屋架钢结构施工工艺探讨
中铁十七局集团建设工程有限公司 吴新鹏
摘要：自然界中有许多实例表明圆管形状在各向压缩、扭转、弯曲作用下具有优异的结构性能。目前，大跨度屋盖采用相交节点圆管桁架结构已广泛应用于各类大型公共建筑。
结合本工程实例，对桁架钢结构工程的施工进行了详细的讲解，从预埋件的埋设，到吊装完成后的油漆喷涂，并对一些详细的节点措施进行了论证。
关键词：相贯节点；桁架钢结构；细部节点；
1 简介 1.1 背景
钢结构具有重量轻、受力性能好的特点，与混凝土、木材相比，钢材的密度与强度之比最小。以屋架为例，在同样的荷载强度条件下，钢屋架的重量仅为同等荷载强度条件下混凝土屋架的30%甚至25%。钢结构房屋的重量约为钢筋混凝土房屋的50%，但可使用面积却比钢筋混凝土房屋高出4%左右。另外，钢结构均在工厂加工制作，具有大件批量生产、成品精度高的特点。采用工厂化制造、现场安装高强度螺栓的施工方式，有效地缩短了施工工期，为降低建设成本、发挥投资的经济效益创造了条件。在同等条件下，钢结构工程的建设工期仅为钢筋混凝土结构的1/3至1/2。此外，钢结构材料性能良好，可靠性高。钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，塑性和韧性好，是理想的弹塑性体。因此，钢结构不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破坏。能适应振动荷载，计算模型能较好地反映钢材的力学性能，因此分析准确可靠。虽然单纯从目前的材料价格来看，钢结构造价要高于混凝土结构，但钢结构的施工速度比混凝土结构快50%左右，将节省大量的工期和费用；钢结构整体重量比混凝土结构轻50%以上，地基处理和运输费用也会减少。建房是一个系统工程，包括设计、制造、运输、安装、维护和管理等，所以从总体上看，钢结构更“经济”。因此，现在越来越多的屋顶采用钢结构形式。
2 屋架体系介绍 2.1 钢桁架材料介绍
圆钢管采用直缝钢管，加劲肋材质与母材相同。主桁架及预埋件材质为Q345B，支撑、拉杆材质为Q235B，部分材质为Q355B。普通螺栓符合国家标准《六角头螺栓-A、B级》（GB 5782），地脚螺栓采用Q235B钢材。钢材抗拉强度实测值与屈服强度实测值之比应不小于1.2，钢材应有明显的屈服台阶，伸长率应大于20%。钢材焊接性能良好，冲击韧性合格。焊接承重结构和重要非承重结构均应有冷弯试验合格保证。
采用手工焊时，Q235B钢采用E43型焊条，Q345B钢采用E50型焊条。采用自动或半自动焊时，所用焊剂、焊丝应与主体金属材料强度相适应，且熔敷金属的抗拉强度不应低于相应焊条的抗拉强度。角焊缝高度按焊件最小厚度选择如下表：
最小焊件厚度t
t≤7
8≤t≤10
11≤t≤13
14≤t≤16
角焊缝高度 hf
10
12
高强度螺栓连接的钢摩擦面抗滑移系数值为0.5，高强度螺栓等级为10.9级。
2.2 钢桁架概述
南区（A区）、北区（B区）：其形式为：主、次双向平面桁架、环形空间立体桁架、垂直空间抗风桁架、水平支撑与拉杆组成的结构体系。其他屋面：采用空间蜂窝网架、空心网架、板桁架、H型屋面钢梁。屋面A区：钢柱为钢管格构柱（斜柱），柱脚采用销钉连接，柱顶采用销钉与环形桁架下弦杆连接；共设置4道主桁架，主桁架（平面桁架）长约38.5米，外侧三个方向设置环形桁架（倒三角桁架）。抗风柱：三角格构柱，共12根。屋面B区：钢柱为钢管格构柱（斜柱），柱底采用销钉连接，柱顶采用销钉与圆桁下弦杆连接；共设置4道主桁架，主桁架（平面桁架）长约30米，外向3个方向设置圆桁架（倒三角桁架）。抗风柱：三角格构柱，共9道。
南（A区）、北（B区）：其形式为：由主次双向平面桁架、环形空间立体桁架、垂直空间抗风桁架、水平支撑及拉杆组成的结构体系。
其余屋面采用空间蜂窝网架、空心网架、板桁架、H型屋面钢梁等形式。
图1 屋面钢结构BIM三维实体模型
2.3钢桁架构件安装施工工艺
图2 钢构件安装流程图
2.3.1钢结构的运输、到货及就位
1）构件及材料运输至现场应按计划进行，现场计划应精确到每个构件的数量，所需构件应至少提前一天运抵现场，同时应考虑现场堆放情况，尽可能协调安装施工与生产加工的关系，确保整体工作按计划进行。
2)钢构件运输应符合下列要求
（1）装卸、运输过程中不得损坏构件，防止变形。
（2）构件运输应按吊装规程要求进行，并考虑配套供应。
（3）构件在运输车辆上应对称放置，装卸车辆时应注意对称操作，保证车体和车辆上构件的稳定性。
（4）构件运输过程中，宜用木垫块、拉紧绳索，防止构件在运输过程中松动、滑落。对重心不稳定的构件，还应使用支架稳定。
3）构件到达现场，验收人员应根据运输清单核对构件数量、规格、件数，确认无误后方可签字并组织卸车，并具备以下技术文件：
（1）设计变更文件及钢构件施工图，并在图纸上注明修改的位置。
（2）处理生产过程中的加工、结构问题的相关变更协议文件。
（3）所有钢材等材料的质量证明书及高强度螺栓的扭矩系数试验报告。
4）发现零部件或材料的数量、规格、质量、编号等有问题，应及时反馈并做好记录。
5）对于运输过程中造成的损坏，严重损坏应返回生产现场修复，轻微损坏可现场修复。已修复的钢构件必须重新进行检验。
6）钢构件的堆放
（1）力争在起重地点附近堆放并遵循“重近、轻远”的原则，满足钢构件堆放、检验、组装和配套供应的要求。
（2）钢桁架构件应在吊装现场沿吊车路线两侧轴线方向堆放，避免造成现场二次运输困难。钢梁、支撑等应按吊装顺序供货、堆放。钢构件堆放以不造成超出规范要求的变形为原则。
（3）元器件应按规格、型号分类堆放，并将元器件编号轮流放在显眼的地方。
（4）构件堆放应采用木垫块，次构件（支撑、檩条、连接梁等）每堆堆放高度不宜超过2m，梁、柱不宜超过3层。螺栓、高强螺栓、螺柱等应在室内堆放，底层应垫高，防止受潮。
（5）每堆构件之间应留有一定的距离，以方便预检和装卸作业。每隔一定数量的构件，还应留出一定的空间供装卸机械使用。
2.3.2 安装工况
1）主要材料已运抵现场，并经监理单位验收合格，满足安装要求。
2）安装方案等各项技术文件已审核批准，各项技术准备就绪。
3）完成了高强度螺栓各项工艺评定试验、扭矩系数、滑移系数试验。
4）基本交接
（1）土木工程单位应当提供轴线、高程基准点或者测量控制网络及相关标记；并提供相关验收资料。
（2）已依据土建单位基准点或测量控制网络对基础轴线、标高、支撑、锚栓进行技术审查。
（3）交接检查时应注意：基础轴线标记、高程基准点的准确性、完整性；地脚螺栓位置的准确性；基础表面的平整度及二次浇注的基础表面的毛化程度；地脚螺栓的清洁度及地脚螺栓的完整程度。
2.3.3钢结构安装顺序图
图3 钢结构现场施工区域
由于AB区为抗风桁架，CDE区为普通钢柱钢梁，F区标高最高，因此安装顺序为→A区→B区→C区→D区→E区→F区。由于AB区结构类似，以A区为例：
·预埋件安装
预埋件的埋置工艺及定位措施是影响预埋件施工质量的关键环节，作业前应制定详细、可操作的工艺标准，并对操作人员进行详细的指导。
1.施工准备
1）预埋件（螺栓）到达现场应附有质量证明文件及产品合格证，到货后应组织相关人员检查验收。
2）安装前应与施工技术人员办好测量控制线交接手续，复核所给的测量控制线，并根据控制线测出预埋件（螺栓）的平面、标高控制线。
3）按工艺要求加工辅助支架，配制辅助材料，并由专人存放在指定位置妥善保管。
4）对施工使用的电焊机、气割机、测量器具等进行统一检验、调试。
2.施工方法
1)预埋件（螺栓）的测量定位控制线宜单独设置。各预埋件的控制线应从结构控制轴线分别测量，并在已浇筑混凝土或固定钢筋表面做好控制标记。
2）安装前应在预埋件上做好中心定位标记，以便安装时测量、校正。
3）当预埋件锚杆与结构主筋发生冲突时，可适当调整锚杆位置，保证预埋件安装位置；当预埋螺杆与主筋发生冲突时，应尽量调整主筋位置钢结构预埋件技术交底，保证螺杆按设计要求到位。
4）预埋件与结构钢筋的临时固定可采用箍筋绑扎或点焊的方式。施工时应避免将预埋件直接焊接在结构主筋上。临时定位措施应可靠牢固，并能承受一定的施工荷载。
5)同一柱基处预埋螺栓的相对位置应采用模板固定。模板可采用槽钢支架或有精确孔位的钢板。模板与丝杆应采用螺母固定，不得采用点焊或焊接定位。安装时，应通过控制模板中心点的位置和模板中心线的方向来控制螺栓组的位置。
6)预埋件及预埋螺栓就位后，应在混凝土浇筑前及浇筑、振捣过程中对预埋件及螺栓的位置进行跟踪测量，并制定相应的纠正措施。
7)混凝土浇筑完毕并达到一定强度后，应拆除定位板或定位支架。
8)预埋螺栓安装就位后，应采用自粘胶带或塑料套管进行保护，防止混凝土浇注时损伤螺纹或污染螺纹。
3、预埋件审查验收：
1）柱顶各预埋件行、柱标记、标高基准点完整、准确；混凝土柱顶面平整。
2）承载面、支撑及地脚螺栓的允许偏差见下表：
物品
项目
允许偏差(mm)
支撑面：
高程平整度
±1.5
1/1500
柱顶锚栓（可选）
支持范围内 支持范围外
±1.5
1/1500
柱顶锚栓伸出承载面的长度
±20.0
柱顶锚栓螺纹长度
只允许延期
屋架组装
屋架在工厂分段切割预制，抛丸处理至Sa2.5级，涂刷底漆成为半成品后运至安装现场组装。构件运至现场后进行分类、计数，并根据图纸核对其尺寸、标记，核对构件交付所需的质量证明书、设计更改文件和技术资料。
1.屋架现场组装：
1）组装前，在施工现场制作操作平台，并在平台上设置拱架，确保钢桁架组装质量满足设计要求。
2）各钢桁架构件按图纸要求在装配平台上进行组装。
3）组装时，按设计要求将各节段杆件按图号顺序组装在平台上。（钢管对接时钢结构预埋件技术交底，内加衬管，采用V型坡口焊接，对接间隙为5mm）
4)管桁架组装时，先组装上弦杆，再组装下弦杆，然后组装上下弦杆之间的腹板，再组装上弦杆及上弦杆之间的杆件，最后组装上下弦杆之间的腹板，完成组装。
5）管桁架拼装时还应考虑桁架的预拱值，预拱值按图纸及规范要求进行，当桁架跨度大于24米时可提高到L/500，小跨度不需拱起，吊点一般不少于4个。
6）组装点焊完成后开始焊接，采用全焊透焊接；焊接时，先对上下翼板进行打底焊，再按要求进行盖面焊，防止焊接变形。其中（腹板与弦杆连接处焊脚尺寸为6mm，焊缝等级为2级，主、次桁架与环桁架连接处为相贯焊缝）。
7)拼接和对接焊缝为二次焊缝。所有全焊透的对接焊缝均应按要求进行超声波检验。不合格的焊缝可采用碳弧气刨或切割等方法返工和重新焊接。但同一部位返工次数不得超过两次，以免引起钢材性能和温度的差异。二次焊缝的质量等级和缺陷分类应符合下表规定：
焊缝质量等级
1级
2 级
内部缺陷超声波检测
等级
二
三
检查级别
B 类
B 类
瑕疵检测率
100％
20％
内部缺陷射线检测
等级
三
三
检查级别
AB 级
AB 级
瑕疵检测率
100％
20％
笔记：
探伤率的计算方法应按下列原则确定：
对于工厂制造的焊缝，应按每条焊缝计算百分比，探伤长度不应小于200mm，当焊缝长度小于200mm时，应对整条焊缝进行检测。对于现场安装的焊缝，应按同类型、相同焊接条件下的焊缝数量计算百分比，探伤长度不应小于200mm，且不应少于1条焊缝。
8）装配注意事项：
地面拼装前对构件进行检查，如构件的变形或缺陷超过允许偏差，必须进行处理。同时检查高强螺栓连接的摩擦面，不得有泥土、沙子等杂物，摩擦面必须平整、干燥，不得在雨中作业。地面拼装完成后，用无油枕木垫好构件，用木条支撑构件两侧，以增强稳定性。检查吊挂点，找正基准点及中心线。
屋架吊装
1）起重场地硬化、起重设备及起重点的选择：
一般先安装临时支撑，再吊装主、次桁架。屋架在地面组装完毕后，将组装好的钢桁架运至安装地点。为保证吊装施工的正常进行，汽车起重机的路线需平整、硬化。吊装采用单桁架整体吊装，吊点一般选在桁架峰值弯矩最小的位置，一般在两端1/4位置。具体为：
①吊装前用挂钢尺、水准仪的方法向下部结构测量标高，控制桁架与下部结构各相交点的标高。吊装前两端用滑绳控制。钢桁梁缓慢吊装后，注意安装方向，防止与下部结构发生碰撞，然后缓慢落到位。
②桁架梁弦杆与下部结构交接处达到设计标高后，先将桁架梁弦杆与下部结构点焊，确定两端标高、整个桁架的垂直度等空间位置后焊接固定。再将连接桁架梁间支撑桁杆安装好，所有杆安装焊接好后，卸下挂点，慢慢取下吊钩。
本次采用的桁架连接节点有销节点、球节点、板节点等，并根据图纸施工相应部位。
钢桁架吊装一般采用多台汽车起重机配合，分别吊装组装好的管桁架单元，吊装杆件，连接管桁架单元。
吊装工序及方法：
屋架吊装采用自下而上的方式，下部结构就位、校准、支撑构件紧固后，方可进行所有上部结构的吊装。
（1）屋架吊装安装工序：
地面就位→检查→空中吊装→支撑连接（钢柱安装）→检查→支撑、拉杆、主桁架吊装→短次桁架吊装→水平拉杆焊接→校正检查→支撑固定。
当屋架与支撑连接好后，对屋架的垂直度及安装进行校正并最终固定。 屋架校正合格后，方可拧紧各部位螺栓进行最终固定；如此反复，方可逐步吊装下一轴屋架。
（2）吊装注意事项：
1）连接所用高强螺栓必须查验其合格证，并按出厂批号复检扭矩系数；长度、直径须符合设计要求；高强螺栓应自由插入孔内，不得强行敲击或气割扩孔；插入方向须一致。用电动扳手从中心向外拧紧高强螺栓，拧紧分为初紧和终紧；初紧量应为终紧量的50%；高强螺栓接触面有间隙时，小于1.0mm的间隙可不处理；对于1~3mm的间隙，将凸起的一面磨成1：10的斜角，磨削方向与受力方向垂直；对于大于3mm的间隙，加垫，垫块处理方法与接触面相同。
2）每个构件安装前，应对构件进行检查；如有超出公差的变形或缺陷，应处理后方可安装材料；清除构件表面的油污、泥土、沙子、灰尘等杂物。
3）安装前应设置高程观测点及中心线标记，同一工程的观测点及标记应设置一致并跟踪。
4) 吊装过程中不得与现场现有建筑物发生碰撞；构件吊装过程中划伤的漆面应在当天清理干净、重新涂漆。
5）钢结构安装过程应保证结构稳定性，避免构件产生永久变形。对于稳定性较差的构件，在吊装前应进行稳定性校核，必要时应进行临时加固。钢结构安装、校正时，应考虑外界环境（风、温度、日照等）及焊接变形因素的影响，当由此引起的变形超过允许偏差时，应采取措施。
6）吊装完毕后，钢构件自检合格后涂刷面漆。
该桁架采取了一些加固措施，以防止主管壁受到冲切和剪切损坏。
图4 节点加固措施
钢结构吊装前底漆涂装
本工程室外钢结构表面防锈采用环氧无机富锌底漆，涂膜厚度70μm，防火采用环氧云铁中间漆，涂膜厚度70μm，超薄防火涂料3.4mm，聚氨酯面漆100μm。
（1）工作条件：
涂装前，钢结构工程已经检查验收，符合设计要求；涂装现场应有安全防护措施和防火通风措施，防止火灾、中毒事故；室外作业应避免在刮风、下雨、气温低于5度时进行涂装。
（2）底漆涂装
1）涂装前应将钢结构表面清理干净，清除安装焊缝的焊剂，用干净的刷子和棉纱将基面擦干净，对有烧伤或碰伤的构件涂底漆。如有锈迹，应先除锈后再涂底漆。（组装、焊接部位必须清除焊渣，表面处理达到St3级要求后方可涂装同种油漆）。
2）配制油漆时应选择颜色完全相同的面漆，稀释剂要合适。面漆使用前应充分搅拌，以保持颜色均匀。粘度和稠度应确保涂刷时不会出现滴漏或刷痕。
3）面漆在使用过程中应不断搅拌，涂刷第一层漆时，刷涂方向应一致，接缝应整齐，涂刷时应采用勤蘸、短刷的原则，防止刷子带走过多的油漆，造成滴落。
4）第一道漆干燥后，再涂刷第二道漆，第二道漆应垂直于第一道漆施工，这样可使漆膜厚度均匀，两道漆间隔时间应大于4小时，但不得超过8小时。
5）喷涂时应适当调整喷嘴口径和喷涂压力，使喷枪管能自由伸缩至工作区域，空压机压力应在0.4~0.7N/mm2之间。
6)喷涂时喷嘴与涂层的距离应保持100mm左右，喷枪应与钢结构表面保持垂直，或喷嘴略微倾斜。
7）喷涂时喷嘴应平行移动，运动应平稳，速度应一致，以保持涂层均匀；喷涂时涂层一般较薄，应分多次喷涂，且每层都应在前一层漆膜干燥后再喷涂。
8) 滚涂时，应采用滚涂与刷涂相结合的方式，对难以用滚筒涂刷或无法用滚筒涂刷的区域，应使用刷子涂刷。滚涂时应分层交叉，以达到设计要求的层数和厚度。
（3）涂层检查与验收：
1）表面涂装后的油漆色泽应均匀、鲜艳、有光泽，无皱纹、凸起、滴落。
2）漆膜厚度的测定：采用接触式漆膜测厚仪测量漆膜厚度，漆膜测厚仪一般测量三点厚度，取平均值。
结论：
屋面钢结构形式多样，随着材料的更新、方法的改进，今后在高层建筑中会越来越多的出现，因此本文中具体的施工工艺和节点加固措施值得了解和借鉴。
参考
[1] 钢结构设计标准，GB50017-2017
[2] 冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002
[3]《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
[4] 建筑抗震设计规范GB50011-2010
[5]《钢结构设计规范》GB50017-2017
[6]《钢结构焊接规范》GB50661-2011
[7] 钢结构超声波探伤与质量评定，JG/T203-2007
[8]《建筑钢结构焊接技术规范》JGJ81-2002
