大跨度鋼桁架施工的安全與質(zhì)量控制

中國(guó)建筑第八工程局有限公司青島分公司 青島 266071

1 工程概況

北京語言大學(xué)綜合樓二期（科研樓、禮堂）工程（以下簡(jiǎn)稱“北語二期工程”）結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，2 座科研樓塔樓之間共有3 榀主桁架與桁架間連梁共同組成空中連廊，上中下三弦頂相對(duì)標(biāo)高分別為45.05 m、41.40 m、37.75 m。弦桿為H750 mm×250 mm×16 mm×24 mm，立柱為H600 mm×250 mm×16 mm×16 mm，局部設(shè)H450 mm×250 mm×14 mm×14 mm斜撐。該工程鋼桁架結(jié)構(gòu)重要性大、施工跨度大、起重量大、起吊高度高，對(duì)于原材料的控制、施工測(cè)量、安裝方案的確定及起重設(shè)備選型、組焊過程中變形與內(nèi)應(yīng)力的控制、焊后矯正、起吊與高空對(duì)接各個(gè)環(huán)節(jié)都提出了較高的要求。

2 原材料的控制

鋼結(jié)構(gòu)工程的原材料主要包括了三大原材料：鋼板、焊材、高強(qiáng)螺栓。通常來說，鋼材w（C）≤0.25%時(shí)，其焊接性良好，同時(shí)S（硫）、P（磷）兩大有害元素的含量均應(yīng)控制在0.04%以下，以便有效降低熱裂及冷裂的發(fā)生概率[1]。本工程桁架用鋼全部為Q345B級(jí)鋼，以上2 點(diǎn)自然全部符合，但是Mn（錳）含量的大小往往容易被忽視，錳在鋼中可與硫形成MnS，其大部分進(jìn)入熔渣，少部分留在焊縫中以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)彌散分布，從而減小了硫的有害作用，提高了抗熱裂傾向，故而應(yīng)保證w（Mn）=1.0%～1.6%。

對(duì)于另外兩大原材：焊材及高強(qiáng)度螺栓——兩者一定要通過送檢復(fù)驗(yàn)來把關(guān)。雖然《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50205—2001）里面第4.3.2提出：“重要鋼結(jié)構(gòu)采用的焊接材料應(yīng)進(jìn)行抽樣復(fù)檢”，而本工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)僅為二級(jí)、焊縫質(zhì)量等級(jí)也為二級(jí)，也許稱不上“重要”，但筆者認(rèn)為：當(dāng)你面對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年的全鋼高空連廊時(shí)，無論站在哪個(gè)角度，焊材的復(fù)驗(yàn)都是理所當(dāng)然的[2]。

這里值得一提的是：在明確了鋼結(jié)構(gòu)原材的控制重點(diǎn)后，作為總承包單位，還應(yīng)當(dāng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼構(gòu)件做焊接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收。很多項(xiàng)目管理人員對(duì)此往往不重視，認(rèn)為只要是有了鋼構(gòu)件出場(chǎng)合格證就沒問題了，其實(shí)在《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 81—2002）第4.6.1條中都有明確規(guī)定，總包單位應(yīng)當(dāng)履行鋼構(gòu)件驗(yàn)收項(xiàng)目，而對(duì)于承受動(dòng)載與抗震的焊接節(jié)點(diǎn)形式，還應(yīng)參照《規(guī)程》第4.7條進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)收[3]。

3 施工測(cè)量

施工測(cè)量本身是個(gè)很龐雜的工作，對(duì)于同一個(gè)施測(cè)目標(biāo)往往有著不同的測(cè)量方法，正所謂殊途同歸。但是萬變不離其宗，滿足“工程測(cè)量精度”才是我們的唯一宗旨。在此，筆者根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)列舉如下幾條要求：

（a）對(duì)于施工測(cè)量，總承包管理人員應(yīng)當(dāng)全程參與，不要停留于“把關(guān)”的舊有思想。因?yàn)闊o數(shù)的工程實(shí)例都一再證明：專業(yè)分包的測(cè)量成果未必正確，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，工程的工期和成本都是承擔(dān)不起的。這就要求總承包單位應(yīng)當(dāng)有自己的專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員，精通測(cè)量理論與實(shí)踐知識(shí)，并能熟練運(yùn)用各種測(cè)量器材。

（b）測(cè)量控制應(yīng)當(dāng)從預(yù)留預(yù)埋開始，重于預(yù)防，必須將過程中的每一次檢查與糾偏做實(shí)。

（c）對(duì)于鋼桁架對(duì)接這種類型的復(fù)核測(cè)量，一定要把實(shí)測(cè)實(shí)量與號(hào)料加工聯(lián)系起來。以下料前復(fù)核的測(cè)量成果來指導(dǎo)鋼材加工尺寸及其它加工要求（如預(yù)起拱）才是事半功倍之舉。

（d）如果下料前的現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但卻無法滿足形位公差要求，則應(yīng)當(dāng)編制偏差處理方案，并交由設(shè)計(jì)單位確認(rèn)后實(shí)施。偏差過大引起的應(yīng)力集中及桁架內(nèi)部受力模型的改變絕非兒戲，總承包單位在無可靠計(jì)算結(jié)果的情況下切不可擅自處理。

4 安裝方案的確定及起重設(shè)備驗(yàn)收

安裝方案的確定要綜合考慮場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)濟(jì)及測(cè)量結(jié)果等因素。就北語二期工程來說，桁架正下方為+5.05 m結(jié)構(gòu)樓板，板厚120 mm，平臺(tái)承載力不具備整體提升的條件，且工期只有30 d，時(shí)間相當(dāng)緊迫，所以最終確定了“按榀組焊、逐榀吊裝、高空整裝”的總體思路，起重設(shè)備選擇了LTM1500-500 t汽車吊。

5 組焊過程中變形與內(nèi)應(yīng)力的控制

所謂組焊原則，就是確定“以控制變形為主”還是“以控制內(nèi)力為主”。以北語二期工程為例，由于HJ1、HJ2、HJ3三榀桁架均是在地面組焊后起吊進(jìn)行高空對(duì)接，且每一榀主桁架都需要與兩端塔樓預(yù)留牛腿對(duì)接上中下三弦，精度要求高，故而應(yīng)當(dāng)“以控制變形為主，以控制內(nèi)應(yīng)力為輔”。該工程中采用的控制變形及焊接應(yīng)力的方法如下：

（a）對(duì)于桁架整體縱向的收縮變形，在下料時(shí)就預(yù)留出上中下三弦主梁的收縮變形的余量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，整體可留余70 mm，高空對(duì)接時(shí)在一端切除多余長(zhǎng)度。

（b）由于主桁架結(jié)構(gòu)截面對(duì)稱、焊縫布置也對(duì)稱，故而先利用定位焊裝配成整體，初步形成整體剛度，然后再輔以固定夾具與拼裝平臺(tái)固定，將整個(gè)桁架組成一個(gè)“剛性框架”。

（c）優(yōu)化施焊順序：整體上從兩頭向中間同時(shí)焊接，隔一焊一；局部里每個(gè)鋼柱與弦梁的連接先焊翼緣焊縫，腹板焊縫留待最后再焊，且翼緣焊縫采取對(duì)角跳焊的方式進(jìn)行。此外，為減小層間焊接應(yīng)力，立柱的焊接宜采取先連接上弦和中弦，再連接中弦和下弦的組焊順序。

（d）應(yīng)采用多層焊縫，每層焊縫厚度為5～6 mm，分層數(shù)越多，每層所用的線能量越小，變形也就越少，但是焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力將會(huì)加大。

（e）采取較低的焊接電流及適當(dāng)?shù)倪\(yùn)弧速度。

（f）錘擊焊縫，在每條焊縫（底層焊道和表層焊道除外）冷卻的過程中，用小錘擊打焊縫，錘擊時(shí)的溫度宜控制在650 °C～800 °C之間（焊縫組織及熱影響區(qū)為暗淡的櫻紅色時(shí)），使焊縫金屬受到鍛打減薄而向四周伸長(zhǎng)，從而抵消一些焊縫的收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。

（g）過程測(cè)量。要對(duì)焊接過程中及焊接終了時(shí)的桁架變形進(jìn)行跟蹤測(cè)量，主要包括長(zhǎng)度伸縮、彎曲變形及上中下三弦間的距離變化，當(dāng)出現(xiàn)與塔樓預(yù)留牛腿相對(duì)位置不符合的偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)矯正。

（h）對(duì)于有斜撐的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部高溫回火，回火范圍為每個(gè)構(gòu)件距離節(jié)點(diǎn)500 mm的范圍內(nèi)，回火溫度控制在650 °C～800 °C之間，保溫時(shí)間按照每毫米厚板4～5 min計(jì)算（由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件有限，均按照1 h執(zhí)行），然后空冷，通常可以將節(jié)點(diǎn)區(qū)域70%～80%的殘余應(yīng)力消除掉，使剩余的殘余應(yīng)力峰值降低，分布趨于均勻（對(duì)于焊縫錯(cuò)綜復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，筆者建議同時(shí)輔以錘擊法，但錘擊時(shí)的溫度一定要在600 °C左右，此溫度為鋼材的力學(xué)熔點(diǎn)，錘擊應(yīng)輕快、稠密、均勻，當(dāng)鋼材冷卻至350 °C左右時(shí)必須停止錘擊，因此溫度通常為鐵素體-珠光體合金組織的藍(lán)脆溫度上限）。

這里筆者要對(duì)第（h）條再作一點(diǎn)說明，很多人會(huì)質(zhì)疑組焊好的其它鋼桁架節(jié)點(diǎn)所殘留的焊接應(yīng)力是否超標(biāo)？這就涉及到了在一個(gè)什么情況下要求進(jìn)行應(yīng)力消除的問題。其實(shí)，某一結(jié)構(gòu)焊后是否要進(jìn)行熱處理，通常由設(shè)計(jì)部門根據(jù)鋼材的性能、板厚、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)取值、結(jié)構(gòu)的制造及使用條件等多種因素綜合考慮后確定。對(duì)于常見結(jié)構(gòu)，既要通過必要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也要分析同類結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期使用中的工作情況，以便確定在什么情況下必須進(jìn)行消除殘余焊接應(yīng)力。

6 焊后矯正[4]

北語二期工程并未涉及焊后矯正工藝，自始至終組焊變形控制良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而對(duì)于一些需要進(jìn)行焊后矯正的工程來說，最常用的矯正方法就數(shù)火焰矯正（或?yàn)樘岣咝识捎盟鸪C正）。在此需要提及的一點(diǎn)是：如果需要使用火焰矯正，一定要弄清楚所用鋼材的矯正參數(shù)，以免不適當(dāng)?shù)奶子脤?dǎo)致鋼材金相組織變化、力學(xué)性能衰減的方法。例如對(duì)于Q345B級(jí)鋼來說，將矯正溫度控制在750 °C左右，力學(xué)性能將幾乎不受影響，即使在進(jìn)行3 次水火矯正后其力學(xué)性能亦無顯著變化，反過來也就是說——超過這一矯正溫度或矯正次數(shù)都是不適宜的。

7 起吊與高空對(duì)接

在起吊與高空對(duì)接階段，需要隨機(jī)應(yīng)變及關(guān)注的問題較多。如在北語二期工程準(zhǔn)備正式起吊當(dāng)天，租賃單位第一次來的汽車吊為GMK6300-350 t吊車，盡管第2天調(diào)換的汽車吊是GMK7450-450 t，且只帶了60 t配重，這與我們?cè)瓉硪蟮?00 t汽車吊相去甚遠(yuǎn)。但倘若舍棄不用，一段時(shí)間內(nèi)或?qū)o起重設(shè)備可用。為此，項(xiàng)目部不得不突破原有論證方案，討論分析GMK7450-450 t汽車吊的適用性。在經(jīng)過對(duì)其站位和起重性能的全面分析，我們決定首先對(duì)它的最危險(xiǎn)起吊工況進(jìn)行持荷觀察。

雖然在實(shí)驗(yàn)后應(yīng)用取得了成功，但這件事也給我們作了一點(diǎn)警示，即任何方案的制訂均不能一廂情愿，一定要有預(yù)案補(bǔ)充，而且在具體的應(yīng)用上還需要管理人員根據(jù)場(chǎng)地情況、客觀環(huán)境和起重設(shè)備的起重性能等綜合考慮：

（a）大跨度鋼桁架的起吊前必須進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)定性驗(yàn)算，避免起吊時(shí)造成桁架的彎扭破壞，如果驗(yàn)算結(jié)果側(cè)向穩(wěn)定性不足，則必須應(yīng)用側(cè)向輔助固定支撐。

（b）對(duì)于周邊建筑環(huán)境或本身造型復(fù)雜的建筑，最好在吊裝前對(duì)吊裝過程進(jìn)行3D模擬，以便有效避免某些不直觀的遮擋磕碰。若一旦起鉤，懸在半空卻又被既有建筑物遮擋而無法逾越將是非常尷尬的事情。

（c）起吊時(shí)必須保證各根吊繩大致均勻受力。故此吊點(diǎn)的設(shè)定及鉤拉原則應(yīng)當(dāng)為：偶數(shù)設(shè)置、隔點(diǎn)拉繩、2 點(diǎn)同繩。另一方面，起鉤后應(yīng)有施工人員上梁“把繩”，確認(rèn)各條纜繩是否均勻受力。

（d）高空對(duì)接時(shí)應(yīng)當(dāng)先臨時(shí)固定一端，再固定留有余長(zhǎng)的一端。臨時(shí)固定要牢固迅速，以適應(yīng)高空對(duì)接的節(jié)奏。例如可以采用臨時(shí)螺栓夾板穿孔固定、臨時(shí)焊接板固定或者兩者兼用。

（e）整個(gè)吊裝過程中應(yīng)保證在汽車吊操控室、兩側(cè)塔樓作業(yè)點(diǎn)及制高點(diǎn)處均有管理人員全程站位監(jiān)控，4 人之間應(yīng)保持通訊暢通，高度協(xié)作。與此同時(shí)，還可以適當(dāng)配備高倍望遠(yuǎn)鏡，以便隨時(shí)觀察吊點(diǎn)及纜繩工況。

8 結(jié)語

鋼桁架安裝工程本身就復(fù)雜多樣，每一個(gè)工程又有自己獨(dú)一無二的特點(diǎn)，它們所包含的知識(shí)涉及到方方面面，絕非幾頁(yè)文章所能道盡，筆者也只能僅就其中的控制要點(diǎn)進(jìn)行淺顯地闡述。但是在大跨度鋼桁架吊裝作業(yè)日趨普遍的今天，作為總承包單位，有必要熟悉掌握其中的知識(shí)及技巧，切不可把這些全都交給專業(yè)隊(duì)伍，只有這樣，方能有效確保施工安全及工程質(zhì)量，不斷提高自身的管理水平。