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1、多层旧厂房生产状态下钢框架高强度螺栓更换施工工法宁夏煤炭基本建设有限公司崔晓林常增波刘怀文贾前义王建斌1前言由于各类工业钢结构厂房在正常生产过程中，长期经受冲洗水、降尘水等工业用水的侵蚀，造成钢结构框架节点处高强度螺栓出现锈蚀现象。为避免安全生产事故的发生，在不影响正常生产的情况下，更换框架节点处高强度螺栓，成为近年来各厂矿企业及施工单位研究和攻克的重点及难题。我单位针对钢结构框架不同的受力情况，选用相应的设备支撑系统，对钢结构框架进行顶撑卸载后更换高强度螺栓，同时依据工程实践的总结形成了本施工工法。该工法具有保证施工质量和安全、大幅度缩短施工工期、降低施工成本等优点。该工法先后在布尔台选煤厂
2、主厂房D系统、布尔台选煤厂主厂房C系统、布尔台选煤厂主厂房A、B系统三个工程中得到成功应用，取得了很好的经济效益和社会效益。2工法特点2.1 该项工法采用的机具设备均为常用小型设备，简单易行、操作方便、经济适用。2.2 边生产边施工，每天利用生产检修间隔时间进行更换施工，生产开机前需将螺栓更换完成，能够保证正常生产。2.3 采用此工法能够加快钢结构高强度螺栓更换速度、保证螺栓更换质量。2.4 利用车间内各系统对作业区进行功能区域划分，减少作业面狭小带来的工效损失，省工省时、提高工效、确保安全。2.5 支撑方式均采用型钢等材料自行制作，可重复多次利用。3适用范围生产状态下有荷载钢结构框架节点高强
3、度螺栓更换及加固4工艺原理本工法螺栓更换的方式主要为有梁柱框架的牛腿支撑进行卸载的更换方式、主次梁结构的吊挂式杆件组合支撑进行卸载的更换方式及丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的更换方式三种。梁柱牛腿支撑进行卸载的更换方式是在螺栓更换梁柱节点位置以下，钢框柱适当位置上临时设置钢牛腿，利用千斤顶将上部钢梁上的荷载传递到节点以下钢柱上，以实现卸荷并更换螺栓的方法；当螺栓更换节点为无钢柱的主次梁节点时,采用吊挂式杆件组合支撑进行卸载或丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的更换方式。吊挂式杆件组合支撑进行卸载的更换方式，主要是采用吊挂式杆件组合将更换节点处钢梁荷载，通过杆件产生向上的拉力，将荷载传递到上层钢梁或其它
4、构件的方法：丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的更换方式是通过增设临时钢梁，将更换节点处荷载通过丝杠传递到临时增设的钢梁上，再由临时钢梁将荷载力分散传递到永久钢柱、梁的卸荷方式。4.1 梁柱牛腿支撑进行卸载的更换方式4.1.1 因结构钢梁间大多有设备，且结构层较高时，钢柱无法支顶。采用钢牛腿传力法，把剪力传至钢柱上确保结构安全。钢板焊接牛腿与钢柱固定，千斤顶置于牛腿上进行支顶卸载更换螺栓。更换平面及立体图如图4.1.1-1所示：图4.1.1-1图4.1.1-24.1.2 对整体钢结构厂房采用整体建模，采用3D3S计算软件整体分析，加上钢结构上原有设备的重量算出梁柱节点处的受力，再通过最大承载力F=O
5、.12P（F-梁柱节点的承载力，0.12是根据施工手册查的木板与钢柱间取最大摩擦系数，P-相应螺杆的预应力）公式计算出最大承载力，数据可根据建筑施工计算手册得到。牛腿的承载力必须大于节点处的受力，再根据受力情况选取相应的千斤顶，安全系数取L24.2 吊挂式杆件组合支撑进行卸载的更换方式4. 2.1此方式为主次梁节点螺栓更换方式，由于受工艺设备布置限制，更换螺栓部位的下方无结构梁布置，主次梁螺栓更换节点无法设立支撑系统，可选用吊挂式杆件组合支控进行卸载。如图4.2.IT所示：图4.2.1-15. 2.2对整体钢结构厂房采用整体建模，采用3D3S计算软件整体分析，加上钢结构上原有设备的重量算出主次
6、梁节点处的受力，根据最大受力节点分析选用相应的丝杆规格，丝杆的长度不宜大于500mmo丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的更换方式相同。6. 3丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的更换方式此方式为主次梁节点螺栓更换的另一种方式，由于受工艺设备布置限制，更换螺栓部位节点的下方有结构梁布置，但结构梁偏离更换螺栓部位的下方，节点无法设立支撑系统，采用丝杆下部增加钢梁支控进行卸载。如图4.37所示：图4.3-15施工工艺流程及操作要点7. 1工艺流程：5.1.1 牛腿支撑进行卸载的工艺流程十字牛腿制作T牛腿更换节点处安装T牛腿与钢柱接触面木板（防滑，增加摩擦）安装T移到相应位置固定，用螺杆上紧T安装千斤顶于节点主
7、梁底T将千斤顶的承载力控制到计算的承载力值T调整支撑力大于承载力检查牛腿的可靠固定是否合格（不合格重新进行牛腿支座的安装固定）T合格的情况下再调整到原计算承载力，按顺序更换螺栓T更换完毕拆除千斤顶T拆除牛腿倒运到下一个更换螺栓节点处。流程图如下:A5.1.2 吊挂式杆件组合支撑进行卸载的工艺流程吊挂构件加工T将加工好的两道钢梁安装固定在需更换螺栓节点上方的钢梁上一安装吊挂构件T按顺序更换螺栓T更换完毕拆除吊挂构件移到下一个更换螺栓节点处。流程图如下:5.1.3 丝杆下部增加钢梁支撑进行卸载的施工工艺支撑构件加工-将加工好的两道钢梁安装固定在需更换螺栓节点下方的钢梁上T安装丝杆顶控T按顺序更换螺
8、栓T更换完毕拆除构件移到下一个更换螺栓节点处。流程图如卜一：5.2操作要点:5. 2.1梁柱牛腿支撑卸载的要点牛腿钢板与钢柱间用20mm厚的软木垫实(增加摩擦阻力)。尺寸如图5. 2.1-1所示：图5.2.1-1由于千斤顶与牛腿表面较光滑，容易滑动，所以牛腿钢板上及千斤顶顶部与钢梁接触面需铺设5cm木板(500*500mm)作为垫板，垫板的木质根据梁上的承载力大小而定，垫板上安装千斤顶。千斤顶的选择以梁柱节点的最大剪力乘以L2的安全系数为准。根据现场施工情况及工程量的大小，牛腿的加工数量可多套同时加工，满足多班组同时施工。牛腿提升时采用手拉葫芦提升，至钢梁底60Omm处安装固定。5. 2.2主
9、次梁支撑进行卸载的要点构件承受偏心载荷时，更换高强螺栓需确保钢梁的稳定性。可采取钢系杆与两侧钢梁下翼缘固定，保证钢梁不失稳。如图5.2.2-1所示：偏心荷载钢梁更换螺栓加固措施图5.2.2-16. 2.3有设备布置的梁柱节点、主次梁节点等结构层须支撑卸载后方可更换螺栓。对于无设备的梁柱节点、主次梁节点及行架上弦、斜撑节点由于其节点受力较小，该处采用卡兰支撑加固即可。如图5.2.3T所示：图5.2.3-17. 2.4在每个支撑方式安装好施工前，需要做支撑实验,十字牛腿支撑体系,将千斤顶的支撑力调至1.2的系数支撑，通过Imin的观察，如果牛腿支撑与钢柱连接处没有下滑的迹象后，再将千斤顶的支撑值调
10、到设计值开始施工，如果有下滑迹象，需拆除重新安装更换木板。吊挂式杆件组合支撑和丝杆下部增加钢梁支撑同样将丝杆的力增大到设计值L2系数，观察Imin,如果没有发现丝杆有什么异常，便可施工下道工序，如有变形等异常，需要更换丝杆。5. 2.5螺栓更换施工的要点(1)螺栓更换顺序：根据现场情况，对不同螺栓节点，采取不同的更换顺序，一般为拆除2副IH螺栓、除锈后安装2副新螺栓，再依次进行拆除、安装必须是交叉更换。(2)高强螺栓更换原则应先从结构下层进行，逐渐向上完成螺栓的更换。(3)针对不同的节点类型，首先更换受力简单节点的螺栓，再更换复杂节点的螺栓(节点螺栓越多，受力越大)，即从2组一4组一6组一8组
11、一10组等。(4)螺栓穿入方向以便利施工为准，每个节点整齐一致；(5)因空间狭窄，高强度螺栓板手不宜操作部位，可采用加高套管或用手动扳手安装,(6)安装中的错孔、漏孔不允许用气割开孔，错孔应严格按钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)和钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规范(JGJ82-91)的要求进行处理；(7)施工前必须对扭矩扳手进行标定；终拧时，大六角螺栓应按施工扭矩施拧，扭剪型螺栓用专用电动扳手施拧，拧掉梅花头；(8)螺栓终拧在4h内完成，当天开机前螺栓终拧完成，保证设备正常运转;(9)由于部分连接板不平整，在更换时若接触板间隙小于0.8mm可直接连接螺栓，间隙大于
12、0.8Inm需做处理，现场灌入液态铅，保证连接板接触面积；(10)对于个别严重锈蚀的螺栓无法手工拧松拆除时，可采用火焰切割拆除,切割点与钢结构母材保持一定距离或做防护处理，防止破坏原有钢结构。（三）出现设备布置复杂，部分节点无法进行螺栓更换操作，可将节点连接板四周可靠补强焊接。焊接部位需征得设计院同意。(12)在使用支顶及更换螺栓的过程中，对钢结构整体的应力应变同时进行检测，根据本工程的实际情况，采用电阻应变片和振弦式应变计进行监测，振弦应变计和应变片(花)在可靠性等方面均比较成熟，前者能适应复杂环境及长期监测的条件，后者在短期监测上具有准确度高、成本可控性好等优势。通过实践支撑作业，钢结构的
13、应力应变都符合要求。测试原理图及设备见下图。图5.2.5T振弦应变计结构示意图图5.2.5-2应变片结构示意图图5. 2. 5-4电阻应变片现场安装图5. 2. 5-3数据采集主机DT85G6材料与设备主要材料、机具设备规格、数量见下表表6序号机械或设备名称型号规格数量用于施工部位备注1汽车吊根据工程量确定构件吊装根据构件重量确定2CO2气保焊机NB-500焊接23KW3电焊机BX1-400组装、焊接30.8KW4空压机0.6m3油漆专用7,5KW5烘箱烘烤焊条18KW6保温桶5Kg焊条保温7手拉葫芦5吨构件安装8千斤顶5/10/20/S0吨构件支撑9角向磨光机125焊缝打磨0.55KW10喷
14、漆泵油漆喷涂11手电钻钻孔12手动扳手13扭矩板式14切割机切割15对讲机16激光垂直仪控制点的传递17电缆线五芯线?-接18索具钢丝绳安装19吊具吊钩、卸扣安装20安全网2m*6m安全21防坠器30m安全22动态应力、应变测试仪DT85G1应力测试7质量控制7.1 高强度螺栓连接副应按包装箱配套供应，包装箱上应标明批号、规格、数量及生产日期。螺栓、螺母、垫圈外表面应涂油保护，不应出现生锈和沾染脏物，螺纹不应损伤，按5%箱数抽查。7.2 2对建筑结构安全等级为一级、跨度40m及以上的螺栓球节点钢网架结构,其连接高强度螺栓应进行表面硬度试验，对8.8级的高强度螺栓其硬度为HRC2129：10.9
15、级高强度螺栓其硬度应为HRC3236,且不得有裂缝，按规格抽查8只。7.3 高强度螺栓连接副终拧后，螺栓丝扣外露应为23扣，其中允许有10%的螺栓丝扣外露1扣或4扣，抽查5%且不少于10个。7.4 高强度螺栓连接摩擦面应保持干燥、整洁，不应有飞边、毛刺、焊接飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢等，除设计要求外摩擦面不应涂漆，应全面检查。7.5 高强度螺栓应自由穿入螺栓孔。高强度螺栓孔不应采用气割扩孔，扩孔数量应征得设计同意，扩孔后的孔径不应超过1.2d（d为螺栓直径）7.6 扭剪型高强度螺栓紧固检查，以目视确认螺栓梅花卡头被专用扳手拧掉，即判定终拧合格：对不能采用专用扳手紧固的螺栓，应按高强度大六角头
16、螺栓检验方法检查，不得采用专用扳手以外的方法将螺栓的梅花头取掉。8安全措施8.1 整个施工现场临时用电线路及设备采用三级配电，漏电保护作两级保护。8.2 由于部分作业面不能利用车间照明，现场作业人员须佩戴矿灯。照明灯使用36V以下安全电压，潮湿作业场所使用24V安全电压，导线接头处用绝缘胶带包好。8.3 配电箱内电器、规格参数与设备容量相匹配，按规定紧固在电器安装板上，严禁用其他金属丝代替熔丝。施工机械设备均作防雷接地，且同时作重复接地，阻值不大于10欧姆，以确保施工现场保护零线的重复接地不少于三处；电气设备正常情况不带电的金属外壳和机械设备的金属构架与保护零线连接。8.4 脚手架搭设时与原车
17、间钢结构可靠连接，防止失稳或倾覆。在更换螺栓的作业面需铺设木架板，木架板与脚手架架管绑扎牢固。在结构层里面的，采用活动脚手架，架底铺设木架板，活动脚手架与原有结构柱可靠连接，不得固定在设备上，每个螺栓更换节点处，作业人员两人即可。在更换螺栓节点下方禁止人员走动，防止工具或螺栓掉落伤人。8.5 所有作业区域临边须搭设钢管栏杆，高度为1.2m,设置两根横杆，并悬挂安全标识。8.6 作业平台洞口须用钢板覆盖或用钢管搭设栏杆维护，防止人员坠落。8.7 为了防止千斤顶倾覆，在千斤顶底座上钻孔，与牛腿平面钢板用高强螺栓连接。千斤顶支撑受力完成后，在牛腿与支撑梁之间安装棱木防止千斤顶意外回落造成安全事故。9
18、环保措施1.1 1所有废机油、润滑油严禁随意乱倒，应回收后予以统一处理。1.2 所有废弃的材料、工具严禁随意丢弃，材料管理部门应统一回收进行处理，施工现场应保持整洁。1.3 焊接完成后所有焊条、焊头应清理收集入库，统一处理不准随意丢弃。1.4 氧气、乙烘等气瓶内残渣严禁自行随意处置，所有气瓶应送至原生产厂家进行处理。1.5 空油漆桶严禁随意丢弃，应全部回收统一处理。1.6 所有配电箱、电线、电路应确保无损坏与漏电现象，下班后必须关闭所有电器开关，做到节约用电.10效益分析以神东布尔台选煤厂块煤系统钢构件高强螺栓、爬梯、平台等附件更换工程为例，更换高强螺栓数量为43000套，甲方要求更换螺栓施工
19、总工期120天，现场采用本施工工法，仅用了100天就安全高效的完成了施工任务，工程的经济、社会效益效果明显。经济效益：根据甲方要求，至少需要传统门子架支撑4套（型钢2340Kg）,每班16人，施工120天才能完成此施工任务，采用本施工工法，现场加工了4套（钢板956Kg）牛腿支撑，每班安排了12人，累计施工100天即全部完成螺栓更换任务，直接节约成本分析如下:用项目原材料费用人工费用费用合计牛腿支撑3680元/tX0956t=3518元12人/班X0.5班/天X100天X180元/工日=108000元111518元H型钢门子架支撑3730元tX2.34t=8728元16人6班X0.5班/天X1
20、20天X180元/工日=172800元181528元节约成本70010元应用该工法施工比常规施工方法节约成本70010元社会效益：由于工期提前，且满足了甲方正常生产，保证了甲方的生产任务完成量，满足了顾客对产品的需要。同时该项工法简单易行、操作方便、消除了生产施工过程中的安全隐患，保证了螺栓更换质量及工程的结构安全。施工时利用车间内各功能系统对作业区进行区域划分，减少作业面狭小带来的工效损失，省工省时、提高工效、确保安全。支撑方式采用的型钢等材料由现场利用工程施工时的边角料即可自行制作，并可重复多次利用，从根本上实现了节能环保。在实际应用中具有良好的社会效益。11工程应用实例11.1 神东布尔
21、台选煤厂块煤系统钢构件高强螺栓、爬梯、平台等附件更换工程。位于内蒙古鄂尔多斯市乌兰木伦村。布尔台选煤厂主厂房建于2005年，主厂房为门式钢架结构，共分A、B、C、D四个系统，上面有设备正常运转生产。本工程共更换高强螺栓四万余套，我们创新形的实现了荷载状态下高强螺栓的更换，总结形成了“多层旧厂房生产状态下钢框架高强度螺栓更换施工工法”，该技术保证了工厂设备的正常生产，具有良好的经济环保效益。为类似工程施工积累经验。11.2 神东煤炭集团有限责任公司布尔台选煤厂塔楼加固工程，施工内容为钢框架柱增大截面、局部增设柱间支撑，对承载力不足的钢梁增设斜杆，对梁、柱节点锈蚀的高强螺栓进行更换，以达到加固目的。多层旧厂房生产状态下钢框架高强度螺栓更换施工工法”的应用，保证了施工质量，具有良好的经济效益。
