李 蕾

（中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450000）

鋼結構主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱和鋼桁架等構件組成，這些構件之間主要采用焊接和螺栓進行接連[1]。此外，鋼結構技術的安全性相對較高、結構穩(wěn)定，將其應用在傳統(tǒng)的混凝土建筑施工中能夠解決施工過程中出現(xiàn)的問題，提升了建筑結構的穩(wěn)定性。

1 鋼結構技術在土木工程中的應用優(yōu)勢

1.1 安全性

在傳統(tǒng)的土木工程建筑施工中，通常將石混和磚混凝土施工技術作為主要技術，使建筑物在后期的使用過程中經常出現(xiàn)不同類型的問題，建筑質量受到嚴重影響。在應用鋼結構技術后，提升了建筑施工質量和建筑物的安全性[2]。

1.2 環(huán)保性

在傳統(tǒng)的土木施工中，木材的消耗量相對較大，對環(huán)境的污染程度較高。在采用鋼結構技術后，提升了工程施工的環(huán)保性，且使用剩余的鋼材還可以回收利用。

1.3 經濟性

土木工程的施工過程規(guī)模相對較大，使用的設備、材料和人工較多，增大了企業(yè)的經濟壓力。在采用鋼結構技術以后，企業(yè)可以從廠家直接購買鋼材，節(jié)約了采購成本。

1.4 抗震性

由于鋼結構由不同型號的鋼構件構成，且鋼材自身的柔韌性相對較強、質量較輕[3]，因此鋼結構的抗震性能相對較好，建筑工程結構的性能得到了提升。

2 鋼結構技術在土木工程中的應用

2.1 工程概況

該項目的建筑總高度為61m，建筑面積約為15 萬m2，該項目分為上、下兩個部分，其中地上建筑為三層、地下為兩層。鋼結構類型主要以H 型鋼和十字型鋼為主，鋼架構設計主要分布在建筑的南側與北側，南側鋼結構形式為鋼桁架，北側為鋼框架梁，與北面相比，南面的鋼結構較為復雜且跨度較大。

2.2 施工設計

工程的施工工藝如圖1 所示。

圖1 鋼結構工程施工工藝流程圖

2.2.1 施工前期準備

施工前期準備工作包括以下5 點：1）在施工準備階段，須根據(jù)施工場地的實際情況來設計相應的施工圖紙，施工圖紙應滿足相應的技術規(guī)范，在施工階段應嚴格按照圖紙施工。2）在選用測量儀器時，選用的設備須滿足國家制定的計量標準，鋼結構材料的選取應根據(jù)《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）標準并結合實際的工程需要來進行選擇[4]。3）當確定鋼柱軸線時，應根據(jù)工程場地的實際情況布置。由于該項目的建筑高度為60m，因此需要設計對個控制樁，以此架設相應的測量儀器，在架設時須滿足可視與通視的原則。4）在設計鋼柱的過程中，應采用兩層與一節(jié)的方式，當安裝時須根據(jù)下一節(jié)鋼柱的軸線來安裝，摒棄需要重新制定引導軸線，這樣可以提升鋼柱的安裝精度，減少誤差。5）當進行鋼柱底腳與鋼筋混凝土之間的基礎連接時，應使用鋼性柱腳。當鋼柱安裝完成后，須將其固定，主要采用的固定構件為地腳螺栓。

2.2.2 施工現(xiàn)場布置

在布置施工現(xiàn)場的過程中，鋼件材料須按照嚴格的控制標準進場，其堆放方式采用分批堆放，堆放位置應在施工現(xiàn)場附近，方便進行施工。

設置塔吊，可將塔吊位置分為4 個區(qū)域并在每個區(qū)域設置相應的塔吊，塔吊性能見表1。為了提升建設效率，可在場地中設置距離施工現(xiàn)場較近的鋼材料堆放場地，場地位置應與桁架安裝的位置保持一定距離。在鋼構件的擺放過程中，應將其放置規(guī)整且高度不宜超過2 層，同時留出車輛通道。

表1 塔吊性能

2.2.3 鋼結構桁架設計

在現(xiàn)階段的高層輕型鋼結構中，通常采用錯列桁架體系，這種方式的使用性相對較高[5]。由于該項目建筑高度為61 m，在結構桁架設計過程中應考慮相應的風荷載。根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中的風荷載計算公式可以算出相應的風荷載，如公式（1）所示。

式中：βg為風振系數(shù)；μsl風荷載局部體型系數(shù)；μz風壓高度變化；w0基本風壓。

當錯列桁架腹桿設計時，有相對較多的平面桁架，如果采用帕氏桁架或者混合桁架，桁架中的斜腹桿基本為拉桿，直腹桿是拉桿與壓桿并存。

2.2.3.1 腹桿設計

當進行腹桿設計時，需要計算腹桿的輕度以及相應的穩(wěn)定性。當腹桿與弦桿相連接時，節(jié)點板主要體現(xiàn)連接功能。在腹桿長度的計算過程中，應根據(jù)相應的施工方案，參照相關的規(guī)定來進行計算。再根據(jù)腹桿的內力以及相應的承載能力要求來確定長細比例，保證腹桿的局部穩(wěn)定性。

2.2.3.2 架柱和桁架弦桿的設計

在架柱的設計過程中，需要考慮壓彎和拉彎的構建因素，須對柱子的設計進行相應的控制。當進行柱子設計時，設計方法與設計步驟基本與腹桿相同，但是采用的公式不同。當進行桁架弦桿設計時，只需要按照相應的公式計算出強度，無須進行整體穩(wěn)定性計算。

2.2.3.3 節(jié)點設計

在鋼結構中，科學的節(jié)點連接能提高結構的安全性，結構能承受的力也會增加，可見節(jié)點設計的重要性。當進行節(jié)點設計時，節(jié)點的位置、強度及剛度都有嚴格的要求，連接方式、節(jié)點細部構件和計算方法等設計均需要滿足具體的要求。先繪制出科學的節(jié)點構造圖，然后根據(jù)構造圖設計計算結點。

2.2.3.4 栓釘剪力連接件設計

在錯列桁架體系中，剪力連接件具有十分重要的傳遞作用，在鋼弦桿與混凝土翼緣的交界處會產生一定的剪力，剪力連接件是對該剪力進行傳遞，從而保證二者的組和效應。當進行設計時，需要計算抗剪承載力，為了簡化計算過程，可以直接采用弦桿的彎矩設計值。在設計方案中還須合理地布置栓釘剪力連接件，保證剪力連接件真正地發(fā)揮作用。

2.2.3.5 組合樓蓋設計

在錯列桁架體系中，樓蓋是比較重要的一部分，錯列桁架體系需要承受一定的重力荷載，當重力荷載需要傳遞到豎向構件中時，需要樓蓋發(fā)揮作用。當進行樓蓋設計時，材料及構件的選擇有嚴格的要求，使用的材料和構件須滿足要求；在樓蓋的施工階段，壓型鋼板須具有一定的強度且在變形方面也有嚴格的規(guī)定，當設計時要充分考慮強度及變形；在使用階段，需要注意強度及變形的驗算。

2.2.4 鋼柱結構施工設計

鋼柱在高層土木工程建筑中具有十分重要的作用，當驗收時，須符合《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020）。該項目主要采用的鋼柱長度為90m，并將其分為7 節(jié)～11 節(jié)的構件[6]。當安裝時，需要考慮鋼柱的受力情況且關注鋼柱是否發(fā)生變形，如果發(fā)生變形，需要及時進行更換來確保施工正常進行。在鋼柱下料過程中，應根據(jù)工程需求進行，并且在鋼柱上做好相應的記號來方便安裝，其主要包括以下部分：1）焊接設計。焊接方法主要采用熔嘴和絲極電渣焊接技術。在焊接前，須進行相應的準備工作。管焊條直徑分別為Φ8mm、Φ10mm 和Φ12mm。由于渣孔不同，可以選擇相應的管焊條。焊絲采用直徑為Φ2.4mm 或Φ3.2mm 的焊絲，絲極為Φ1.6mm。電渣焊專用焊劑型號為JF-600 或HJ431（電渣焊專用）。在起弧位置加一些拋丸機鋼丸或者碎焊絲頭。耐火泥主要作用是為了當燒穿時能夠及時將渣孔封住。竹筒主要作用為添加焊劑。小鏡子用于觀察渣孔下端熔嘴或焊槍的同心度。當選取的焊條直徑為Φ8mm、焊絲直徑為Φ3.2mm 時，其選用焊接規(guī)范參考值見表2。

表2 焊接規(guī)范參考值

在焊接過程中，電流與電壓之間的匹配度十分重要。當電流過大、電壓過高時，會嚴重影響焊接效果，反之同理。在焊接過程中，應保證電流與電壓之間的匹配度適合，這樣才能保證焊接效果符合焊接標準；2）鋼柱加固。在安裝鋼柱的過程中，能夠加固桁架與兩端鋼柱鉸接的鋼柱腹板區(qū)域，這樣不僅能夠提升鋼結構桁架的剛度，而且還能提升桁架的穩(wěn)定性。在加固過程中，在柱上的腹板兩側間隔一定距離焊接橫向加勁板，在下柱的腹板兩側增設豎向加勁板和橫向加勁板，保證桁架在受力過程中不會出現(xiàn)變形情況。當桁架承受水平力時，將力直接傳到兩側縱向柱列的支撐系統(tǒng)中。

2.2.5 整體框架梁施工設計

整體鋼構件安裝質量控制流程如圖2 所示。

圖2 鋼構件安裝質量控制流程圖

框架設計：當進行框架設計時，主要采用的框架梁為H 型鋼，連接方式主要為剛性連接。在連接過程中，須在框架上下邊緣處的鋼柱中加入橫向加勁肋，防止鋼架在連接過程中出現(xiàn)變形現(xiàn)象。此外，須將框架梁設計成懸臂梁，在其連接處設置相應的熔透焊縫，腹板之間的連接采用高強度螺栓，這樣可以增強鋼材的柔韌性[7]。

施工過程設計：當焊接時，首先需要焊接框架梁的上端，其次焊接下端，焊接順序應從一段開始逐漸向另一端進行。在焊接完成后，須將焊接邊緣20mm～55mm 的雜質清理干凈，防止焊接氣孔等問題出現(xiàn)。同時應控制焊接的偏差值，見表3。

表3 焊接偏差控制

其中，腹板的連接主要采用高強度螺栓。此外當模板制孔施工時，須保證模板的孔位進度，從而保證高強度螺栓的安裝進度。如果施工過程中孔位發(fā)生偏移，需要利用鉸刀來進行孔位修正，高強度螺栓的安裝須在48h 內完成[8]。

3 鋼結構焊接變形分析

在鋼結構焊接的過程中，由于受到溫度的影響，鋼結構會發(fā)生相應的變形。為了研究鋼結構焊接變形情況，可以從焊接的熱理論方面著手分析，選擇最佳的焊接工藝參數(shù)輸入，提升鋼結構焊接的質量。

3.1 焊接熱理論分析

3.1.1 傳熱理論分析

通過分析能量守恒定律和傅里葉傳熱微分方程可知，在鋼結構焊接的過程中，其三維瞬態(tài)熱分析模型如公式（2）所示。

式中：k為x、y、z方向上的熱導系數(shù)，其大小隨時間的變化而變化；ρ為所選用材料的密度；c為相應的比熱容；φ為物體內部的熱源。

由于結構傳熱邊界條件的影響，當時間為0 時，其結構的溫度與室內溫度相同，如公式（3）所示。

在絕熱條件下，可以用公式（4）來表示其溫度變化梯度。

式中：n為發(fā)線的單位向量；?n為相應的熱導率。

3.1.2 焊接熱源模型建立

在分析最佳焊接熱的過程中，須建立相應的熱源模型，由于該項目對焊接工件的厚度有一定要求，因此應通過體熱源來進行分析。其功率模型如公式（5）所示。

式中：q0為功率密度；R為相對應的半徑。

根據(jù)該項目焊接功率的情況，可以將其轉變?yōu)楣β拭芏龋源藖矸治龊附訜岬淖兓?，如公式?）所示。

式中：q（r）為焊接的功率密度。

根據(jù)上述模型，輸入鋼結構具體物理參數(shù)并對比不同焊接熱條件下鋼結構的變形情況，選擇最佳焊接工藝參數(shù)。

4 結語

在鋼結構施工過程中，須嚴格把控鋼結施工工藝的每個環(huán)節(jié)，其吊裝技術、焊接技術和螺栓連接技術均應符合土木工程建設標準，從而提升土木工程施工的安全性。此外鋼結構技術的施工應用須不斷完善，使其能夠滿足土木工程施工的基本要求。