高层建筑裙房钢桁架钢梁和钢柱安装技术研究

盛美芳 孙会昌

钢梁和钢柱是钢桁架的重要构件，其安装质量直接影响钢桁架的强度和稳定性。在钢结构安装时，除了要控制施工质量，还要加强对吊装方法、安装精度以及焊接技术等的管理。

1 研究现状和工程概况

1.1 研究现状

根据康乐[1]对高层建筑梁柱连接部位的受力分析，钢梁与钢柱的连接节点是传递内力和承受荷载的关键部位，提高该节点的抗震性能和承载能力是保证高层建筑结构稳定的关键举措。朱光强等[2]使用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术建立高层建筑的三维模型，通过深化设计和优化模型，实现了塔冠钢构件的快速吊装，有效提高了施工单位的项目管理能力。李智美[3]通过建立大跨度钢桁架拱桥模型，对动静荷载进行有限元模拟分析，结果表明钢柱与钢梁连接点应力集中，容易出现开裂问题，因此在钢桁架安装时要重点加强钢柱和钢梁的施工管理，防止出现变形和开裂等问题，切实保障钢桁架的整体稳定性。郭再旭等[4]以超高层建筑为例介绍了钢结构吊装参数的计算方法，如吊装带长度计算和吊装机具额定载重计算等，为施工单位安排吊装机具和安装钢结构提供了参考。成佳明等[5]利用光视觉传感技术设计了适用于钢结构焊缝坡口的识别方法，在钢结构焊接作业中可以准确识别并自动标记坡口，能够有效改善焊接质量。

本文的创新点为在钢桁架钢梁和钢柱的安装中融入全过程管理理念。首先，在安装前严格检查钢梁、钢柱和支撑胎架等钢构件的质量，执行严格的验收标准，以保证钢结构型号和规格符合施工要求，杜绝锈蚀和变形等质量缺陷。其次，在安装过程中严格控制安装精度并设置临时支撑，根据情况灵活选择以螺栓或焊接的方式固定钢构件。最后，在安装完成后采用观察法和无损探伤法检查钢桁架的安装质量。通过以上精细化的全过程管理模式，确保高层建筑裙房钢桁架工程顺利通过验收，实现良好的社会和经济效益。

1.2 工程概况

某高层建筑占地面积27650.4 m2，高度为74.5 m，共22层，其中地上1～6层为裙房。裙房为钢结构与混凝土组成的混合结构，钢桁架由H 型钢梁、箱形钢柱、箱形交叉撑以及水平连梁等构件组成，构件材质均为Q355B。此外，H 型钢梁的最大截面为1400 mm×800 mm×40 mm×60 mm，箱形钢柱的最大截面为900 mm×900 mm×60 mm×60 mm。本工程钢梁和钢柱等钢构件数量较多且悬挑量大，对安装和焊接技术提出了较高要求。

2 钢梁安装工艺

2.1 安装准备

钢梁吊装前，一方面，要检查钢梁的定位轴线、标号、截面尺寸以及表面质量等是否符合安装要求，检验合格后方可进场安装。另一方面，要核对螺栓数量和型号，确认无误后装入帆布包中并用钢丝捆扎在钢梁端部。

2.2 钢梁安装流程

本工程吊装H型钢梁采用捆扎法:第1，吊机操作人员按照均匀慢速原则将钢梁从地面提升至相应楼层，并配合施工人员将钢梁放置于指定位置。第2，通过冲钉定位钢梁并使用螺栓临时固定，临时固定结束后方可松开吊钩。用于临时固定的螺栓数量不得低于螺栓总数的1/4。第3，安排专人进行预检校正，检查内容包括连接件平整度和预埋件位置等，若发现问题应立即微调校正。第4，使用高强螺栓连接钢梁与钢柱等其他钢构件，并进行焊接固定。钢梁安装流程如图1所示。

图1 钢梁安装流程图（来源：网络）

2.3 钢梁安装防护措施

钢梁吊装属于高空作业，因此在施工过程中要设置防护措施，一方面能够避免钢构件因碰撞产生破损，另一方面能够保障现场施工人员的人身安全。

钢梁安装防护措施如下：第1，在起吊前应检查钢梁与吊机挂钩连接是否牢固，防止提升期间发生脱钩掉落事故；第2，钢梁吊装尽量选择晴朗无风或者微风天气，严禁在大风天气下作业；第3，应在外圈钢梁处设置生命线，并在每层钢梁上部设置环形通道，以保证施工安全。

3 钢柱安装工艺

3.1 钢柱安装流程

钢桁架吊装前需复核建筑定位轴线和钢筋混凝土面标高等数据，确认无误后方可开始吊装：第1，参照设计图纸采用直角坐标法画出每根钢柱基础的纵横轴线，并使用红色油漆做出三角标记，便于钢柱对中，确保上下节钢柱的中轴线保持在一条直线上。第2，将钢柱上端口的连接板作为吊耳，使用扩孔器将连接板最外侧螺栓孔扩大3 ～5 mm，方便穿入吊钩。第3，遵循均匀慢速原则吊装钢柱，将钢柱提升至指定位置后，利用经纬仪和水准仪校正，确保位置精度达标后缓慢放下，防止提升太快出现碰撞和掉落等事故。第4，采用斜撑临时固定钢柱，固定牢靠后松开吊钩。

在第1 节钢柱吊装到位并进行临时固定后，测量柱顶标高，对比测量值和设计值，若两者误差超过5 mm需要进行调整。除此之外，如果测量值大于设计值需要在柱顶截去相应的误差长度，反之则需要焊接相应厚度的钢板，而且焊接钢板材料必须与钢柱材料相同。钢柱每次调整幅度不得超过5 mm，调整幅度过大会导致钢结构变形。误差调整至允许范围内后，应先紧固临时连接板上的螺栓，然后再采用对缝焊接的方式焊接钢柱与其他钢构件。

3.2 钢柱安装注意事项

首先，为增加钢柱吊装施工过程的稳定性，每根箱形钢柱都需要使用4 根钢丝绳进行吊装。要充分考虑钢柱起吊时下部应力集中的影响，在钢柱下方放置1 块枕木，避免钢柱从吊起至完全离开地面的过程中由于应力集中而出现变形损坏的情况。其次，将钢柱提升至安装位置上方约50 cm处后停止移动吊机，保持钢柱稳定。最后，借助水准仪等设备将钢柱中心线与下节柱中心线完全对齐，并将钢柱下移至指定位置，此过程至少需要2 名施工人员配合完成，1 人负责对齐钢柱，另1 人协助稳固钢柱。

为保证钢柱安装质量，需要重点关注钢柱校正。钢柱就位后，先将钢柱中轴线与底座柱头中心线重合，然后用螺栓临时固定钢柱，最后校正钢柱垂直度。钢柱垂直度应控制在90°±0.1°范围内，若倾斜角度超出范围则需要调整角度。同时，要测量钢柱标高，当实测值低于设计值时可以在上下2 节钢柱之间嵌入相应厚度的钢片，保证钢柱标高符合安装要求。此外，本工程为多层工程，为避免误差累积，每节钢柱的定位轴线均以地面控制线为基准，禁止上引下层钢柱轴线。

4 支撑胎架的安装和拆除

4.1 安装支撑胎架

为保证施工安全，需在悬挑钢桁架下方安装临时支撑胎架。本工程钢桁架的结构形式需安装3 组胎架，包括1 组TJB 型胎架和2 组TJA 型胎架。TJA 型胎架的设计高度25.4 m，平面尺寸1.5 m×1.2 m，由4 片321 型贝雷架连接而成，利用底部传力梁和预埋件固定在混凝土底面上，传力梁规格600 mm×600 mm×15 mm×20 mm。TJB型胎架的设计高度9.3 m，平面尺寸、结构形式和固定方式同TJA 型胎架。

支撑胎架安装流程如下。首先，按照设计图纸在施工现场拼装胎架并检查拼装质量。其次，利用吊车将胎架提升至指定位置，并利用侧向风绳保持胎架稳定避免碰撞。最后，在支撑胎架下方安装转换梁，采用规格为200 mm×200 mm×10 mm×15 mm的H型钢梁，并用20 mm 厚钢板加强腹板。转换梁的作用是将支撑胎架承受的荷载传递给混凝土梁柱。

4.2 拆除支撑胎架

钢桁架主体结构安装完成后，可以拆除临时支撑胎架。由于钢桁架属于大跨度钢结构，随着支撑胎架的卸载，钢结构承受的应力会相应增加，在支撑胎架完全卸载后钢结构承受的应力达到最大值。为了避免钢结构因应力集中出现变形和断裂等问题，采用火焰切割法卸载支撑胎架，而且拆除时必须按照安全优先原则:第1，检查钢结构螺栓的终拧和焊接情况，保证节点连接牢固。若发现螺栓松动或焊接裂缝需要及时处理，验收通过后方可进行火焰切割。第2，使用钢尺在需要切割的支墩上测量5 mm长度，并使用记号笔做出标记。第3，利用乙炔火焰切割机切割胎架顶部支墩，必须同时切除3 个支墩，避免出现某个支墩单独受力的情况。在支撑胎架拆除完成后的24 h 内应持续监测，确保钢桁架稳定。

5 钢结构焊接

在钢柱和钢梁等主要钢构件安装完成后，要焊接钢构件连接处和钢梁与预埋件接连处。钢构件间的连接焊缝或对接焊缝均为一级焊缝，可采用手工电弧焊和半自动二氧化碳气体保护焊2 种焊接方式，焊接完成后要100%使用超声波探伤检测。

5.1 焊接前准备工作

本工程焊接使用低氢型焊条，使用前需进行烘干处理，即将焊条放入烘干箱中，烘干温度为360 ℃，烘干时间为90 min，烘干完毕后将焊条转移至保温箱待用，保温温度为120 ℃。如果烘干后的焊条超过4 h 未使用则需要重新烘干，每根焊条最多可烘干2 次。此外，要检查焊材质量，如果出现焊丝生锈和药皮脱落等质量问题需更换焊材。

焊接前需要清洁焊缝坡口及附近30 mm 范围，擦除灰尘和油污，使其呈现金属光泽。此外，要进行焊前预热，尤其是较厚的钢板。通过焊前预热能减缓焊接接头的冷却速度，防止焊接部位出现淬硬组织，降低焊接变形的概率，提高焊接质量。本工程中采用双面V 形坡口，处理方式如图2 所示。手工电弧焊应选择无风或微风天气进行，若风速超过8 m/s 则应停止焊接作业或采取防风措施后再进行焊接。

图2 双面V 形坡口处理示意图（来源：作者自绘）

5.2 焊接流程

为减少焊缝收缩产生的应力破坏，焊接作业应按照由内向外的顺序进行。首先，正式焊接前施焊人员要再次确认结构尺寸、坡口角度和施工条件，确认无误后开始定位焊。其次，设定焊接工艺参数，以手工电弧焊为例，焊材型号为E5015，Φ3.2 mm 焊材的焊接电流为100 ～120 A，电压为22 ～25 V；Φ5.0 mm 焊材的焊接电流为200 ～240 A，电压为26 ～28 V。最后，在上节柱安装并校正后采用对称施焊法开始焊接。两层一节钢柱横焊时，要先对称焊接腹板，然后焊接上层和下层的连接点，如图3 所示。焊接完成后及时清除焊渣和飞溅，如有焊瘤必须清理干净。与此同时，检查焊缝外观符合施工要求后，按照《钢结构工程施工规范》（GB 50755—2012）的要求，使用超声波探伤技术检查焊接质量。

图3 两层一节钢柱焊接顺序示意图（来源：网络）

5.3 焊接防护措施

为保证施焊安全，提高焊接质量，一方面，在焊接完成后立即进行焊后保温处理，先加热焊件至200 ～300℃并保温4 ～6 h，然后自然冷却至常温。通过焊后保温让焊缝中残留的氢快速逸出，能够降低焊缝的含氢量和焊接残余应力，防止产生冷裂纹，增强焊接牢固性。另一方面，高空焊接时要采取防风措施。在焊接钢柱时可以设置防风棚，在焊接钢梁或其他不便搭设防风棚的情况下，可以使用压型板制作小型挡板封闭焊口，以便有效提高焊接质量。钢梁焊接防风措施示意图如图4 所示。

图4 钢梁焊接防风措施示意图（来源：作者自绘）

6 结语

在高层建筑裙房钢桁架工程中，钢结构的安装质量直接决定着钢桁架的稳定性和安全性，影响着高层建筑的施工质量和施工安全。本文结合工程实例探究了钢桁架钢梁、钢柱及支撑胎架的安装技术，并得出以下结论：在钢梁和钢柱等钢结构安装前必须进行钢构件质量验收；在钢梁和钢柱安装期间应采取防护措施；焊接时需要进行焊前预热和焊后保温，并应采取防风措施。