鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
隨著社會發展，科技進步，工業化程度越來越高，工業建筑領域使用大噸位，大跨度的工業廠房越來越多，鋼結構工業廠房具有自重輕，跨度大，強度高，性能穩定，抗震性能好，安裝簡便，造價低，施工周期短，造型美觀、現代感強，污染少和等優點，越來越多的被應用于現代重工業廠房中，因而逐漸取代了笨重的鋼筋混凝土結構。但其設計和構造相對復雜，現就該類結構進行初步探討。
關鍵詞 大噸位 大跨度 工業廠房
1 引言
山東北車風電有限公司2010年施工的塔筒廠房，工裝法蘭廠房
建筑規模：長度478m（露天169米），寬144.5m檐口高度19.85m
起 重 機：雙層32-80T橋式起重機
結構形式：單跨30m~37m，單層全鋼結構，柱距8m~9m，屋面坡度5%
見圖1
圖1 大型鋼結構工業廠房施工 平面圖
主體鋼結構施工包括鋼柱、吊車梁、鋼梁、的校正、焊接、吊裝、和高強螺栓固定、壓型鋼板安裝等工序。
2 施工過程：
鋼結構工業廠房的施工分兩部分：1.工廠制作；2.工地安裝。
2.1件在工廠制作
對能批量加工，需要大型設備的部件制作都放在專業鋼結構工廠制作，制作完成后運到工地現場安裝，這也是鋼結構工業廠房的施工區別混凝土結構施工的重要一點。
2.1.1放樣過程
放樣是鋼結構制作工藝中的第一道工序，只有放樣尺寸精確，方可避免以后各加工工序的累積誤差，才能保證整個工程的質量，因此對放樣工作，必須注意以下幾個環節：放樣前必須熟悉圖紙，并核對圖紙各部尺寸有無不符之處，與土建和其他安裝工程有無矛盾，核對無誤后方可按施工圖紙上的幾何尺寸、技術要求，按照1:1的比例畫出構件相互之間的尺寸及真實圖形。樣板制出后，必須在上面注上圖號、零件名稱、件數、位置、材料牌號、規格及加工符號等內容，使下料工作不致發生混亂，同時，必須妥善保管樣板防止折疊和銹蝕，以便進行校核。為了保證產品質量，防止由于下料不當造成廢品，樣板應注意適當預放增加余量。利用XSTEEL鋼結構細化軟件，對鋼結構進行整體深化設計，縮短了深化周期，提高了準確性，減少了材料損耗，經濟效益明顯。
2.1.2拼接過程
拼板時應注意：①適當放出余量，這是由于下料切割時焊縫有一定的收縮量，自動切割縫為2mm，手工切割縫為3mm；②拼板焊接前應清除焊縫口銹蝕、油跡、毛刺等，按要求開好坡口，單面坡口50°～60°之間，純邊高度1.5mm～2mm，焊縫、焊劑、焊絲保證清潔確保焊接質量。
2.1.3CNC（數控機床）切割
（1）CNC切割必須按照下料圖要求制作角度樣板，經檢查無誤后方可使用；
（2）考慮割切、焊接的收縮余量及組裝誤差，長度一般應放20mm～30mm，切割寬度誤差±1mm；
（3）編程后，切割機應空機運行，檢查并記錄運行軌跡是否與下料尺寸相符，無誤后即可切割；
（4）根據板厚隨時調節火焰大小、氧氣壓力和切割速度，確保切口光順平滑；
2.1.4組立過程
（1）當翼腹板有對接焊縫時，組立應注意翼腹板焊縫錯開200mm以上。
（2）確保腹板對翼板的中心線垂直度偏差為b/100且≤2mm，中心線偏移≤1mm。翼腹板間隙應≤0.8mm，以滿足埋弧焊的需要。
（3）定位焊間距一般為300mm～400mm，焊縫高度不超過設計縫厚度的2/3，焊條型號應與構件材質相匹配。
梁柱連接為弧形板加強全焊節點，節點區域受力大，質量要求高，采用等離子弧焊工藝和二氧化碳氣體保護焊，減小焊接變形和殘余應力，確保焊接質量。
2.1.5鋼結構制孔
制孔鋼結構安裝時所留A、B級螺栓孔應具有H12的精度，孔壁表面的粗糙度Ra不應大于12.5μm，螺栓孔的允許偏差超過上述標準，不得用鋼塊填塞，可采用與母材料性質匹配的焊條補焊，再重新制孔。制孔方法采用鋼模鉆孔，各種鉆孔全部采用鉆床鉆孔以提高工作效率，保證構件的質量。
2.2鋼構件在工地安裝
2.2.1地腳螺栓的埋設
底板在土建施工的同時要穿插地腳螺栓的埋設或插入鋼柱的安裝，鋼柱埋設或地腳螺栓就位后土建單位才進行相關施工。地上部分全鋼結構施工，鋼結構先行，土建、安裝等單位隨后。但是鋼結構的施工必須與土建單位密切配合，這樣既有利于整體結構的穩定性，也有利于整體施工的流水作業。
鋼柱生根在埋設的地腳螺栓或直接安裝在鋼梁上。每一根鋼柱一般由6根或8根螺栓組成。安裝時需要每組螺栓組合在一起，整體進行埋設。埋設步驟如下：測量放線：首先根據原始軸線及標高控制點對現場進行軸線和標高控制點的延引，然后根據控制線測放出的軸線再測放出每一個埋件的中心十字交叉線和至少兩個標高控制點；每一根鋼柱預埋螺栓的框架全部預先進行加工制作，采用角鋼將預埋螺栓固定為一個整體。預埋螺栓的制作精度要求預埋螺栓中到中的間距≯2mm，預埋螺栓頂端的相對高差≯2mm；埋螺栓在底板鋼筋綁扎過程中，根據測放出的軸線，將預埋螺栓整體就位。首先找準埋件上邊四根固定角鋼的縱橫向中心線，使其與測量定位的基準線吻合，然后用水準儀測出埋件四個角上螺栓頂面的標高，高度不夠時在埋件下四個角用鋼筋或者角鋼抄平。
預埋螺栓埋設質量不僅要保證埋件埋設位置準確，更重要的是固定支架牢固，為了防止在澆灌砼時埋件產生位移和變形，除了保證埋件整體框架有一定的強度以外，還必須采取相應的加固措施，先把支架底部與底板鋼筋綁扎固定，四邊加設剛性支撐，一端連接整體框架，另一端綁扎在底板的鋼筋上；待底板鋼筋綁扎完畢，再把預埋件與底板構造鋼筋焊接為一個整體，在螺栓固定后對埋件的位置及標高進行復測。
地腳螺栓在砼澆灌前應再次復核，確認其位置及標高準確、固定牢靠后方可進入；螺紋上涂黃油并包上塑料紙，澆灌過程中，要派專人對其進行監控，對澆注過程中出現位移和偏差的埋件，用倒鏈或千斤頂在砼初凝前及時糾正；地腳螺栓的埋設精度，直接影響到結構的安裝質量，所以埋設前后必須對預埋螺栓的軸線、標高及螺栓的伸出長度進行認真的核查、驗收。標高以及水平度的調整一定要精益求精。對已安裝就位的地腳螺栓，嚴禁碰撞和損壞，鋼柱安裝前要將螺紋清理干凈，對已損傷的螺牙要進行修復。土建施工時一定要注意成品保護，避免使安裝好的地腳螺絲松動，移位。
2.2.2鋼柱吊裝
2.2.2.1鋼柱吊裝就位 順序 見圖2
圖2 大型鋼結構工業廠房施工 鋼柱吊裝就位順序
鋼柱的安裝需在埋設地腳螺栓澆灌完砼后。安裝鋼柱時預留部分后澆灌砼 見圖3，最后固定。安裝前要對預埋件進行復測，并在基礎混凝土上進行放線。根據鋼柱的底標高調整好螺桿上的螺帽，并在鋼柱上打好沖眼，以方便校正。然后鋼柱直接安裝就位。鋼柱的起吊，采用單機回轉法。起吊前，鋼柱應橫放在墊木上，柱腳板位置墊好方木，起吊時，不得使柱子在地面拖拉，必須邊起鉤、邊轉臂使鋼柱垂直離地。
鋼柱吊升到位后。首先將鋼柱底板穿入地腳螺栓，放置在調節好的螺帽上，并將柱的四面中心線與基礎放線中心線對齊吻合，四面兼顧，中心線校準確，使偏差控制在規范許可的范圍以內時，穿上壓板，將螺栓擰緊。埋入式柱腳安裝 見圖4，就位后，需用墊鐵調整準確標高。用經緯儀進行柱子垂直度的校正。鋼柱吊裝插入基坑就位后，柱子校正工作主要是對標高進行調整和垂直度進行校正 見圖5：它的校正方法采用纜風繩、螺旋千斤頂 見圖6、正反螺紋撐桿、大型撬杠，對鋼柱施加拉、頂、撐或撬的垂直力和側向力，同時采用不等厚墊鐵，在柱板與基礎之間調整校正后固定。
利用設置在縱橫軸線上的兩臺經緯儀，對柱子的水平位置進行處理，確認無誤后進入下一步工作。見圖6
鋼柱校正完畢后，應及時催促土建單位對柱底板和基礎頂面之間的空隙進行混凝土二次澆灌。鋼柱定位后應及時將墊板、螺帽與鋼柱底板點焊牢固。
2.2.3柱間支撐安裝
吊裝時避免散件安裝時對操作腳手要求，減少高空拼裝和可能產生的變形，柱柱間支撐拼成整體吊裝，柱間支撐盡量在工廠進行分片分段拼裝，分片分段運至施工現場，現場對分段的支撐進行組裝后吊裝。不便在工廠進行拼裝的柱間支撐，現場拼裝位置在吊裝位置附近進行，地面拼裝應完成全部的焊接連接。以方便吊裝和減少高空散件安裝為基本原則。
為便于拼裝和吊裝，本工程柱間支撐的拼裝采用分片拼裝和吊裝，如A軸線上柱間支撐分片拼裝和吊裝的分片 見圖7：
柱間支撐的拼裝采用在地面臥拼的方式拼裝，拼裝主要應保證桿件的接口位置準且，外形尺寸與圖紙吻合，對角線尺寸正確無誤。
先吊裝下支撐，后吊裝上支撐，柱間支撐的吊裝在鋼柱吊裝完成，并校正完畢后進行，柱間支撐的吊裝放在吊車梁系統安裝之前。
2.2.4吊車梁吊裝
吊車系統的安裝。吊車梁的安裝必須嚴格按規范從柱間支撐跨進行，因為柱間支撐安裝連接后已經事先形成了一個比較穩定的安全的剛度空間單元，這時從此處開始施工，能保證吊車梁的安裝不會影響到柱子的垂直度，同時也是保證安全施工的措施。吊裝梁一般采用分件吊裝法，對鋼吊車梁單機吊裝和雙機抬吊的吊裝綁扎。見圖8.
在安裝過程中，對端部截面誤差較大的吊車梁底部要設置調整墊板，該墊板在吊車梁系統調整完后應焊接固定。制動系統的連接應在吊車梁調整固定后正式連接。當制動板與吊車梁連接的時候，為了避免連續施焊對高強度螺栓的影響，應先將制動板與吊車梁初步固定然后調整輔桁架，在制動板采用點焊的方式固定后，再從中間到兩側終擰高強螺栓。
3.2.5鋼梁吊裝
3.2.5.1吊裝前準備：
（1）由于施工現場場地有限，請求甲方聯系相關部門在吊裝作業期間，對建筑物一側道路斷道。
（2）鋼構件在吊裝前運至施工現場，在施工現場進行拼裝。
（3）鋼架上連接件全部焊完，焊道檢驗合格，鋼架支撐及系桿準備齊全。
（4）吊裝人員經過吊裝安全教育，吊裝指揮人員有特種作業證，全部焊接人員及保證人員進行技術交底。
（5）施工場現場地雜物、障礙清理，吊車運行通暢，吊裝站位無影響。
（6）主要構件吊裝前，必須切實做好各項準備工作，包括場地的清理，道路的修筑、基礎的準備、構件的運輸、就位、堆放、拼裝、加固、檢查清理、彈線編號以及吊裝機具的準備等。
3.2.5.2安全操作技術要求：
（1）鋼結構安裝前對全體人員進行詳細的安全交底，參加安裝的人員要明確分工，并結合現場具體情況提出保證安全施工的要求。上下交叉作業，要做到“三不傷害”，即：“不傷害自已，不被別人傷害，不傷害別人”。距地面2m以上作業要有安全防護措施。
（2）吊裝作業場所要有足夠的吊運通道，并與附近的設備、建筑物保持一定的安全距離，在吊裝前應先進行一次低位置的試吊，以驗證其安全牢固性，吊裝的繩索應用軟材料墊好或包好，以保證構件與連接繩索不致磨損。構件起吊時吊索必須綁扎牢固，繩扣必須在吊鉤內鎖牢，嚴禁用板鉤鉤掛構件，構件在高空穩定前不準上人。
（3）吊機吊裝區域內，非操作人員嚴禁入內，把桿垂直下方不準站人。吊裝時操作人員精力要集中并服從指揮號令，嚴禁違章作業。起重作業應做到“五不吊”：
1） 手勢指揮不清不吊。
2) 重量不明不吊。
3) 超負荷不吊。
4) 視線不明不吊。
5) 捆綁不牢或重心不明不吊。
(4）操作業人員在進行高處作業時，必須正確使用安全帶，安全帶一般應高掛低用，即將安全帶繩端的鉤環掛于高處，而工人在低處操作。
(5）在高處使用撬杠進，工人應一手扶住，一手操作。
(6）地面作業人員必戴安全帽，吊裝場地作警戒標致，高處操作人員使用的工具應放在隨身的工具袋內，不可隨意向下丟擲。
(7）構件安裝后，必須檢查連接質量，只有連接確實安全可靠，才能松鉤或拆除臨時固定工具。受拉受剪焊縫要達到滿焊，焊縫高度符合設計要求，方可松鉤。
(8）參加安裝的各專業工種必須服從現場統一指揮，負責人在發現違章作業時要及時勸阻，對不聽勸阻繼續違章操作者應立即停止其工作。
2.2.5.吊裝工藝：
(1）吊裝方法：由于屋面鋼梁跨度為30米~37米，最大重量4.4噸，高跨鋼梁安裝高度19.85米，故采用整體吊裝方法，即：將整榀鋼架在地面拼裝成一個整體 見圖9，然后整體吊裝就位 見圖10，避免在建筑物頂部進行二次拼裝和吊裝作業。
(2）工藝流程：
(3）吊裝用鋼絲繩計算：
1)鋼絲繩采用交互捻鋼絲繩，避免吊裝作業時扭結和旋轉，所有構件均采用兩點綁扎。
2)繩選用按公式：[Fg]=aFg/K 計算
其中K——安全系數，作捆綁吊索取值范圍8-10 ，取10
a——破斷拉力換算系數鋼絲繩結構6×19為0.80
[Fg]——允許拉力 兩點起吊取2.5/2=1.25t
Fg=[Fg]*k/a=1.25*10/0.8=1.56t
查表6×19鋼絲繩選用：直徑18mm
鋼絲繩使用前要認真檢查，不許有斷絲現象。綁捆應用卡環，卡環規格采用型號為1.7。鋼繩綁捆鋼桁架鋼梁應用15mm厚橡膠板將H棱角加墊，起吊防止棱角對鋼絲繩產生過大的剪力。
溜繩采用白棕繩，直徑φ14~16mm均可以。
2.2.6高強螺栓安裝
工程中使用的螺栓的材料規格及其性能，均應符合設計及規范要求。所有螺栓均按規格型號分類儲放，妥善保管，避免因受潮、生銹、污染而影響其質量，開箱后的螺栓不得混放、串用，按計劃領用。施工未完的螺栓要及時回收。高強螺栓連接副的緊固軸力平均值和變異系數、螺栓保證載荷、螺母、墊圈硬度檢測在工廠進行；監理、安裝單位共同參加。關于摩擦面的抗滑移系數抽檢，在工地進行，由制造廠按規范提供試件。
檢查和清除摩擦面上的鐵屑、浮銹等污物。摩擦面上不允許存在鋼材卷曲變形及凹陷等現象。認真注意和處理連接板的緊密貼合，對因鋼板厚度偏差或制作誤差造成的接觸面間隙，1mm以下不作處理；3mm以下將高出的一側磨成1：10的緩度，使間距小于1.0mm；3mm以上加墊板，墊板厚度不小于3mm，最多不超過三層，墊板材質和摩擦面處理方法應與構件相同。
高強螺栓不能自由穿入螺栓孔位時，用沖桿或鉸刀修正擴孔后再插入，修擴后的螺栓孔最大直徑應小于1.2倍螺栓公稱直徑。雨、雪天不得進行高強螺栓安裝，摩擦面上及螺栓上不得有水及其它污物。并要注意氣候變化對高強螺栓的影響。高強螺栓分兩次擰緊。第一次初擰到標準預拉力的60-80％，第二次終擰到標準預拉力的100％。
初擰時當構件吊裝到位后，將螺栓穿入孔中，然后用手動扳手或電動扳手擰緊螺栓，使連接面接合緊密。終擰時螺栓由電動剪力扳手完成，其終擰強度由力矩控制設備來控制，確保達到要求的最小力矩。當預先設置的力矩達到后，其力矩控制開關就自動關閉。剪力扳手的力矩設置好后只能用于指定的地方。裝配和緊固接頭時，從安裝好的一端或剛性端向自由端進行。高強螺栓的初擰和終擰，均按照緊固順序進行。緊固從螺栓群中央開始，順序向外側進行。扭剪型高強螺栓，在終擰完成后檢查時，以擰掉尾部為合格。
3、節能環保
環境保護工措施
防治施工噪聲污染。
防治油漆污染。廢油漆桶集中回收。
焊條頭集中回收，邊、角料集中回收。
4、結束語
根據工程質量要求高、工期緊、交叉施工的工程特點，采用了超常規的新工藝、新安裝技術。新組織管理法，精心組織，精心施工，按工程要求完工。安全管理卓有成效，沒有發生任何輕傷及以上事故。2010年4月10日，通過了鋼結構主體工程的驗收：工程質量符合鋼結構施工質量驗收規范，符合設計文件及合同要求，工程質量合格。鋼結構工程質量好，進度快，收到建設單位、設計單位、監理單位的表揚及各方的好評。
參考文獻 :
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作者簡介：周磊甜（1981～），浙江中南建設集團鋼結構有限公司，設計
聯系地址：杭州市濱江區長河街道（310052）
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