高層建筑裙房鋼桁架鋼梁和鋼柱安裝技術研究

盛美芳 孫會昌

鋼梁和鋼柱是鋼桁架的重要構件，其安裝質量直接影響鋼桁架的強度和穩(wěn)定性。在鋼結構安裝時，除了要控制施工質量，還要加強對吊裝方法、安裝精度以及焊接技術等的管理。

1 研究現狀和工程概況

1.1 研究現狀

根據康樂[1]對高層建筑梁柱連接部位的受力分析，鋼梁與鋼柱的連接節(jié)點是傳遞內力和承受荷載的關鍵部位，提高該節(jié)點的抗震性能和承載能力是保證高層建筑結構穩(wěn)定的關鍵舉措。朱光強等[2]使用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術建立高層建筑的三維模型，通過深化設計和優(yōu)化模型，實現了塔冠鋼構件的快速吊裝，有效提高了施工單位的項目管理能力。李智美[3]通過建立大跨度鋼桁架拱橋模型，對動靜荷載進行有限元模擬分析，結果表明鋼柱與鋼梁連接點應力集中，容易出現開裂問題，因此在鋼桁架安裝時要重點加強鋼柱和鋼梁的施工管理，防止出現變形和開裂等問題，切實保障鋼桁架的整體穩(wěn)定性。郭再旭等[4]以超高層建筑為例介紹了鋼結構吊裝參數的計算方法，如吊裝帶長度計算和吊裝機具額定載重計算等，為施工單位安排吊裝機具和安裝鋼結構提供了參考。成佳明等[5]利用光視覺傳感技術設計了適用于鋼結構焊縫坡口的識別方法，在鋼結構焊接作業(yè)中可以準確識別并自動標記坡口，能夠有效改善焊接質量。

本文的創(chuàng)新點為在鋼桁架鋼梁和鋼柱的安裝中融入全過程管理理念。首先，在安裝前嚴格檢查鋼梁、鋼柱和支撐胎架等鋼構件的質量，執(zhí)行嚴格的驗收標準，以保證鋼結構型號和規(guī)格符合施工要求，杜絕銹蝕和變形等質量缺陷。其次，在安裝過程中嚴格控制安裝精度并設置臨時支撐，根據情況靈活選擇以螺栓或焊接的方式固定鋼構件。最后，在安裝完成后采用觀察法和無損探傷法檢查鋼桁架的安裝質量。通過以上精細化的全過程管理模式，確保高層建筑裙房鋼桁架工程順利通過驗收，實現良好的社會和經濟效益。

1.2 工程概況

某高層建筑占地面積27650.4 m2，高度為74.5 m，共22層，其中地上1～6層為裙房。裙房為鋼結構與混凝土組成的混合結構，鋼桁架由H 型鋼梁、箱形鋼柱、箱形交叉撐以及水平連梁等構件組成，構件材質均為Q355B。此外，H 型鋼梁的最大截面為1400 mm×800 mm×40 mm×60 mm，箱形鋼柱的最大截面為900 mm×900 mm×60 mm×60 mm。本工程鋼梁和鋼柱等鋼構件數量較多且懸挑量大，對安裝和焊接技術提出了較高要求。

2 鋼梁安裝工藝

2.1 安裝準備

鋼梁吊裝前，一方面，要檢查鋼梁的定位軸線、標號、截面尺寸以及表面質量等是否符合安裝要求，檢驗合格后方可進場安裝。另一方面，要核對螺栓數量和型號，確認無誤后裝入帆布包中并用鋼絲捆扎在鋼梁端部。

2.2 鋼梁安裝流程

本工程吊裝H型鋼梁采用捆扎法:第1，吊機操作人員按照均勻慢速原則將鋼梁從地面提升至相應樓層，并配合施工人員將鋼梁放置于指定位置。第2，通過沖釘定位鋼梁并使用螺栓臨時固定，臨時固定結束后方可松開吊鉤。用于臨時固定的螺栓數量不得低于螺栓總數的1/4。第3，安排專人進行預檢校正，檢查內容包括連接件平整度和預埋件位置等，若發(fā)現問題應立即微調校正。第4，使用高強螺栓連接鋼梁與鋼柱等其他鋼構件，并進行焊接固定。鋼梁安裝流程如圖1所示。

圖1 鋼梁安裝流程圖（來源：網絡）

2.3 鋼梁安裝防護措施

鋼梁吊裝屬于高空作業(yè)，因此在施工過程中要設置防護措施，一方面能夠避免鋼構件因碰撞產生破損，另一方面能夠保障現場施工人員的人身安全。

鋼梁安裝防護措施如下：第1，在起吊前應檢查鋼梁與吊機掛鉤連接是否牢固，防止提升期間發(fā)生脫鉤掉落事故；第2，鋼梁吊裝盡量選擇晴朗無風或者微風天氣，嚴禁在大風天氣下作業(yè)；第3，應在外圈鋼梁處設置生命線，并在每層鋼梁上部設置環(huán)形通道，以保證施工安全。

3 鋼柱安裝工藝

3.1 鋼柱安裝流程

鋼桁架吊裝前需復核建筑定位軸線和鋼筋混凝土面標高等數據，確認無誤后方可開始吊裝：第1，參照設計圖紙采用直角坐標法畫出每根鋼柱基礎的縱橫軸線，并使用紅色油漆做出三角標記，便于鋼柱對中，確保上下節(jié)鋼柱的中軸線保持在一條直線上。第2，將鋼柱上端口的連接板作為吊耳，使用擴孔器將連接板最外側螺栓孔擴大3 ～5 mm，方便穿入吊鉤。第3，遵循均勻慢速原則吊裝鋼柱，將鋼柱提升至指定位置后，利用經緯儀和水準儀校正，確保位置精度達標后緩慢放下，防止提升太快出現碰撞和掉落等事故。第4，采用斜撐臨時固定鋼柱，固定牢靠后松開吊鉤。

在第1 節(jié)鋼柱吊裝到位并進行臨時固定后，測量柱頂標高，對比測量值和設計值，若兩者誤差超過5 mm需要進行調整。除此之外，如果測量值大于設計值需要在柱頂截去相應的誤差長度，反之則需要焊接相應厚度的鋼板，而且焊接鋼板材料必須與鋼柱材料相同。鋼柱每次調整幅度不得超過5 mm，調整幅度過大會導致鋼結構變形。誤差調整至允許范圍內后，應先緊固臨時連接板上的螺栓，然后再采用對縫焊接的方式焊接鋼柱與其他鋼構件。

3.2 鋼柱安裝注意事項

首先，為增加鋼柱吊裝施工過程的穩(wěn)定性，每根箱形鋼柱都需要使用4 根鋼絲繩進行吊裝。要充分考慮鋼柱起吊時下部應力集中的影響，在鋼柱下方放置1 塊枕木，避免鋼柱從吊起至完全離開地面的過程中由于應力集中而出現變形損壞的情況。其次，將鋼柱提升至安裝位置上方約50 cm處后停止移動吊機，保持鋼柱穩(wěn)定。最后，借助水準儀等設備將鋼柱中心線與下節(jié)柱中心線完全對齊，并將鋼柱下移至指定位置，此過程至少需要2 名施工人員配合完成，1 人負責對齊鋼柱，另1 人協(xié)助穩(wěn)固鋼柱。

為保證鋼柱安裝質量，需要重點關注鋼柱校正。鋼柱就位后，先將鋼柱中軸線與底座柱頭中心線重合，然后用螺栓臨時固定鋼柱，最后校正鋼柱垂直度。鋼柱垂直度應控制在90°±0.1°范圍內，若傾斜角度超出范圍則需要調整角度。同時，要測量鋼柱標高，當實測值低于設計值時可以在上下2 節(jié)鋼柱之間嵌入相應厚度的鋼片，保證鋼柱標高符合安裝要求。此外，本工程為多層工程，為避免誤差累積，每節(jié)鋼柱的定位軸線均以地面控制線為基準，禁止上引下層鋼柱軸線。

4 支撐胎架的安裝和拆除

4.1 安裝支撐胎架

為保證施工安全，需在懸挑鋼桁架下方安裝臨時支撐胎架。本工程鋼桁架的結構形式需安裝3 組胎架，包括1 組TJB 型胎架和2 組TJA 型胎架。TJA 型胎架的設計高度25.4 m，平面尺寸1.5 m×1.2 m，由4 片321 型貝雷架連接而成，利用底部傳力梁和預埋件固定在混凝土底面上，傳力梁規(guī)格600 mm×600 mm×15 mm×20 mm。TJB型胎架的設計高度9.3 m，平面尺寸、結構形式和固定方式同TJA 型胎架。

支撐胎架安裝流程如下。首先，按照設計圖紙在施工現場拼裝胎架并檢查拼裝質量。其次，利用吊車將胎架提升至指定位置，并利用側向風繩保持胎架穩(wěn)定避免碰撞。最后，在支撐胎架下方安裝轉換梁，采用規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm×15 mm的H型鋼梁，并用20 mm 厚鋼板加強腹板。轉換梁的作用是將支撐胎架承受的荷載傳遞給混凝土梁柱。

4.2 拆除支撐胎架

鋼桁架主體結構安裝完成后，可以拆除臨時支撐胎架。由于鋼桁架屬于大跨度鋼結構，隨著支撐胎架的卸載，鋼結構承受的應力會相應增加，在支撐胎架完全卸載后鋼結構承受的應力達到最大值。為了避免鋼結構因應力集中出現變形和斷裂等問題，采用火焰切割法卸載支撐胎架，而且拆除時必須按照安全優(yōu)先原則:第1，檢查鋼結構螺栓的終擰和焊接情況，保證節(jié)點連接牢固。若發(fā)現螺栓松動或焊接裂縫需要及時處理，驗收通過后方可進行火焰切割。第2，使用鋼尺在需要切割的支墩上測量5 mm長度，并使用記號筆做出標記。第3，利用乙炔火焰切割機切割胎架頂部支墩，必須同時切除3 個支墩，避免出現某個支墩單獨受力的情況。在支撐胎架拆除完成后的24 h 內應持續(xù)監(jiān)測，確保鋼桁架穩(wěn)定。

5 鋼結構焊接

在鋼柱和鋼梁等主要鋼構件安裝完成后，要焊接鋼構件連接處和鋼梁與預埋件接連處。鋼構件間的連接焊縫或對接焊縫均為一級焊縫，可采用手工電弧焊和半自動二氧化碳氣體保護焊2 種焊接方式，焊接完成后要100%使用超聲波探傷檢測。

5.1 焊接前準備工作

本工程焊接使用低氫型焊條，使用前需進行烘干處理，即將焊條放入烘干箱中，烘干溫度為360 ℃，烘干時間為90 min，烘干完畢后將焊條轉移至保溫箱待用，保溫溫度為120 ℃。如果烘干后的焊條超過4 h 未使用則需要重新烘干，每根焊條最多可烘干2 次。此外，要檢查焊材質量，如果出現焊絲生銹和藥皮脫落等質量問題需更換焊材。

焊接前需要清潔焊縫坡口及附近30 mm 范圍，擦除灰塵和油污，使其呈現金屬光澤。此外，要進行焊前預熱，尤其是較厚的鋼板。通過焊前預熱能減緩焊接接頭的冷卻速度，防止焊接部位出現淬硬組織，降低焊接變形的概率，提高焊接質量。本工程中采用雙面V 形坡口，處理方式如圖2 所示。手工電弧焊應選擇無風或微風天氣進行，若風速超過8 m/s 則應停止焊接作業(yè)或采取防風措施后再進行焊接。

圖2 雙面V 形坡口處理示意圖（來源：作者自繪）

5.2 焊接流程

為減少焊縫收縮產生的應力破壞，焊接作業(yè)應按照由內向外的順序進行。首先，正式焊接前施焊人員要再次確認結構尺寸、坡口角度和施工條件，確認無誤后開始定位焊。其次，設定焊接工藝參數，以手工電弧焊為例，焊材型號為E5015，Φ3.2 mm 焊材的焊接電流為100 ～120 A，電壓為22 ～25 V；Φ5.0 mm 焊材的焊接電流為200 ～240 A，電壓為26 ～28 V。最后，在上節(jié)柱安裝并校正后采用對稱施焊法開始焊接。兩層一節(jié)鋼柱橫焊時，要先對稱焊接腹板，然后焊接上層和下層的連接點，如圖3 所示。焊接完成后及時清除焊渣和飛濺，如有焊瘤必須清理干凈。與此同時，檢查焊縫外觀符合施工要求后，按照《鋼結構工程施工規(guī)范》（GB 50755—2012）的要求，使用超聲波探傷技術檢查焊接質量。

圖3 兩層一節(jié)鋼柱焊接順序示意圖（來源：網絡）

5.3 焊接防護措施

為保證施焊安全，提高焊接質量，一方面，在焊接完成后立即進行焊后保溫處理，先加熱焊件至200 ～300℃并保溫4 ～6 h，然后自然冷卻至常溫。通過焊后保溫讓焊縫中殘留的氫快速逸出，能夠降低焊縫的含氫量和焊接殘余應力，防止產生冷裂紋，增強焊接牢固性。另一方面，高空焊接時要采取防風措施。在焊接鋼柱時可以設置防風棚，在焊接鋼梁或其他不便搭設防風棚的情況下，可以使用壓型板制作小型擋板封閉焊口，以便有效提高焊接質量。鋼梁焊接防風措施示意圖如圖4 所示。

圖4 鋼梁焊接防風措施示意圖（來源：作者自繪）

6 結語

在高層建筑裙房鋼桁架工程中，鋼結構的安裝質量直接決定著鋼桁架的穩(wěn)定性和安全性，影響著高層建筑的施工質量和施工安全。本文結合工程實例探究了鋼桁架鋼梁、鋼柱及支撐胎架的安裝技術，并得出以下結論：在鋼梁和鋼柱等鋼結構安裝前必須進行鋼構件質量驗收；在鋼梁和鋼柱安裝期間應采取防護措施；焊接時需要進行焊前預熱和焊后保溫，并應采取防風措施。