鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)

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(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑在國內(nèi)的應(yīng)用越來越多。鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高，抗震性好，但防火性差。鋼結(jié)構(gòu)建筑可采用BIM深化設(shè)計，工廠統(tǒng)一加工定制，運(yùn)至現(xiàn)場裝配式施工，減少現(xiàn)場焊接，保證施工質(zhì)量。建筑材料可回收利用，減少建筑垃圾，綠色環(huán)保。鋼結(jié)構(gòu)在公共建筑的普及應(yīng)用，更需要加強(qiáng)安裝過程控制，保證公共建筑質(zhì)量，減少公眾事故的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)安裝中，需重點(diǎn)對原材料、工廠加工、拼裝、焊接、高強(qiáng)螺栓的應(yīng)用加強(qiáng)質(zhì)量控制，安裝完成后加強(qiáng)對防火涂料的噴涂厚度及均勻性控制，保證鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。只有加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)的研究和過程管控，才能保證鋼結(jié)構(gòu)的安全和耐久性，保證公眾的安全。

2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1 強(qiáng)度高

鋼結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓強(qiáng)度高，與混凝土相比，其密度、屈服強(qiáng)度的比值相對較低，同等受力條件下，鋼結(jié)構(gòu)材料自重輕，截面面積小，便于安裝運(yùn)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(qiáng)度可用于跨度大、層高較高的結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)可靠

鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，近于各向同性均質(zhì)體，構(gòu)件既可抗拉又可抗壓。鋼結(jié)構(gòu)的可塑性和韌性較大，與承載力相適應(yīng)，沒有斷裂的現(xiàn)象，且鋼結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.3 工廠化程度高

鋼結(jié)構(gòu)可在工廠統(tǒng)一加工生產(chǎn)，焊接、防腐防銹可在工廠內(nèi)完成，質(zhì)量可靠。構(gòu)件統(tǒng)一加工編碼后可直接運(yùn)輸至現(xiàn)場拼裝，螺栓連接，減少現(xiàn)場焊接，施工周期短。

2.4 耐腐蝕性差

鋼結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境和腐蝕環(huán)境中，容易銹蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性。鋼結(jié)構(gòu)建筑要加強(qiáng)防銹、防腐處理，且要定期維護(hù)，減少銹蝕。

2.5 耐火性差

鋼結(jié)構(gòu)在150 ℃內(nèi)，材料性質(zhì)變化較小，但超過150 ℃，尤其在300～400 ℃時，鋼材強(qiáng)度和彈性模量均顯著下降，溫度超過550 ℃時，鋼材屈服強(qiáng)度大約下降至正常溫度時屈服強(qiáng)度的0.7，結(jié)構(gòu)即達(dá)到它的強(qiáng)度設(shè)計值而可能發(fā)生破壞。在公共建筑中，必須加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計和維護(hù)，減少火災(zāi)、短路等事故的發(fā)生[2]。

2.6 綠色環(huán)保

鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，建筑垃圾、粉塵污染少，噪音小，且鋼結(jié)構(gòu)可回收利用，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略[3]。

3 鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)預(yù)埋件施工

鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工需重點(diǎn)關(guān)注預(yù)埋螺栓的質(zhì)量控制。預(yù)埋螺栓施工時，易出現(xiàn)軸線偏差、位移等問題，施工時，需加強(qiáng)測量定位工作，保證預(yù)埋件軸線一致，螺栓定位準(zhǔn)確，可采用焊接鋼筋固定在基礎(chǔ)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(hù)措施，防止被混凝土漿液污染，影響絲扣功能[4]。鋼結(jié)構(gòu)安裝前，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度需達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度75%以上。

預(yù)埋螺栓如果出現(xiàn)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(shè)新的預(yù)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(zhuǎn)換及施工安全措施

鋼結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為框架體系，故施工過程中，形成框架體系前，鋼結(jié)構(gòu)易受外力影響，產(chǎn)生傾覆事故。為保證施工作業(yè)期內(nèi)安全，鋼立柱安裝后需盡快架設(shè)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(chǔ)受調(diào)平螺栓影響，未坐落在混凝土基礎(chǔ)上，單存靠螺栓支撐，為保證施工安全，需在鋼板下架設(shè)鋼墊片，防止因螺栓出現(xiàn)滑絲情況導(dǎo)致傾覆。

鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)分塊施工，分區(qū)內(nèi)形成框架體系后進(jìn)行基礎(chǔ)C40微膨脹細(xì)石混凝土的灌注，灌注過程中為保證灌注密實(shí)，可提前在鋼立柱基礎(chǔ)上預(yù)留φ10排氣孔，確保鋼板下灌注氣泡。

為減少施工誤差，鋼結(jié)構(gòu)安裝時，采用先安裝中央?yún)^(qū)域，逐步向周邊擴(kuò)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(jié)構(gòu)橫梁能夠順利安裝。

高強(qiáng)螺栓施工時，盡量避開降雨天氣，否則應(yīng)加快將高強(qiáng)螺栓終擰完畢。高強(qiáng)螺栓施工前，先進(jìn)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(qiáng)行打入孔內(nèi)，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(gòu)件進(jìn)行標(biāo)記，然后采用專用緊固扳手進(jìn)行鎖緊，直至縮頸處斷裂，終擰順序?yàn)橹醒氲蕉瞬?。?dāng)天插入的螺栓原則上當(dāng)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(huán)境溫度、濕度、陽光、水淋、振動等影響，易產(chǎn)生空鼓、開裂、脫層現(xiàn)象，為保證防火涂層施工質(zhì)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(fā)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(wǎng)或聚乙烯醇纖維，減少涂料的開裂。

4 花垣縣城南農(nóng)貿(mào)市場鋼結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)用

4.1 工程概況

農(nóng)貿(mào)市場位于湖南省湘西州花垣縣城南社區(qū)，用地范圍內(nèi)南北長約117 m，東西寬104 m。建設(shè)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(jié)構(gòu)，農(nóng)貿(mào)市場下為一層地下停車場，框剪結(jié)構(gòu)。

本工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，防火等級為二級。主體鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345B鋼，梁梁、梁柱連接高強(qiáng)度螺栓采用大六角頭摩擦型高強(qiáng)度螺栓，強(qiáng)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(gòu)件出廠前鋼構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行防銹防腐涂裝。構(gòu)件表面涂刷無機(jī)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(diǎn)

4.2.1 施工工藝流程

鋼結(jié)構(gòu)BIM深化設(shè)計—工廠加工—地下室頂板加固—鋼結(jié)構(gòu)安裝—防火涂料施工—驗(yàn)收。

4.2.2 控制要點(diǎn)

4.2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)BIM深化設(shè)計

本工程農(nóng)貿(mào)市場鋼結(jié)構(gòu)為不規(guī)則五面斜坡屋頂，屋面坡度5%，屋面高程的變化導(dǎo)致所有梁柱都略有不同，為保證工廠加工質(zhì)量，減少偏差，本工程采用tekla建模進(jìn)行深化設(shè)計(圖2)，將所有構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)、螺栓數(shù)量、構(gòu)件細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)化，三維模擬預(yù)拼裝，保證構(gòu)件的精度及尺寸。工廠采用tekla輸出的構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行編號、分批加工，分批運(yùn)至施工場地存放。

圖2 BIM深化設(shè)計

4.2.2.2 地下室頂板加固

本工程吊裝采用中聯(lián)JQZ25V汽車吊進(jìn)行吊裝，吊裝構(gòu)件最大重量1.5 t，最大吊裝半徑22 m，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在地下室頂板選出4塊區(qū)域作為吊車在頂板上進(jìn)行吊裝施工的工作區(qū)域，其余四周未覆蓋部分由吊車在頂板之外進(jìn)行吊裝。施工道路寬按地下室柱網(wǎng)8.1 m跨度，下部加強(qiáng)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(qiáng)支撐范圍每側(cè)邊超出1.0 m，以確保安全。吊裝時，安裝技術(shù)人員現(xiàn)場監(jiān)管、交底，確保加固區(qū)域內(nèi)吊裝(圖3)。

圖3 地下室頂板加固

4.2.2.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝

(1)地腳螺栓(預(yù)埋件)安裝。地腳螺栓安裝應(yīng)該在柱頂鋼筋綁扎完成后進(jìn)行。第一步，先行定位出地腳螺栓在鋼筋區(qū)的位置，且將各個錨栓位置標(biāo)記在鋼筋綁扎區(qū)；第二步，將錨栓支架分別放入柱子鋼筋區(qū)已標(biāo)記好的位置，再放上地腳螺栓(地腳螺栓放入前標(biāo)示出十字線中心，保證安裝時十字線中心與坐標(biāo)中心重合)；第三步，根據(jù)地腳螺栓坐標(biāo)確定錨栓的坐標(biāo)及標(biāo)高；第四步，復(fù)核準(zhǔn)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(jié)鋼柱吊至距基礎(chǔ)上方200 mm時，使其穩(wěn)定，對準(zhǔn)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(shí)后用角尺檢查，調(diào)整鋼柱使鋼柱的定位線與基礎(chǔ)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(chǔ)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(dāng)對準(zhǔn)或已使偏差控制在規(guī)范許可的范圍內(nèi)時，即為完成對位工作。然后對鋼柱進(jìn)行臨時固定，即采用四方向拉設(shè)纜風(fēng)繩的方法，如受環(huán)境限制不能拉設(shè)纜風(fēng)繩時，則采取在相應(yīng)方向上做硬支撐的方式(在柱子1/2范圍以上采用斜撐進(jìn)行支撐固定)，進(jìn)行臨時固定及校正。

鋼柱就位標(biāo)高采用預(yù)先在柱底中心設(shè)置鋼板墊塊(墊塊頂標(biāo)高為柱底標(biāo)高)，鋼柱就位后垂直度調(diào)整完畢，緊固調(diào)整螺母使其與柱底接觸緊密，如圖5所示。鋼柱調(diào)整到位后，應(yīng)對稱緊固地腳螺栓螺母，將墊板與柱底板按要求進(jìn)行焊接，螺母與墊板點(diǎn)焊牢。墊板焊接完畢后即可由土建單位進(jìn)行柱底灌漿工作，灌漿液采用細(xì)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(qiáng)螺栓加焊接的形式連接(腹板高強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)吊裝法；選用JQZ25V型汽車吊裝，滿足吊裝要求，起重機(jī)械性能表同鋼柱吊裝性能表。吊裝順序按1-2-3-4區(qū)域進(jìn)行，吊裝時構(gòu)件先堆放在場地四周，待吊車到達(dá)指定工作區(qū)域以后，由場外吊車轉(zhuǎn)運(yùn)至場內(nèi)吊車吊運(yùn)范圍內(nèi)的加固區(qū)域，供場內(nèi)吊車進(jìn)行吊裝。吊裝時，頂板加固區(qū)域鋼梁需等其余部分吊裝完成后，再進(jìn)行加固區(qū)域鋼梁吊裝。

吊裝平面如圖6所示。

(4)高強(qiáng)螺栓安裝。本工程鋼架構(gòu)件鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間現(xiàn)場連接采用10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓連，其螺栓規(guī)格為M20，高強(qiáng)螺栓結(jié)合面不得涂漆，采用噴砂處理法，摩擦面抗滑移系數(shù)不小于0.45。高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力P=155 kN。安裝具體要求：鋼梁已經(jīng)吊裝到位，校正合格后應(yīng)及時進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓的施工。高強(qiáng)螺栓嚴(yán)禁強(qiáng)行穿入。當(dāng)不能自由穿入時，可用鉸刀進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔前，應(yīng)首先將四周螺栓全部擰緊，使板迭密貼緊后再進(jìn)行鉸孔。擴(kuò)孔數(shù)量不得超過一個接頭螺栓孔數(shù)的25%，擴(kuò)孔直徑不得大于原孔徑1.2倍。嚴(yán)禁用氣割進(jìn)行高強(qiáng)螺栓的擴(kuò)孔工作。嚴(yán)格按照從中間向四周擴(kuò)展的順序，執(zhí)行初擰、(復(fù)擰)、終擰的施工工藝程序，嚴(yán)禁一步到位的方法直接終擰。要求初擰、復(fù)擰、終擰在24 h內(nèi)完成。終擰后應(yīng)及時涂防銹漆。高強(qiáng)螺栓超擰應(yīng)更換并廢棄換下來的螺栓，不得重復(fù)使用。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)吊裝及安裝順序

(5)焊接施工。根據(jù)母材材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場安裝焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(GMAW)，高空組裝焊接采用手工電弧焊(SMAW)或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(GMAW)。

焊材及焊接方法具體選用見表1。

保護(hù)氣體為CO2，純度99.98%(露點(diǎn)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(qiáng)度等強(qiáng)，焊接不同類別的鋼材時，選用與強(qiáng)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(jié)構(gòu)涂裝工程應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)安裝工程檢驗(yàn)批和鋼結(jié)構(gòu)普通涂料涂裝檢驗(yàn)批的施工質(zhì)量驗(yàn)收合格后進(jìn)行。涂裝工藝、涂裝遍數(shù)、涂層厚度等均應(yīng)滿足相關(guān)國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。待涂表面應(yīng)清潔、干燥且無染物。涂裝前根據(jù)GB50221的要求進(jìn)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(qū)域均不允許進(jìn)行環(huán)氧中間漆的施工。底漆、中間漆及面漆均為雙組分產(chǎn)品，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照制造商提供的施工工藝進(jìn)行實(shí)施，超過混合使用期的產(chǎn)品不得繼續(xù)使用。油漆供應(yīng)商提供持有NACE 2級認(rèn)證的現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)協(xié)助油漆施工和檢查。涂裝完成后漆膜表面應(yīng)光潔，厚度均勻，無皺皮、流墜、針眼、氣泡、脫皮、返銹等。構(gòu)件表面不應(yīng)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(zhì)量不能保證或難以保養(yǎng)，則應(yīng)去除漆膜，使鋼材表面恢復(fù)原狀后重新按照正確的工藝步驟進(jìn)行涂裝。

4.3 應(yīng)用效果

花垣縣農(nóng)貿(mào)市場鋼結(jié)構(gòu)施工采用tekla三維建模深化設(shè)計，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，輸出構(gòu)件加工表供工廠加工，場內(nèi)加工后運(yùn)輸至現(xiàn)場，按照三維模擬拼裝順序進(jìn)行裝配式施工，極大的減少了現(xiàn)場焊接及切割，工期大幅度縮減，連接節(jié)點(diǎn)質(zhì)量可靠。工程完工至今，已運(yùn)營約1年，受到業(yè)主及花垣縣居民好評(圖7)。

圖7 農(nóng)貿(mào)市場鋼結(jié)構(gòu)完工效果

5 結(jié)論與討論

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中受很多外界環(huán)境因素影響，需根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)明確關(guān)鍵因素，有針對性解決施工難題，確保施工質(zhì)量。為保證鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和安全，需要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的三維深化設(shè)計、虛擬預(yù)拼裝及現(xiàn)場安裝工藝，加強(qiáng)對管理人員、焊接人員、安裝人員的培訓(xùn)交底，從鋼結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計、地腳螺栓安裝、鋼柱安裝施工、鋼梁安裝、高強(qiáng)螺栓安裝、焊接施工等方面控制好施工工藝流程，加強(qiáng)對安裝過程的管控和監(jiān)督，提高鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐久性和安全性。