馬旭國(guó)

（中鐵建工集團(tuán)北方工程有限公司，天津300450）

1 引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木工程施工的關(guān)鍵所在，磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等都是較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，它們?cè)诔兄?、耐久等方面都有各自的?yōu)勢(shì)。但當(dāng)前伴隨城市建設(shè)進(jìn)程的深化，高層、超高層建筑占比增加，大型工廠建設(shè)需求旺盛，舊有鋼混、磚混等結(jié)構(gòu)由于自重、抗震性能等的限制，均存在較大的局限，已無(wú)法滿足新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，探尋和總結(jié)高效的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)是十分必要的。

2 鋼結(jié)構(gòu)在土木工程施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 強(qiáng)度高且質(zhì)量較輕

鋼結(jié)構(gòu)主要是以鋼鐵為原料制成的，與舊有混凝土結(jié)構(gòu)相比，其抗拉性能更為優(yōu)良，以Q235鋼為例，在16 mm厚度以?xún)?nèi)，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可以達(dá)到235 MPa，而相同狀況下的C30混凝土設(shè)計(jì)值只有14.3 MPa，差別極為懸殊[1]。同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)塑性較好，截面可依據(jù)需求設(shè)計(jì)工字形、槽形等，從而在有限的自重范圍內(nèi)，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。近年來(lái)，伴隨土木工程施工技術(shù)的完善，鋼結(jié)構(gòu)逐漸分化出了多種技術(shù)類(lèi)型，除高層鋼結(jié)構(gòu)外，還衍生出了空間鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)等，前者以鋼管球節(jié)點(diǎn)為支撐，結(jié)合變截面網(wǎng)架進(jìn)行搭建，外形美觀且鋼材消耗量也不大。輕鋼結(jié)構(gòu)則尤以質(zhì)量輕著稱(chēng)，外圍護(hù)由輕型鋼板組成，內(nèi)部則以H形鋼墻梁支撐，配合鋼制屋面檁條加固，整體跨度最大可超過(guò)30 m，在現(xiàn)代廠房、體育館等土木工程建設(shè)中，應(yīng)用極為廣泛，輕鋼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 工廠輕鋼結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 材質(zhì)均勻且結(jié)構(gòu)可靠

鋼結(jié)構(gòu)由鋼材統(tǒng)一切割、組裝形成，本身材質(zhì)較為均勻，是一種較為理想的彈性塑性體，力學(xué)計(jì)算干擾較少，因此，計(jì)算得出的結(jié)果也更加可靠，能夠較為直觀地反映土木工程受力情況，為方案規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。均勻的內(nèi)部構(gòu)造還能有效規(guī)避混凝土結(jié)構(gòu)中，沉降、開(kāi)裂等問(wèn)題，減少外界環(huán)境的不良干擾。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)率也相當(dāng)優(yōu)良，以鋼材本身屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度可高出該數(shù)值20%，即使材料受到地震等載荷的作用，進(jìn)入屈服階段，也能留出較大的變形空間，從而吸收地震能量，延緩彎曲、折斷等問(wèn)題的發(fā)生時(shí)間。需要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)韌勁與溫度變化關(guān)聯(lián)較大，因此，對(duì)于氣候寒冷區(qū)域的土木工程項(xiàng)目，要優(yōu)先考慮鋼結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)率和抗屈服能力等，適當(dāng)增大低碳鋼的應(yīng)用比例，提升結(jié)構(gòu)韌性。

2.3 經(jīng)濟(jì)與環(huán)保性能優(yōu)良

土木工程規(guī)模較大，耗費(fèi)極多，造價(jià)管控難度較高，同時(shí)混凝土施工還會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染，與生態(tài)文明理念相悖。而鋼結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用工廠定制方式，所有構(gòu)件都按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)打造，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝，可以根據(jù)需求選擇焊接、鉚釘連接等方式，靈活性更高，濕作業(yè)頻率減少，能夠有效提升施工環(huán)保性。鋼結(jié)構(gòu)模式下，構(gòu)件制作流程大部分由工廠承擔(dān)，還有助于縮短施工周期，加快資金回流速度，節(jié)省人工費(fèi)用等，剩余材料還能滿足二次使用需求，提高了資源配置效率，有助于提升土木工程項(xiàng)目方造價(jià)管控質(zhì)量。

3 鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 選材與吊裝技術(shù)要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特質(zhì)，在當(dāng)前土木工程市場(chǎng)上受到了廣泛青睞，但該結(jié)構(gòu)類(lèi)型也存在一定弊端，比如，防銹、防火性能較弱，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)200℃限值時(shí)，結(jié)構(gòu)自身極易產(chǎn)生變形，直接威脅工程穩(wěn)定性，降低防火等級(jí)。因此，國(guó)家在鋼結(jié)構(gòu)施工標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)比例、生產(chǎn)指標(biāo)等進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，在選材時(shí)要以此為依據(jù)，選擇有生產(chǎn)資質(zhì)、證書(shū)齊全的產(chǎn)品。碳素鋼是當(dāng)前較為常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)材料，其自身硬度與強(qiáng)度較大，能夠滿足土木工程抗壓需求，但韌性、可塑性相對(duì)欠缺，部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)中要適當(dāng)搭配低合金鋼，提升項(xiàng)目安全性能。從構(gòu)件截面設(shè)計(jì)角度來(lái)看，當(dāng)前工字形、箱形截面都較為常用，部分項(xiàng)目中還會(huì)涉及十字形、復(fù)合形截面，要與連接工藝進(jìn)行匹配，明確參數(shù)要求。鋼構(gòu)件吊裝可先用BIM進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定機(jī)械停放位置，保證吊裝過(guò)程平穩(wěn)、有序。受安裝流程影響，鋼柱柱腳部位可能設(shè)置有螺栓，吊裝前要進(jìn)行緊固確認(rèn)，防止其脫落，預(yù)埋坐標(biāo)誤差要控制在2 mm以?xún)?nèi)，標(biāo)高誤差則要控制在5 mm以?xún)?nèi)[2]。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)連接技術(shù)要點(diǎn)

3.2.1 焊縫連接

焊縫連接是鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)有的連接技術(shù)。鋼材在電弧焊加熱下，局部會(huì)發(fā)生明顯的融化，后續(xù)經(jīng)冷卻凝固即可形成焊縫，對(duì)2個(gè)相互獨(dú)立的鋼構(gòu)件進(jìn)行連接。實(shí)際操作時(shí)首先要做好檢查工作，剔除焊芯生銹等存在缺陷的焊條，如果沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)規(guī)定，則要根據(jù)鋼構(gòu)件本身材質(zhì)進(jìn)行比選，Q235鋼適宜搭配E43系列碳鋼焊條，同時(shí)注意區(qū)分酸性和堿性焊條，分開(kāi)存放，防止混用。焊接開(kāi)始前應(yīng)當(dāng)做好檢查，清除焊縫部位周?chē)挠臀?、銹漬等，以焊條焊接位置為依據(jù)，常見(jiàn)的焊接形式主要有平焊、立焊等，其差別可見(jiàn)圖2。平焊過(guò)程中，電弧應(yīng)與待連接對(duì)象隔開(kāi)一定距離，以2~4 mm為宜，均勻控制焊接速度、電弧長(zhǎng)度等，與構(gòu)件之間保持一定的角度。立焊與之流程類(lèi)似，但電流應(yīng)適當(dāng)減小，以平焊電流的85%~90%為宜；仰焊過(guò)程中，則要結(jié)合焊件厚度對(duì)夾角進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)采用小電流焊接技術(shù)；橫焊電流與立焊一致，焊條向下傾斜，電弧長(zhǎng)度同樣維持在2~4 mm即可，焊接完成后嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收工序，對(duì)存在氣孔、咬邊等問(wèn)題的焊縫，一律不予驗(yàn)收，盡可能保證焊接質(zhì)量。

圖2 焊條焊接位置

3.2.2 螺栓連接

螺栓連接是土木工程項(xiàng)目中較為普遍的連接方式，主要是在螺栓零件的幫助下，使2個(gè)獨(dú)立構(gòu)件建立聯(lián)系，其他部位可使用普通螺栓連接，關(guān)鍵部位必須采用高強(qiáng)度螺栓連接。實(shí)際操作時(shí)首先要關(guān)注螺栓的排列設(shè)計(jì)，若相鄰兩螺栓之間間距過(guò)小，鋼制構(gòu)件所受剪力就會(huì)相應(yīng)增大，極易發(fā)生剪壞問(wèn)題[3]；間距過(guò)大，構(gòu)件受到壓力又容易發(fā)生連接不穩(wěn)的現(xiàn)象，降低穩(wěn)定性。緊固過(guò)程中同樣要關(guān)注構(gòu)造情況，若構(gòu)造過(guò)于疏離，濕氣就可能沿著縫隙進(jìn)入螺栓內(nèi)部，造成銹蝕，縮短鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，構(gòu)造過(guò)于緊密又會(huì)給扳手的轉(zhuǎn)動(dòng)造成阻礙，鋼結(jié)構(gòu)螺栓最大和最小容許可見(jiàn)表1。螺栓施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，拆裝都很便捷，因此，得到了較為廣泛的應(yīng)用，但應(yīng)用時(shí)必須在鋼材表面開(kāi)孔，對(duì)結(jié)構(gòu)本身會(huì)產(chǎn)生一定影響，精度不夠很容易給后續(xù)對(duì)孔拼裝帶來(lái)麻煩，因此，使用時(shí)要做好差異化分析，并嚴(yán)格控制打孔精度，提升結(jié)構(gòu)整體性能。

表1 螺栓最大和最小容許間距

3.2.3 鉚釘連接

鉚釘一側(cè)帶有半圓形釘頭，同樣由工廠預(yù)制完成。應(yīng)用時(shí)需要先燒紅釘桿，然后將其插進(jìn)預(yù)留好的孔洞中，最后使用工具將釘尾鉚彎，待其冷卻后，會(huì)發(fā)生收縮應(yīng)力，對(duì)兩構(gòu)件施加夾緊力，完成連接。操作時(shí)要把握好預(yù)留孔洞的直徑，以鉚釘釘身為參照，超出1.0~1.5 mm為宜，孔洞之間最大、最小容許間距與螺栓連接方式一致。鉚釘本身具有較好的可塑性，連接質(zhì)量異常穩(wěn)固，但制造、操作工藝都相對(duì)煩瑣，消耗的鋼材用量較大，因此普通施工場(chǎng)景中，多被焊接、螺栓等連接方式替代，在重型、大跨度結(jié)構(gòu)中，才能偶然見(jiàn)到鉚釘連接方式。

3.3 鋼材防腐技術(shù)要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼材料打造的，以鋼桁架、鋼梁等構(gòu)件為主的結(jié)構(gòu)設(shè)施具有金屬特質(zhì)，在外界氧氣、水分的作用下，較易發(fā)生銹蝕，應(yīng)用時(shí)必須有意識(shí)地采取防銹措施，并做好養(yǎng)護(hù)。在涂刷防銹涂料時(shí)，首先，要做好銹漬的清理工作，除手動(dòng)打磨方式外，還可采用噴砂、機(jī)械拋光等形式，確保表面銹漬完全去除，防止后續(xù)出現(xiàn)漆面開(kāi)裂等隱患。其次，是要選用適宜的施工方式，采用涂刷法時(shí)，根據(jù)鋼制構(gòu)件形狀對(duì)歪脖刷、扁形刷等進(jìn)行比選，以直握法持刷均勻涂抹，從上部開(kāi)始，逐漸向下操作，若發(fā)現(xiàn)防腐涂料凝結(jié)較慢，則要適時(shí)進(jìn)行修飾和涂敷。滾涂法則主要以滾刷為工具，施工操作時(shí)先少量浸取涂料，總量以滾刷的1/2為宜，均勻施力并重復(fù)滾動(dòng)，以便于壓出涂料，接著按照W形移動(dòng)滾刷，提升鋼構(gòu)件防銹效果。在應(yīng)用空壓氣噴涂技術(shù)時(shí)，則要借助專(zhuān)業(yè)噴涂設(shè)備，使涂料在壓縮空氣作用下，均勻霧化噴灑。這種方式效率較高，同時(shí)防腐層薄厚均勻，施工質(zhì)量有保障且外表美觀。但值得注意的是，該模式下極易造成涂料的浪費(fèi)，很多項(xiàng)目中利用率只能達(dá)到60%，因此，要結(jié)合實(shí)際選取噴嘴直徑，通常情況下150~200 mm為宜，噴涂速度也要有所控制，一般每秒噴出30~60 cm為佳，噴槍的移動(dòng)應(yīng)當(dāng)盡可能平穩(wěn)，防止條紋、斑痕等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)勢(shì)，在土木結(jié)構(gòu)中使用，可以顯著提升經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。各項(xiàng)目主體應(yīng)當(dāng)正視鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，積極引進(jìn)和推廣鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，結(jié)合實(shí)際對(duì)碳素鋼材、低合金鋼材進(jìn)行選用，綜合應(yīng)用螺栓、焊接等連接方式，做好防銹處理，全面提升鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，為土木工程項(xiàng)目質(zhì)量奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。