鋼結構安裝關鍵技術

于培龍，顧典科

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 430103)

1 引言

隨著建筑行業的發展，鋼結構建筑在國內的應用越來越多。鋼結構建筑用鋼梁、鋼柱代替了混凝土立柱及梁板，極大地增加了建筑的跨度和空間，且施工周期短，強度高，抗震性好，但防火性差。鋼結構建筑可采用BIM深化設計，工廠統一加工定制，運至現場裝配式施工，減少現場焊接，保證施工質量。建筑材料可回收利用，減少建筑垃圾，綠色環保。鋼結構在公共建筑的普及應用，更需要加強安裝過程控制，保證公共建筑質量，減少公眾事故的發生，鋼結構安裝中，需重點對原材料、工廠加工、拼裝、焊接、高強螺栓的應用加強質量控制，安裝完成后加強對防火涂料的噴涂厚度及均勻性控制，保證鋼結構的耐火極限。只有加強鋼結構安裝關鍵技術的研究和過程管控，才能保證鋼結構的安全和耐久性，保證公眾的安全。

2 鋼結構的特點

2.1 強度高

鋼結構抗拉、抗壓強度高，與混凝土相比，其密度、屈服強度的比值相對較低，同等受力條件下，鋼結構材料自重輕，截面面積小，便于安裝運輸，占用空間小，可有效增加建筑凈高和空間[1]。同時材料的高強度可用于跨度大、層高較高的結構。

2.2 結構可靠

鋼材內部組織結構均勻，近于各向同性均質體，構件既可抗拉又可抗壓。鋼結構的可塑性和韌性較大，與承載力相適應，沒有斷裂的現象，且鋼結構具有良好的適應性，結構安全可靠。

2.3 工廠化程度高

鋼結構可在工廠統一加工生產，焊接、防腐防銹可在工廠內完成，質量可靠。構件統一加工編碼后可直接運輸至現場拼裝，螺栓連接，減少現場焊接，施工周期短。

2.4 耐腐蝕性差

鋼結構在潮濕環境和腐蝕環境中，容易銹蝕，影響結構耐久性。鋼結構建筑要加強防銹、防腐處理，且要定期維護，減少銹蝕。

2.5 耐火性差

鋼結構在150 ℃內，材料性質變化較小，但超過150 ℃，尤其在300～400 ℃時，鋼材強度和彈性模量均顯著下降，溫度超過550 ℃時，鋼材屈服強度大約下降至正常溫度時屈服強度的0.7，結構即達到它的強度設計值而可能發生破壞。在公共建筑中，必須加強鋼結構的消防設計和維護，減少火災、短路等事故的發生[2]。

2.6 綠色環保

鋼結構安裝過程中，建筑垃圾、粉塵污染少，噪音小，且鋼結構可回收利用，符合國家可持續發展的戰略[3]。

3 鋼結構安裝關鍵技術

3.1 基礎預埋件施工

鋼結構基礎施工需重點關注預埋螺栓的質量控制。預埋螺栓施工時，易出現軸線偏差、位移等問題，施工時，需加強測量定位工作，保證預埋件軸線一致，螺栓定位準確，可采用焊接鋼筋固定在基礎鋼筋籠上，上部增加定位模板，減少位移。混凝土澆筑前，對螺栓絲扣采取保護措施，防止被混凝土漿液污染，影響絲扣功能[4]。鋼結構安裝前，基礎混凝土強度需達到設計強度75%以上。

預埋螺栓如果出現偏差，采用氧乙炔將螺栓烤紅掰彎，再用鋼板焊接加固，若位移偏差過大，增設新的預埋螺栓，采用搭接焊接加固，保證搭接長度，同時采用鋼板加固。

3.2 體系轉換及施工安全措施

鋼結構安裝施工先施工立柱，再施工縱橫向鋼梁，由單根立柱逐漸轉換為框架體系，故施工過程中，形成框架體系前，鋼結構易受外力影響，產生傾覆事故。為保證施工作業期內安全，鋼立柱安裝后需盡快架設橫梁，形成體系，否則采用加固措施，防止立柱傾覆造成安全事故[5]。同時，鋼立柱安裝后，下部基礎受調平螺栓影響，未坐落在混凝土基礎上，單存靠螺栓支撐，為保證施工安全，需在鋼板下架設鋼墊片，防止因螺栓出現滑絲情況導致傾覆。

鋼結構分區分塊施工，分區內形成框架體系后進行基礎C40微膨脹細石混凝土的灌注，灌注過程中為保證灌注密實，可提前在鋼立柱基礎上預留φ10排氣孔，確保鋼板下灌注氣泡。

為減少施工誤差，鋼結構安裝時，采用先安裝中央區域，逐步向周邊擴展的順序施工，減少因個別鋼柱施工的誤差引起的累計誤差[6]，確保鋼結構橫梁能夠順利安裝。

高強螺栓施工時，盡量避開降雨天氣，否則應加快將高強螺栓終擰完畢。高強螺栓施工前，先進行摩擦面的檢查，如果有浮銹、油、涂料、殘渣等降低摩擦面承載力的附著物時，采用金屬刷、砂紙清除干凈[7]。螺栓穿孔時，禁止強行打入孔內，以免損傷螺紋。螺栓初擰完成后，采用記號筆對螺帽、墊片及構件進行標記，然后采用專用緊固扳手進行鎖緊，直至縮頸處斷裂，終擰順序為中央到端部。當天插入的螺栓原則上當日終擰完畢(圖1)。

圖1 鋼立柱柱腳加固

3.3 防火涂料

鋼柱為厚層防火涂料，受環境溫度、濕度、陽光、水淋、振動等影響，易產生空鼓、開裂、脫層現象，為保證防火涂層施工質量，需要薄層分多次噴涂，同時留足間歇時間，保證底層水分蒸發完畢，減少開裂[8]。厚層防火涂料每層噴涂厚度約為8～10 mm，間隔10～12 h噴涂下一層，同時在涂料中添加鋼絲網或聚乙烯醇纖維，減少涂料的開裂。

4 花垣縣城南農貿市場鋼結構安裝應用

4.1 工程概況

農貿市場位于湖南省湘西州花垣縣城南社區，用地范圍內南北長約117 m，東西寬104 m。建設用地面積為12196.26 m2，計容面積為7613.90 m2，建筑高度9.80 m，為單層公共建筑，整體為鋼結構，農貿市場下為一層地下停車場，框剪結構。

本工程鋼結構設計年限50年，結構安全等級為二級，防火等級為二級。主體鋼結構材料采用Q345B鋼，梁梁、梁柱連接高強度螺栓采用大六角頭摩擦型高強度螺栓，強度等級為10.9S，檁條與檁托板、隅撐的連接等次采用普通螺栓[9]。

所有鋼構件出廠前鋼構件應進行防銹防腐涂裝。構件表面涂刷無機富鋅防銹漆二遍，噴涂丙烯酸面漆二遍。其中梁柱面漆涂裝防火涂料，柱耐火極限為2.5 h，梁、屋面水平支撐、系桿為1.5 h。

4.2 施工工藝流程及控制要點

4.2.1 施工工藝流程

鋼結構BIM深化設計—工廠加工—地下室頂板加固—鋼結構安裝—防火涂料施工—驗收。

4.2.2 控制要點

4.2.2.1 鋼結構BIM深化設計

本工程農貿市場鋼結構為不規則五面斜坡屋頂，屋面坡度5%，屋面高程的變化導致所有梁柱都略有不同，為保證工廠加工質量，減少偏差，本工程采用tekla建模進行深化設計(圖2)，將所有構件的連接節點、螺栓數量、構件細節進行細化，三維模擬預拼裝，保證構件的精度及尺寸。工廠采用tekla輸出的構件參數進行編號、分批加工，分批運至施工場地存放。

圖2 BIM深化設計

4.2.2.2 地下室頂板加固

本工程吊裝采用中聯JQZ25V汽車吊進行吊裝，吊裝構件最大重量1.5 t，最大吊裝半徑22 m，根據現場實際情況，在地下室頂板選出4塊區域作為吊車在頂板上進行吊裝施工的工作區域，其余四周未覆蓋部分由吊車在頂板之外進行吊裝。施工道路寬按地下室柱網8.1 m跨度，下部加強支撐架立桿縱距0.6 m，橫距0.4 m，步距1.5 m，鋼管架加強支撐范圍每側邊超出1.0 m，以確保安全。吊裝時，安裝技術人員現場監管、交底，確保加固區域內吊裝(圖3)。

圖3 地下室頂板加固

4.2.2.3 鋼結構安裝

(1)地腳螺栓(預埋件)安裝。地腳螺栓安裝應該在柱頂鋼筋綁扎完成后進行。第一步，先行定位出地腳螺栓在鋼筋區的位置，且將各個錨栓位置標記在鋼筋綁扎區；第二步，將錨栓支架分別放入柱子鋼筋區已標記好的位置，再放上地腳螺栓(地腳螺栓放入前標示出十字線中心，保證安裝時十字線中心與坐標中心重合)；第三步，根據地腳螺栓坐標確定錨栓的坐標及標高；第四步，復核準確無誤后將錨栓與下部鋼筋焊接定位，且用φ16鋼筋臨時固定焊接。地腳螺栓安裝示意圖如圖4。

圖4 地腳螺栓安裝

(2)鋼柱安裝施工。鋼柱安裝按照中間至周邊的施工順序安裝，減少安裝誤差引起的累計偏差。鋼柱吊裝時可利用鋼柱頂部連接耳板孔作為吊裝孔，底節鋼柱吊至距基礎上方200 mm時，使其穩定，對準螺栓孔，緩慢下落，下落過程中避免磕碰地腳螺栓絲扣[10]。落實后用角尺檢查，調整鋼柱使鋼柱的定位線與基礎定位軸線重合。

鋼柱就位后首先檢查鋼柱四周中心線與基礎十字軸線是否對齊吻合，即用直尺將鋼柱四方中心線延長到對齊，四邊兼顧，當對準或已使偏差控制在規范許可的范圍內時，即為完成對位工作。然后對鋼柱進行臨時固定，即采用四方向拉設纜風繩的方法，如受環境限制不能拉設纜風繩時，則采取在相應方向上做硬支撐的方式(在柱子1/2范圍以上采用斜撐進行支撐固定)，進行臨時固定及校正。

鋼柱就位標高采用預先在柱底中心設置鋼板墊塊(墊塊頂標高為柱底標高)，鋼柱就位后垂直度調整完畢，緊固調整螺母使其與柱底接觸緊密，如圖5所示。鋼柱調整到位后，應對稱緊固地腳螺栓螺母，將墊板與柱底板按要求進行焊接，螺母與墊板點焊牢。墊板焊接完畢后即可由土建單位進行柱底灌漿工作，灌漿液采用細石混凝土。

圖5 鋼立柱安裝加固

(3)鋼梁安裝。主梁兩端均與鋼柱以高強螺栓加焊接的形式連接(腹板高強螺栓連接，翼緣板全熔透焊接)，二層梁最大長度約為15.6 m，最大吊裝重量為1.1 t，吊裝采用單根兩點吊裝法，屋面鋼梁最大長度約為15.6 m，最大吊裝重量為1.1 t，吊裝采用單根四點吊裝法；選用JQZ25V型汽車吊裝，滿足吊裝要求，起重機械性能表同鋼柱吊裝性能表。吊裝順序按1-2-3-4區域進行，吊裝時構件先堆放在場地四周，待吊車到達指定工作區域以后，由場外吊車轉運至場內吊車吊運范圍內的加固區域，供場內吊車進行吊裝。吊裝時，頂板加固區域鋼梁需等其余部分吊裝完成后，再進行加固區域鋼梁吊裝。

吊裝平面如圖6所示。

(4)高強螺栓安裝。本工程鋼架構件鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間現場連接采用10.9級摩擦型高強螺栓連，其螺栓規格為M20，高強螺栓結合面不得涂漆，采用噴砂處理法，摩擦面抗滑移系數不小于0.45。高強螺栓的預拉力P=155 kN。安裝具體要求：鋼梁已經吊裝到位，校正合格后應及時進行高強度螺栓的施工。高強螺栓嚴禁強行穿入。當不能自由穿入時，可用鉸刀進行擴孔。擴孔前，應首先將四周螺栓全部擰緊，使板迭密貼緊后再進行鉸孔。擴孔數量不得超過一個接頭螺栓孔數的25%，擴孔直徑不得大于原孔徑1.2倍。嚴禁用氣割進行高強螺栓的擴孔工作。嚴格按照從中間向四周擴展的順序，執行初擰、(復擰)、終擰的施工工藝程序，嚴禁一步到位的方法直接終擰。要求初擰、復擰、終擰在24 h內完成。終擰后應及時涂防銹漆。高強螺栓超擰應更換并廢棄換下來的螺栓，不得重復使用。

圖6 鋼結構吊裝及安裝順序

(5)焊接施工。根據母材材質、結構形式，現場安裝焊接采用二氧化碳氣體保護焊(GMAW)，高空組裝焊接采用手工電弧焊(SMAW)或二氧化碳氣體保護焊(GMAW)。

焊材及焊接方法具體選用見表1。

保護氣體為CO2，純度99.98%(露點不大于—40 ℃)，焊接材料采用氫含量較低的焊材。焊接材料的選用原則與母材強度等強，焊接不同類別的鋼材時，選用與強度級別較低母材相匹配的焊材。

表1 焊材及焊接方法

(6)涂裝施工。鋼結構涂裝工程應在鋼結構安裝工程檢驗批和鋼結構普通涂料涂裝檢驗批的施工質量驗收合格后進行。涂裝工藝、涂裝遍數、涂層厚度等均應滿足相關國家規范、標準及設計要求。待涂表面應清潔、干燥且無染物。涂裝前根據GB50221的要求進行表面處理，確保底漆已完全固化。中間漆施工前,必須確保底漆涂層完整，任何破損、漏涂或返銹區域均不允許進行環氧中間漆的施工。底漆、中間漆及面漆均為雙組分產品，施工單位應嚴格按照制造商提供的施工工藝進行實施，超過混合使用期的產品不得繼續使用。油漆供應商提供持有NACE 2級認證的現場技術服務協助油漆施工和檢查。涂裝完成后漆膜表面應光潔，厚度均勻，無皺皮、流墜、針眼、氣泡、脫皮、返銹等。構件表面不應漏涂、誤涂。若涂裝過程中前道漆膜受損或其他原因使得漆膜的質量不能保證或難以保養，則應去除漆膜，使鋼材表面恢復原狀后重新按照正確的工藝步驟進行涂裝。

4.3 應用效果

花垣縣農貿市場鋼結構施工采用tekla三維建模深化設計，優化節點，輸出構件加工表供工廠加工，場內加工后運輸至現場，按照三維模擬拼裝順序進行裝配式施工，極大的減少了現場焊接及切割，工期大幅度縮減，連接節點質量可靠。工程完工至今，已運營約1年，受到業主及花垣縣居民好評(圖7)。

圖7 農貿市場鋼結構完工效果

5 結論與討論

鋼結構施工過程中受很多外界環境因素影響，需根據環境特點明確關鍵因素，有針對性解決施工難題，確保施工質量。為保證鋼結構的施工質量和安全，需要加強鋼結構的三維深化設計、虛擬預拼裝及現場安裝工藝，加強對管理人員、焊接人員、安裝人員的培訓交底，從鋼結構BIM設計、地腳螺栓安裝、鋼柱安裝施工、鋼梁安裝、高強螺栓安裝、焊接施工等方面控制好施工工藝流程，加強對安裝過程的管控和監督，提高鋼結構的施工質量，保證鋼結構建筑的耐久性和安全性。