于卸荷改造、拆下改造等方式施工难度大, 改造中更易发生钢柱变形乃至倾斜、失稳或倒塌等安全事故。因此, 要制定详细的施工工序, 验算施工荷载, 同时施工中要消除振动 (主要是桁车运行) 的影响, 作业跨及相邻跨桁车不得运行。改造全程中要实时监测改造构件、相邻构件、结构体系的稳定情况。

改造时首先将原结构加固形成合理体系, 明确荷载传递路径, 增强结构稳定性且满足承载要求后再减小腹板高度。加固结构中设置加劲肋, 既可抵抗气割缺口的应力集中, 抑制各种变形, 也可减少切割热量输入对构件承载力的影响。

2) 本工程构件焊接和切割采用人工高处作业方式, 质量控制难度大。若作业中钢柱变形, 也无法采用常规机械及加热矫正, 因此选择合理的工艺方法, 减小或避免变形是关键。

焊接采用手工电弧焊, 加劲肋使用角焊缝连接, 型钢更换的翼缘要采用熔透焊形式连接。焊接顺序尽量保持输入热量平衡于构件的中性轴。

切割采取气割, 分多次进行, 以降低热量输入, 同时进行加固结构的焊接。气割材料使用丙烷和氧气, 丙烷与常用的乙炔相比, 其火焰温度分布分散, 热量相对较低, 切口质量也易于保证。

3) 本次改造质量控制十分关键, 如果发生严重问题, 导致构件无法达到要求, 则须加固上柱或进行构件更换, 使情况更加复杂。

4) 改造的厂房生产任务重, 施工必须与厂房内生产保持协调, 在工序间歇、桁车暂停使用时进行。考虑到厂房不能完全停产、大量钢柱承载力同时快速削弱可能会对整体结构产生不利影响, 让同榀门架的相邻钢柱分担一定竖向荷载, 改造不能大面积同时施工。改造钢柱的施工顺序应使被削弱的钢柱均匀分布于总体结构中。

5) 厂房已投入使用, 内有人员和生产设备, 改造时材料垂直运输也只能人工进行, 必须制定并严格执行安全防护措施。

6) 改造施工遵循样板先行的原则, 统一作业标准, 及时发现问题并进行方案优化。

本工程均须改造钢柱23根。改造钢柱过程中, 两轴线分别从②轴和15轴同时开始向28轴方向进行跳跃式施工, 施工顺序如表1所示。

施工工艺流程为:施工准备→测量放线→界面清理→钢板吊运就位→钢板焊接, 气割→质量检查、无损检测→修复缺陷、复检→防锈、涂装→验收交付。

1) 施工方案经论证后方可实施, 先在桁车行驶时偶尔才会经过的②轴钢柱上进行样板施工。

2) 改造钢柱要遵循既定焊接、气割顺序。气割前钢柱新增部件与原结构形成整体共同工作, 承载上部结构, 缓解变截面处局部应力集中。

3) 钢板①, ②, ③及加劲肋均在腹板两侧对称分布, 改造时两侧不得同时进行焊接, 以降低施焊热量输入, 避免钢柱屈服强度、弹性模量等性能过度降低, 产生变形。A~G部件全部定位焊接, 约束各种变形, 之后进行满焊。腹板两侧为对称结构, 满焊时对称位置部件依次进行, 如焊接完一侧A部件后焊接另外一侧的A部件。焊缝满焊时, 要利用合理的焊接顺序和焊接方向来控制焊接变形。

4) 新增部件材质与原钢柱相同, 改造完毕、焊缝探伤合格后钢柱表面按原设计恢复涂装 (见图3) 。

焊工应持证上岗, 且应具有10年以上工作经验, 拥有焊接材料、焊接工艺、防火安全等方面知识并具备气割、焊接实际操作能力。

操作人员应佩戴劳动保护装备。施工作业面设置接火盆, 侧面设遮挡铁皮, 下方地面2m范围内铺设防砸钢板, 周边5m范围内拉警戒线封闭, 设警示牌并专人看管。操作面下方对材料、设备进行转移或相应防护。周边配置足够数量的灭火器。

保证施工现场良好的自然采光或照明。焊接温度在0℃以上, 最好在10℃以上的环境下施焊。

确定新增钢板部件焊接基准点, 确定定位点并做标记。去除表面涂料后, 再放出作业控制线。

焊接前, 先在钢柱上焊接钢板部位确定待焊区, 将油漆溶剂 (松香水) 均匀涂刷在干燥的漆膜表面, 待漆膜起皱脱离原基材, 铲除即可。遇到局部较厚不易去除的漆层, 可待漆膜软化后铲除, 也可重复涂刷油漆溶剂, 漆层彻底脱离后清除。

去除待焊区及外侧50mm范围内的涂料, 其他部位保留的涂料可在焊接、气割钢板时起到一定保护作用, 防止电弧等划伤钢柱表面。

钢板焊接、气割操作顺序如图4所示。焊接钢板②, ③及加劲肋→气割翼缘板和部分腹板→焊接钢板①内侧→气割剩余腹板→完善焊缝。

1) 各部件要试拼, 根据定位线, 用直角尺检查其位置、水平度以及与钢柱翼缘板、腹板的夹角, 确认无误后用定位焊固定。

2) 焊接采用手工电弧焊方式, 以钢板棱边作为参照保证焊缝的直线性, 选择合理的焊条运动轨迹和停留位置避免咬边现象。

3) 钢板定位准确无误后, 长边与钢柱进行3点及以上的焊接固定, 短边可焊2点。定位焊缝厚度不宜超出设计焊缝厚度的2/3, 长度宜为2cm, 焊缝间距宜在30~50cm, 要求填满弧坑。钢板定位经复核后再进行满焊。

4) 满焊时应采用合理的焊接顺序和焊接方向控制焊接变形。单块钢板焊缝属于不对称焊缝, 焊接时应先焊短边, 焊缝短产生的变形也相对小, 再焊长边, 可抵消大部分短边焊接时产生的变形, 从而减小钢板的变形。满焊时应按每70cm划分区段进行焊接, 每个区段焊接完毕后间歇3~5min以释放热量。每区段焊缝接头处要交错覆盖另一区段的接头, 避免接头对齐。

1) 同方向焊接钢板③、加劲肋与腹板、翼缘板的T形接头两边为角焊缝, 采用同方向焊接, 可避免施焊时产生扭曲变形。

2) 逆向分段退焊钢板长边较长时, 如钢板②的竖向焊缝, 可采用自中间向两侧分段退焊, 可有效控制残余变形。

3) 跳焊定位焊在定位的同时, 将钢板长边焊缝分隔为若干条短焊缝, 如钢板②的竖向焊缝, 也可采用跳焊, 使热量输入更加均匀, 有效减少焊接变形。

4) 关于以上3种焊接方向, 可根据实际情况合理采用。加劲肋由4点定位焊分为3段, 满焊时钢板两侧角焊缝应同方向焊接, 由中间2个定位焊点向两端施焊, 再对中段焊缝施焊;若由定位焊分为更多段, 便可结合利用跳焊法施焊。

5) 气割翼缘板前在将要拆除的翼缘板的上部烧透一孔, 用吊钩或钢丝绳提前钩紧翼缘板, 防止坠落。切割翼缘板后, 对割缝进行打磨。气割操作如图5所示。焊接、气割过程中, 观察钢柱是否有变形情况。

全熔透的二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验, 可用斜射声束法或直射声束法进行检测。

根据外观检查和无损检测结果, 对焊接的外部和内部缺陷进行修复。对气孔、夹渣、焊瘤、余高过大等缺陷应用砂轮打磨、铲凿、钻、铣等方法去除, 必要时进行补焊, 对焊缝尺寸不足、咬边、弧坑未填满等进行补焊。对未焊透、裂纹等缺陷的焊缝要彻底清除, 重新焊接。修复后按原质量标准重新检查。

除锈前钢柱表面的毛刺、突起和焊瘤应用砂轮打平和清除, 采用电动工具进行除锈, 钢材表面的油污应洗净, 露出金属色泽之后, 按原设计进行涂刷。

本工程所处的厂房生产任务繁重, 桁车运行频繁, 施工改造仅在生产间歇时进行, 对安全、工期和质量有很高要求。本次施工针对现场实际情况, 通过优化施工方案、完善改造工艺流程、标准化焊接和气割操作方法等措施, 避免了改造钢柱过程中, 由于承载力减小、焊接与气割作业等引发的变形, 施工进度根据实际要求进行弹性调整, 成本低, 施工质量及操作符合要求, 未影响业主的正常生产进度, 达到了带负荷状态改造的既定目标, 可为同类型的工程施工提供参考。