浅议提高钢结构高强螺栓一次穿孔成功率控制要点

浅议提高钢结构高强螺栓一次穿孔成功率控制要点

周志强¹晁岱圣²

(1. 北京城建五建设集团有限公司；2. 北京城建五建设集团有限公司)

【摘要】基于提高高强螺栓一次穿孔成功率在广渠路快速公交系统工程东小营公交中心站项目工程中的实际应用，浅谈高强螺栓在安装过程中的操作要点，实践表明：采用基于BIM技术的现场模拟安装及综合控制技术提高高强螺栓一次穿孔成功率效果显著，显著缩短了工期并节约了施工成本，提高了工程质量。

【关键词】钢结构；高强螺栓；一次穿孔成功率；BIM技术；结构主体；质量；

1.工程概况

广渠路快速公交系统工程东小营公交中心站作为广渠路快速公交系统工程的首站，项目占地面积约4公顷，总建筑面积为8.9万平方米，其中地上建筑面积为5万平方米，地下建筑面积为3.9万平方米。建设内容主要包括：公交立体停车楼、业务办公用房、乘客配套服务设施以及社会小汽车驻车设施等。该中心站建成后，可停18米公交车138辆、12米公交车36辆，微循环车25辆，小汽车551辆，保障副中心通勤需要的同时，为开通北三县常规公交线路奠定了基础，是北京公交集团推进京津冀协同发展战略，践行地面公交城乡一体化发展战略的典范。本工程为钢框架结构（含地下室），地下二层及地下一层外墙柱为劲钢柱，其余为钢柱；总型钢量12000T，平面呈矩形，由圆管柱和H型钢梁组成，跨度最大22米，构件最重21吨，楼板均为组合式桁架楼承板，牛腿与主梁、主梁与次梁连接采用高强螺栓连接方式，高强螺栓为抗扭剪型，级别为10.9级，共约35万余套，3576个牛腿。

2.高强螺栓连接及特点

高强螺栓均采用20MnTiB、15MnVB、40B等低合金高强度钢制造，抗拉强度均在1000N/mm2以上，本工程采用10.9级,材质ML20MnTiB的摩擦型高强螺栓；高强螺栓充分利用了材料的强度，在紧固螺栓时施加了预拉力，从而提高连接节点的承载能力。

摩擦型高强螺栓的工作原理是：通过高强螺栓拧紧后的强大预拉力，把被连接的各层钢板夹紧，依靠连接板各接触面的抗滑移能力来传递荷载，螺栓在工作状态下只承受拉力，不承受剪力。这种连接方式接头刚性好，传力状态圆滑，不会产生应力集中，接近于焊接接头状态；此种接头在重复荷载作用下也不会降低螺栓的拉力，抗疲劳性能好。

3.提高一次穿孔率的对策

3.1优化节点设计

对钢结构连接节点进行优化设计。对于两个梁柱连接节点，连接板外形尺寸一样，但两个节点中响应高强螺栓孔距有很小的差距（≤5mm），此种情况如果完全按照原设计图纸进行施工，安装时候由于两种连接板外形尺寸一模一样，孔距差距又很小，工人极容易将两种连接板混用，混用后势必造成高强螺栓穿孔无法顺利通过或者勉强通过，这样一来，高强螺栓一次穿孔成功率及施工效率都大大降低。为解决这一问题，在钢结构深化设计时，通过有限元内力分析后对此类节点进行优化，优化后的节点即提高了加工及施工效率，又提高了高强螺栓的一次穿孔率，降低了施工难度和节省了施工成本。

3.2加强制作质量控制

1）钢板矫平是保证构件精度一项重要的工序措施。对钢板原材进行钢板校平处理，严禁不经过校平处理的钢板原材直接加工。

钢板校平注意事项 表3-1

2)所有连接板及牛腿钢板采用平面数控钻孔，连接板切割采用精密数控全自动切割，严禁采用火焰切割。连接板、牛腿板、梁头板钻孔画出基准线（面），以基准线（面）进行平面数控钻孔，装配时以此基准线（面）进行安装。

3）在测量好的平台上采用摇臂钻对梁、牛腿、连接板套钻，保证螺栓孔的垂直度。

4)预拼：在组装平台上，将主要部件如主梁、柱子、支撑进行预拼装。预拼装时柱间定位偏差控制在±1mm。

5）放样、切割、制作、验收所用的钢卷尺，经纬仪等测量工具必须经市、部级以上计量单位检验合格。测量应以一把经检验合格的钢卷尺（100m）为基准，并附有勘误尺寸，以便与监理及安装单位核对。

3.2优化柱脚螺栓定位方法

地脚螺栓定位采用全站仪和大钢尺配合并用钢板模具固定地脚螺栓的方式很好的提高了地脚螺栓的预埋精度和效率，方法如下：

1）、地脚螺栓采用全站仪坐标定位，

2）、柱心设置定位钢板，确保轴线准确；

3）、螺栓采用定位钢板，确保间距准确

4）、采用钢尺二次校核；

5）浇筑混凝土时随时监测，浇筑完成后重新复核；

通过以上措施，地脚螺栓安装合格率达到了99.9%，达到精准预埋的效果，如下图所示：

3.3合理安排安装顺序

1）确定合理的安装流水顺序，采用由内到外，由一端到另一端平面内分段推进，以减少安装的累计误差。

2）确定首段首件钢柱基准节安装位置，对首件钢柱初步固定矫正后精调安装的垂直度、标高和定位偏差，紧接着安装相邻的钢柱，并该柱与其相连的钢梁，并用高强螺栓紧固形成稳定框架体系，再依次向外推进完成整段的钢框架。梁柱高强螺栓固定完毕终拧后，再焊接梁柱连接节点，焊接顺序由中间向四周扩散焊接。

3）在主梁安装焊接完毕后紧接着配套安装次梁以及钢支撑及隅撑构件的安装，最后安装楼承板。

3.4减小柱、梁安装偏差的措施

1）钢柱安装后应及时进行垂直度、标高和轴线位置校正，钢柱垂直度可采用经纬仪或者线锤测量，每节钢柱的控制轴线应从基准控制轴线的转点引测，不得从下层柱的轴线引出，校正合格后对钢柱进行可靠固定。

2）安装钢梁前，应测量钢梁两端柱的垂直度变化，还应测量临近各柱因梁连接而产生的垂直度变化，钢梁宜采用两点起吊，吊装就位后立即临时固定连接，然后对钢梁的标高及两端高差采用水准仪与标尺进行测量，校正好之后进行永久性连接。

3）待一区域整体构件安装按成后，应进行结构整体复测。区域梁柱节点焊接应采取两端对称焊接方法，从而减少焊缝收缩引起柱身垂直度变化。

3.5连接板合页连接对正法

1）、将连接板与钢梁的螺栓孔用螺栓临时精确对正；

2）、对正后，将连接板与钢梁采用销轴进行焊接，保证开闭灵活，形成合页式开闭连接，如下图
；

连接板合页式固定 合页式固定连接板安装模型

3）、将连接板与主梁一起吊装至作业面进行安装，对正后关闭连接板，将连接板与柱子牛腿的螺孔对正后用安装螺栓临时固定。精准矫正后再用高强螺栓将安装螺栓替换掉。

此种连接板安装方法，提高了安装精度和效率，保证了一次穿孔成功率。

3.6柱子吊装过程中的监测方法

1）全场统一坐标控制网；

构件安装前两个标段对所有轴线进行校核，确定闭合后再开始安装，提高安装精度。

2）采用全站仪对钢柱安装进行监控；

现场存在多个标段时，要统一对测量仪器进行矫正，使用精度相同且统一校验合格后的全站仪进行轴线定位测量，减少累计误差。

3.7采用BIM模拟预拼技术减小安装误差

在正式组装前，将现场实际数据采集后输入电脑，采用BIM技术进行现场真是情况的三维模拟，对定位问题和累计偏差问题提前进行预控，防止安装造成返工浪费人力、物力，降低安装效率。

步骤如下：

1）三维建模拆分模型图

2）按模型图进行精确定位

3）构件预拼装

构件模拟预拼 ＢＩＭ三维模型拆分定位

4.结语

经过实践验证，通过以上方法有效提高了一次穿孔成功率，由最初的８５％提高到９８.５％，提高了安装效率的同时也提高了安装质量，随着建筑科技手段的进步，高强螺栓安装的控制方法也在不断的进步，本文抛砖引玉，希望给广大同行提供一点参考和借鉴。

参考文献：

[1]《钢结构高强螺栓安装质量控制综述》，竺召伟，中国华东电力集团基建处

[2]《提高钢结构高强螺栓过孔率的有效途径》贾志军，刘庆明，第二十二冶金公司钢结构公司

[作者简介]周志强，北京城建五建设集团有限公司高级工程师，国家一级注册建造师，

晁岱圣，北京城建五建设集团有限公司中级工程师，国家一级注册建造师，

北京市朝阳区安苑东里三区十号100029，电话：010-64895912，E-mail:23903290@qq.com