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连栋温室常见柱脚连接方式探析
来源:未知 时间:2016-12-12
连栋温室
  据温室设计厂家了解,与传统的日光温室相比,连栋温室具有施工速度快、土地利用率高、工厂化生产程度高、室内温光环境均匀等优点,易于实现标准化设计和管理。此外,连栋温室具有外型美观、内部方便分区管理的特点,除用于花卉、蔬菜、水果种植外,还广泛用于科研、生态餐厅、花卉展销市场、观光展示、种苗繁育、特种养殖等。从国内外设施农业发展情况看,现代化智能连栋温室代表了设施农业最高水平。 
  不少温室从业人士常比较连栋温室单位面积用钢量,但讨论温室连接节点的并不多见。连栋温室属于轻钢结构类型,连接节点很多,节点设计和施工质量的好坏对温室使用寿命影响很大,因此连接节点的设计和施工是温室工程中的重要内容。工业与民用建筑钢结构设计理念是在满足承载力要求的前提下,做到强节点弱构件,即要使节点的承载力大于构件的承载力,以保证构件先于节点破坏。节点设计合理对国家来讲可以节约资源,对施工单位来讲可降低成本,也是一种隐形的利润。从一些倒塌的温室看,固然有风、雪等荷载过大的外在自然因素,但或多或少存在节点处理不好的内在因素。 
  连栋温室柱脚连接节点是主要节点之一,常见的柱脚连接节点有很多连接方式,均是设计单位根据温室类型、尺寸、各种荷载、施工单位习惯做法等因素确定的。本文将对实际中见到的柱脚节点连接方式从施工工艺特点、优缺点等方面进行简单分析。 
  连栋温室柱脚连接方式分类 
  连栋温室柱脚连接方式根据受力计算分为两种,即刚接(固结)和铰接。两者区别是:刚接除了能承受轴心压力和水平剪力外,还能承受弯矩,铰接仅能承受轴心压力和水平剪力,立柱可自由转动,不能承担弯矩。对于基础以上部分完全相同的连栋温室,刚接柱脚的基础大于铰接柱脚。半刚性连接则介于二者之间,在设计规范中并没有反映出来,也就是在施工中做半刚性连接的理论依据还不是很成熟,业内也尚未达成共识。 
  连栋温室柱脚常见连接方式 
  立柱与预埋螺栓(扁钢)连接 
  施工方法为基础顶部有预埋螺栓(扁钢),立柱底板(立柱根部)有安装孔,现场直接紧固即可,是目前最常用的连接方式。按预埋螺栓的数量又有以下几类: 
  ◆ 1个预埋螺栓(有的采用预埋扁钢) 
  我国从荷兰引进的很多温室和部分国内温室施工单位采用此种连接方式,文洛型温室最为常见,见图1。此种方式是基础内预留预埋螺栓(扁钢),一次施工完毕,基础顶部标高即为立柱底部标高,立柱底部与混凝土基础直接接触,传递荷载,为典型的铰接方式。由于立柱不承受任何方向的弯矩,安装时需要和桁架等构件预先在地面拼装,形成龙门架后立起来,再与预埋螺栓角钢固定。 
  采用此种方式,在正常情况下,现场无焊接作业,对钢构件镀锌层无影响,真正实现工厂化生产,现场组装。但其对基础施工质量要求很高,因连栋温室一般建设面积较大,室内立柱很多,基础施工完毕后,立柱在水平方向调整余量很小,钢结构安装过程中可能立柱水平方向尺寸累积误差很大,甚至超出要求很多,受上部钢结构的限制,最后安装的部分立柱无法安装,只能把基础挖出(主要是独立基础)重新定位或者重新进行基础施工,严重影响工期,见图2。其次,基础顶面实际标高偏差超出设计标高要求时不好调整,如基础顶面实际标高高于或低于设计标高时,施工单位应把基础挖出,降低或提高基础顶面标高。但基础顶面实际标高低于设计标高时,有施工单位为图省事,用水泥砂浆调整标高,从外观上看似乎达到了标高要求,实际上水泥砂浆在此处的副作用显而易见,混凝土基础顶面与立柱底部为间接接触,无法作为立柱的直接支承面,无法保证将上部结构传来的荷载准确地传递给基础,有可能造成立柱失稳,导致温室倒塌,见图3。 
  ◆ 2个预埋螺栓(有的采用2个钢膨胀螺栓) 
  此种连接方式虽可承受一个方向的一定弯矩,但承载能力很小,应视为铰接方式,其特点与1个预埋螺栓基本相同,见图4。国外引进的一些文洛型温室,立柱在条形基础上使用钢膨胀螺栓固定,但基于国内基础施工水平和相关标准对钢膨胀螺栓的使用场合规定,在温室中是否采用钢膨胀螺栓应有足够的理论计算或实践验证。 
  ◆ 4个地埋螺栓 
  此种连接方式与民建的轻钢结构施工方法类似,基础分两步施工,见图5。国内某施工单位根据温室内立柱多的特点,创造了独特的施工方法,即根据温室跨度和开间数量,配备一定数量的工艺安装板,板上已划出安装纵横十字线,且板上孔大小和位置与立柱底板安装孔完全一致,板定位时上下表面都有螺母,上表面4个螺母用于固定立柱底板,下表面4个螺母用于调整工艺安装板标高,板底面标高即为立柱底板标高。 
  施工顺序为:验槽并进行地基处理后,以天沟方向相邻几个轴线的基础为一组,以组为单位进行施工,每组所有立柱位置留预埋螺栓,并安放1个工艺安装板。混凝土浇筑前定位工艺安装板中心位置和标高,并用工艺安装板下面的某一个螺母作为立柱底部标高标记(这个螺母在后续施工过程中始终保持固定,其余3个螺母均可用于微调,主要是调整立柱垂直度),工艺安装板中心位置和标高在混凝土浇筑时要求保持不变。第一次浇筑混凝土时,要求混凝土顶面标高低于设计标高40~60 mm,回填土作业完成后撤走所有工艺安装板,用于下一组基础的施工定位,直至基础第一次浇筑全部完成;将所有立柱、天沟、桁架等主要构件全部安装就位并检验合格后,用细石混凝土进行二次浇注,将立柱底板与基础顶面之间的空隙填实。 
  此种连接方式相当于半刚性连接,可承受两个方向的一定弯矩,立柱可独立安装,再安装其他构件,安装效率高。使用工艺安装板施工的优点是,标高容易调整;工艺安装板上孔大小和位置与立柱底板安装孔完全一致,任何时候都可保证在一组预埋螺栓群内任意两个预埋螺栓的中心距离不会发生变化,只要保证工艺安装板水平方向位置准确即可;工艺安装板还可重复使用;以组为单位顺序施工,基础施工人员可分为两组,一组为技术工人,主要进行预埋螺栓的施工,工作重点是控制工艺安装板位置准确,另一组为普通工人,可进行回填土等简单作业,两组人员实现流水作业,实现劳动力合理调配,连栋温室面积越大,效率优势越明显。缺点是如果水平方向偏差超过要求时不好处理,只能采用与1个预埋螺栓方式相同的处理办法,或者把预埋螺栓高于立柱底板部分气割掉,设法利用搭接法将立柱底板焊接在预埋螺栓的剩余螺杆上。
  ◆ 4个地埋螺栓和预埋钢板于一体 
  此种连接方式是4个预埋螺栓和1个预埋钢板于一体,提前在工厂焊接为一个整体,在现场一次浇筑到位,预埋钢板顶部标高即为立柱底部标高,见图6。此种连接方式相当于半刚性连接,可承受两个方向的一定弯矩,立柱可独立安装,再安装其他构件,安装效率高。当钢结构安装后期,安装积累误差超过要求时,把预埋螺栓露出预埋钢板部分气割掉,立柱与预埋钢板焊接,对水平方向偏差较大时可有一定的适应性。预埋钢板实际标高偏差低于设计标高要求时,可加钢板调整。缺点是如果预埋钢板实际标高高于设计标高,则不好处理。 
  立柱与预埋钢板现场焊接 
  施工方法为基础顶部留有预埋钢板,无预埋螺栓,预埋钢板上表面标高即为立柱底部标高,一次浇筑到位,立柱底板和预埋钢板现场焊接,见图7。优点是立柱轴线位置在水平方向偏差较大时可有一定的调整,预埋钢板标高为负偏差,立柱安装时可在预埋钢板上加薄钢板调整,采用此种方式主要原因是因为基础施工质量较差。缺点是如果预埋钢板实际标高高于设计标高,则不好处理;采用现场焊接,原有镀锌层被破坏,同时还影响焊接质量,焊后需要进行二次防腐处理,防腐效果比热浸镀锌差。温室立柱壁厚大多在2.5~4 mm之间,如果立柱底部没有焊接钢板,直接与预埋钢板焊接,对立柱底部性能影响更大,如果立柱底部焊有厚钢板,厚钢板直接与预埋钢板焊接,焊接作业只是破坏厚钢板的镀锌层,对立柱本身性能无影响,相比而言焊接厚钢板要好的多,但还是无法解决二次防腐的问题。十几年前建设的连栋温室肩高在4 m左右、开间4 m居多,立柱截面尺寸、高度、质量都不大,此种方式施工比较方便。近几年,由于景观温室、生态温室餐厅、展销温室等各种用途的温室兴起,温室建设普遍向高大化发展,肩高达到6 m、8 m,有的甚至超过10 m,开间方向也在加大,达到8 m甚至更大,温室内立柱减少,导致立柱截面尺寸、质量比原有立柱大很多,而温室钢结构施工很少使用大型机具,立柱固定时稳定性变差,施工存在危险性。 
  连栋温室钢结构安装采用螺栓连接,现场组装,业内有一种观点认为,与柱脚采用焊接相比,柱脚采用预埋螺栓更方便拆除,异地重建。但笔者认为此观点值得商榷,首先是为什么要异地重建,笔者认为非技术因素可能是造成异地重建的原因,如商务纠纷、市场变化、经营管理不善、缺乏规划等,有的是不得已而为之,有的是有意而为之。其次是拆迁成本,如果施工阶段需要异地重建,造成的损失要少一些,但一定是某个方面出现问题。如果连栋温室已经使用几年或十几年以上,或许得不偿失。基础、混凝土地面及水池等无法移走,只能产生建筑垃圾;按近几年的行情看,钢结构部分的造价约每平方米一百多元,占温室总造价比例不高,螺栓等连接件会有锈蚀,拆除不一定容易,且拆除作业对构件会产生变形等伤害,尤其是温室大量采用自攻自钻钉现场施工,如温室构件之间连接、塑料温室卡槽与温室构件、玻璃温室及阳光板温室铝合金与温室构件连接、供水管线、供电线槽固定、很多温室设备系统的小部件固定等,对钢构件的伤害甚大,异地重建对第1次伤害无法进行修复,还会造成二次伤害;供水、供暖、供电、灌溉管线等,经过几年使用,拆除后能否重复利用有待考证;对于温室上应用最广的3种覆盖材料,塑料薄膜本身几年一换,不存在拆除问题,玻璃如果拆除、二次运输安装,破损问题无法避免,阳光板现有常见的固定方式除采用铝合金型材外,也大量使用自攻自钻钉钻孔后与钢构件直接固定,决定了不应进行拆除和二次利用。综合看,连栋温室异地重建于国于民无利,从这个角度看柱脚采用预埋螺栓连接和焊接相比无优势可言。从技术角度看温室钢结构常年处于高温高湿的环境下,对防腐的要求很高,钢构件采用热浸镀锌防腐处理工艺,现场组装,柱脚采用焊接作业,防腐性能变差,因此基础施工质量如果能够得到保证,采用预埋螺栓连接方式应优于采用焊接方式。 
  预埋钢管 
  此种方式国内应用较少,一般应用于连栋塑料薄膜温室,对基础施工的精准度要求低,见图8。施工方法为:预埋钢管与基础同时施工,预埋钢管比立柱直径稍大,或者与立柱直径相同,预埋钢管进行缩径处理,立柱根部和预埋钢管都留有螺栓孔,立柱插入后用螺栓固定。 
  此种方式可铰接或刚接,我国农业行业标准规定,传递弯矩的预埋钢管要保证上部钢柱插入预埋钢管的有效深度不小于预埋钢管外管径的4倍,上部钢柱与预埋钢管间隙不大于2 mm。 
  立柱与基础一体化施工 
  此种连接方式为刚接,施工方法为立柱与基础同时施工,养护到一定强度后再安装天沟等构件。此种连接方式应用不多,多应用于连栋塑料薄膜温室,对基础施工的精准度要求低。由于立柱与基础浇筑为一体,施工完毕后固定不动,天沟作为连接构件在空中顺延连接一直到两端山墙,如天沟方向立柱间距累积误差超出要求,山墙会出现倾斜,很难调整。图9为某施工工地采用立柱与基础一体化施工。正常施工应先支模板,再浇筑混凝土,最后分层回填土,且夯实,保证一定的压实系数。实际施工过程中施工单位偷工减料,直接挖坑,然后浇筑混凝土,但遗憾的是挖坑很随意,毫无章法,基坑形状、大小不一,上大下小,导致每个基础尺寸、形状、砼用量都不同,温室抗倾覆能力极差,甚至出现钢结构施工完毕而塑料薄膜尚未覆盖就被大风吹倒的悲剧,属于典型的豆腐渣工程,教训极其深刻。 
  基础施工注意事项 
  目前,我国连栋温室钢结构构件完全实现了工厂化生产,构件加工误差可控制在比较好的水平,而基础为现场施工,受诸多因素影响,施工质量不尽人意。《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-2001对基础支撑面和预埋螺栓位置允许偏差规定为主控项目,要求验收时全部合格。与工业与民用建筑钢结构相比,温室室内立柱更多,基础施工属于隐蔽工程,质量控制更为重要,我国农业行业标准《温室地基基础设计、施工与验收技术规范》NY/T 1145-2006对基础施工做了详尽的规定,是在征求国内温室设计、施工、监理单位意见后编制的。施工单位只要精心施工,完全可以实现基础施工质量达到该标准要求,保证温室后续安装工程顺利完成。针对一些在温室施工和使用中看到的问题,建议业内相关人士,在温室设计和施工时需要考虑如下注意事项。
  防止柱脚被水浸泡和湿润土壤包围 
  温室用于种植时,如果柱脚标高与室内种植地面基本相同或高出很少,或者业主自行把种植地面提高,灌溉时柱脚难免处于潮湿状态;一些用于参观展示的温室,处于美观性考虑,把温室常用的外漏式柱脚藏到水泥地面以下;一些温室内设置有景观水池和景观花坛,柱脚被水浸泡或被花坛围住,这些做法都会造成柱脚锈蚀,影响温室钢结构使用寿命,见图10。正确的做法是设计时柱脚标高高于室内种植地面,一般高300~500 mm,或者对柱脚进行混凝土包脚处理,见图11;用于参观展示的温室,尽量保证室内柱脚高于地面,且不低于100 mm,可在柱脚周围摆放花盆等措施弥补美观缺陷,如果无法避免柱脚藏到水泥地面以下,亦应该对柱脚进行混凝土包脚处理,厚度不少于50 mm,高于地面不少于150 mm;对于在景观水池中的立柱,柱脚标高应至少高于水面200 mm,禁止被水浸泡,对于在景观花坛中的立柱,应先进行混凝土包脚处理,再填充种植土壤,包脚应高出种植土壤200 mm以上。 
  施工时保护好预埋螺栓的螺纹 
  在浇筑混凝土前,有螺纹的部分涂抹适量的黄油,防止锈蚀,并用塑料布包裹,以避免混凝土浇筑时砂浆影响螺纹,导致安装时螺母不易拧入;钢结构安装时,要防止立柱、桁架等构件水平侧向冲击力撞伤地脚螺栓螺纹;立柱底板垂直对准预埋螺栓后,再缓缓下落就位。 
  钢结构安装与基础施工协调配合 
  由于我国幅员辽阔,连栋温室与民用建筑相比,具有专业性强的特点,少数温室施工单位可做到全部工程施工,对基础施工质量可以做到很好。但大部分温室施工单位只负责地上部分施工,基础施工交由项目所在地土建施工单位,有的土建施工单位对温室特点不甚了解,对基础施工质量控制不严,甚至用没有资质的施工队进行施工,人员水平参差不齐,或没有看懂图纸或没有领会图纸要求,凭经验施工,给后续的钢结构、覆盖材料及设备的安装带来很大的麻烦。如个别基础支撑面标高和预埋螺栓位置偏差甚至超过了 
  100 mm;温室大多通过基础找坡,有施工单位将基础标高做成相等或波浪形,造成返工;图9所示的施工质量之差,非亲眼所见,否则无法想象会有这种现象发生,而且此类施工质量在不同的工地均会发生。因此温室设计或施工单位在基础施工之前,应与土建施工单位交底或强调,哪些工作内容需要重点注意;土建施工过程中最好派技术人员进驻现场,对关键环节施工进行指导与把控;《温室钢结构安装与验收规范》NY/T 1832-2009规定了温室钢结构安装应在温室地基基础验收合格后进行,温室施工单位在安装钢结构前应在接收基础验收材料的同时,对基础进行全方位的复核,取得真实有效的数据,做到心中有数,提前做好纠偏措施。通过各项管理措施,避免温室后续施工过程中产生不必要的麻烦。 

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