基于鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究

李 蕾

（中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000）

鋼結(jié)構(gòu)主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱和鋼桁架等構(gòu)件組成，這些構(gòu)件之間主要采用焊接和螺栓進(jìn)行接連[1]。此外，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的安全性相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，將其應(yīng)用在傳統(tǒng)的混凝土建筑施工中能夠解決施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提升了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(shù)作為主要技術(shù)，使建筑物在后期的使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)不同類型的問(wèn)題，建筑質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。在應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)后，提升了建筑施工質(zhì)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(duì)較大，對(duì)環(huán)境的污染程度較高。在采用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jīng)濟(jì)性

土木工程的施工過(guò)程規(guī)模相對(duì)較大，使用的設(shè)備、材料和人工較多，增大了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)壓力。在采用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)以后，企業(yè)可以從廠家直接購(gòu)買鋼材，節(jié)約了采購(gòu)成本。

1.4 抗震性

由于鋼結(jié)構(gòu)由不同型號(hào)的鋼構(gòu)件構(gòu)成，且鋼材自身的柔韌性相對(duì)較強(qiáng)、質(zhì)量較輕[3]，因此鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能相對(duì)較好，建筑工程結(jié)構(gòu)的性能得到了提升。

2 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

該項(xiàng)目的建筑總高度為61m，建筑面積約為15 萬(wàn)m2，該項(xiàng)目分為上、下兩個(gè)部分，其中地上建筑為三層、地下為兩層。鋼結(jié)構(gòu)類型主要以H 型鋼和十字型鋼為主，鋼架構(gòu)設(shè)計(jì)主要分布在建筑的南側(cè)與北側(cè)，南側(cè)鋼結(jié)構(gòu)形式為鋼桁架，北側(cè)為鋼框架梁，與北面相比，南面的鋼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且跨度較大。

2.2 施工設(shè)計(jì)

工程的施工工藝如圖1 所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)工程施工工藝流程圖

2.2.1 施工前期準(zhǔn)備

施工前期準(zhǔn)備工作包括以下5 點(diǎn)：1）在施工準(zhǔn)備階段，須根據(jù)施工場(chǎng)地的實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的施工圖紙，施工圖紙應(yīng)滿足相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，在施工階段應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工。2）在選用測(cè)量?jī)x器時(shí)，選用的設(shè)備須滿足國(guó)家制定的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，鋼結(jié)構(gòu)材料的選取應(yīng)根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2018）標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際的工程需要來(lái)進(jìn)行選擇[4]。3）當(dāng)確定鋼柱軸線時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程場(chǎng)地的實(shí)際情況布置。由于該項(xiàng)目的建筑高度為60m，因此需要設(shè)計(jì)對(duì)個(gè)控制樁，以此架設(shè)相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，在架設(shè)時(shí)須滿足可視與通視的原則。4）在設(shè)計(jì)鋼柱的過(guò)程中，應(yīng)采用兩層與一節(jié)的方式，當(dāng)安裝時(shí)須根據(jù)下一節(jié)鋼柱的軸線來(lái)安裝，摒棄需要重新制定引導(dǎo)軸線，這樣可以提升鋼柱的安裝精度，減少誤差。5）當(dāng)進(jìn)行鋼柱底腳與鋼筋混凝土之間的基礎(chǔ)連接時(shí)，應(yīng)使用鋼性柱腳。當(dāng)鋼柱安裝完成后，須將其固定，主要采用的固定構(gòu)件為地腳螺栓。

2.2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)布置

在布置施工現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中，鋼件材料須按照嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)，其堆放方式采用分批堆放，堆放位置應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)附近，方便進(jìn)行施工。

設(shè)置塔吊，可將塔吊位置分為4 個(gè)區(qū)域并在每個(gè)區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的塔吊，塔吊性能見(jiàn)表1。為了提升建設(shè)效率，可在場(chǎng)地中設(shè)置距離施工現(xiàn)場(chǎng)較近的鋼材料堆放場(chǎng)地，場(chǎng)地位置應(yīng)與桁架安裝的位置保持一定距離。在鋼構(gòu)件的擺放過(guò)程中，應(yīng)將其放置規(guī)整且高度不宜超過(guò)2 層，同時(shí)留出車輛通道。

表1 塔吊性能

2.2.3 鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)

在現(xiàn)階段的高層輕型鋼結(jié)構(gòu)中，通常采用錯(cuò)列桁架體系，這種方式的使用性相對(duì)較高[5]。由于該項(xiàng)目建筑高度為61 m，在結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮相應(yīng)的風(fēng)荷載。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中的風(fēng)荷載計(jì)算公式可以算出相應(yīng)的風(fēng)荷載，如公式（1）所示。

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

當(dāng)錯(cuò)列桁架腹桿設(shè)計(jì)時(shí)，有相對(duì)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(shè)計(jì)

當(dāng)進(jìn)行腹桿設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算腹桿的輕度以及相應(yīng)的穩(wěn)定性。當(dāng)腹桿與弦桿相連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)板主要體現(xiàn)連接功能。在腹桿長(zhǎng)度的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的施工方案，參照相關(guān)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行計(jì)算。再根據(jù)腹桿的內(nèi)力以及相應(yīng)的承載能力要求來(lái)確定長(zhǎng)細(xì)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(shè)計(jì)

在架柱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮壓彎和拉彎的構(gòu)建因素，須對(duì)柱子的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的控制。當(dāng)進(jìn)行柱子設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)步驟基本與腹桿相同，但是采用的公式不同。當(dāng)進(jìn)行桁架弦桿設(shè)計(jì)時(shí)，只需要按照相應(yīng)的公式計(jì)算出強(qiáng)度，無(wú)須進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算。

2.2.3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)中，科學(xué)的節(jié)點(diǎn)連接能提高結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)能承受的力也會(huì)增加，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要性。當(dāng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的位置、強(qiáng)度及剛度都有嚴(yán)格的要求，連接方式、節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)件和計(jì)算方法等設(shè)計(jì)均需要滿足具體的要求。先繪制出科學(xué)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖，然后根據(jù)構(gòu)造圖設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)點(diǎn)。

2.2.3.4 栓釘剪力連接件設(shè)計(jì)

在錯(cuò)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(huì)產(chǎn)生一定的剪力，剪力連接件是對(duì)該剪力進(jìn)行傳遞，從而保證二者的組和效應(yīng)。當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算抗剪承載力，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可以直接采用弦桿的彎矩設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

在錯(cuò)列桁架體系中，樓蓋是比較重要的一部分，錯(cuò)列桁架體系需要承受一定的重力荷載，當(dāng)重力荷載需要傳遞到豎向構(gòu)件中時(shí)，需要樓蓋發(fā)揮作用。當(dāng)進(jìn)行樓蓋設(shè)計(jì)時(shí)，材料及構(gòu)件的選擇有嚴(yán)格的要求，使用的材料和構(gòu)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(qiáng)度且在變形方面也有嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮強(qiáng)度及變形；在使用階段，需要注意強(qiáng)度及變形的驗(yàn)算。

2.2.4 鋼柱結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)

鋼柱在高層土木工程建筑中具有十分重要的作用，當(dāng)驗(yàn)收時(shí)，須符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205—2020）。該項(xiàng)目主要采用的鋼柱長(zhǎng)度為90m，并將其分為7 節(jié)～11 節(jié)的構(gòu)件[6]。當(dāng)安裝時(shí)，需要考慮鋼柱的受力情況且關(guān)注鋼柱是否發(fā)生變形，如果發(fā)生變形，需要及時(shí)進(jìn)行更換來(lái)確保施工正常進(jìn)行。在鋼柱下料過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)工程需求進(jìn)行，并且在鋼柱上做好相應(yīng)的記號(hào)來(lái)方便安裝，其主要包括以下部分：1）焊接設(shè)計(jì)。焊接方法主要采用熔嘴和絲極電渣焊接技術(shù)。在焊接前，須進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)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(yīng)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(hào)為JF-600 或HJ431（電渣焊專用）。在起弧位置加一些拋丸機(jī)鋼丸或者碎焊絲頭。耐火泥主要作用是為了當(dāng)燒穿時(shí)能夠及時(shí)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(dāng)選取的焊條直徑為Φ8mm、焊絲直徑為Φ3.2mm 時(shí)，其選用焊接規(guī)范參考值見(jiàn)表2。

表2 焊接規(guī)范參考值

在焊接過(guò)程中，電流與電壓之間的匹配度十分重要。當(dāng)電流過(guò)大、電壓過(guò)高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響焊接效果，反之同理。在焊接過(guò)程中，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)；2）鋼柱加固。在安裝鋼柱的過(guò)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(jié)構(gòu)桁架的剛度，而且還能提升桁架的穩(wěn)定性。在加固過(guò)程中，在柱上的腹板兩側(cè)間隔一定距離焊接橫向加勁板，在下柱的腹板兩側(cè)增設(shè)豎向加勁板和橫向加勁板，保證桁架在受力過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)變形情況。當(dāng)桁架承受水平力時(shí)，將力直接傳到兩側(cè)縱向柱列的支撐系統(tǒng)中。

2.2.5 整體框架梁施工設(shè)計(jì)

整體鋼構(gòu)件安裝質(zhì)量控制流程如圖2 所示。

圖2 鋼構(gòu)件安裝質(zhì)量控制流程圖

框架設(shè)計(jì)：當(dāng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)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(guò)程中出現(xiàn)變形現(xiàn)象。此外，須將框架梁設(shè)計(jì)成懸臂梁，在其連接處設(shè)置相應(yīng)的熔透焊縫，腹板之間的連接采用高強(qiáng)度螺栓，這樣可以增強(qiáng)鋼材的柔韌性[7]。

施工過(guò)程設(shè)計(jì)：當(dāng)焊接時(shí)，首先需要焊接框架梁的上端，其次焊接下端，焊接順序應(yīng)從一段開始逐漸向另一端進(jìn)行。在焊接完成后，須將焊接邊緣20mm～55mm 的雜質(zhì)清理干凈，防止焊接氣孔等問(wèn)題出現(xiàn)。同時(shí)應(yīng)控制焊接的偏差值，見(jiàn)表3。

表3 焊接偏差控制

其中，腹板的連接主要采用高強(qiáng)度螺栓。此外當(dāng)模板制孔施工時(shí)，須保證模板的孔位進(jìn)度，從而保證高強(qiáng)度螺栓的安裝進(jìn)度。如果施工過(guò)程中孔位發(fā)生偏移，需要利用鉸刀來(lái)進(jìn)行孔位修正，高強(qiáng)度螺栓的安裝須在48h 內(nèi)完成[8]。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形分析

在鋼結(jié)構(gòu)焊接的過(guò)程中，由于受到溫度的影響，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形。為了研究鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量。

3.1 焊接熱理論分析

3.1.1 傳熱理論分析

通過(guò)分析能量守恒定律和傅里葉傳熱微分方程可知，在鋼結(jié)構(gòu)焊接的過(guò)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(dǎo)系數(shù)，其大小隨時(shí)間的變化而變化；ρ為所選用材料的密度；c為相應(yīng)的比熱容；φ為物體內(nèi)部的熱源。

由于結(jié)構(gòu)傳熱邊界條件的影響，當(dāng)時(shí)間為0 時(shí)，其結(jié)構(gòu)的溫度與室內(nèi)溫度相同，如公式（3）所示。

在絕熱條件下，可以用公式（4）來(lái)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(yīng)的熱導(dǎo)率。

3.1.2 焊接熱源模型建立

在分析最佳焊接熱的過(guò)程中，須建立相應(yīng)的熱源模型，由于該項(xiàng)目對(duì)焊接工件的厚度有一定要求，因此應(yīng)通過(guò)體熱源來(lái)進(jìn)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(duì)應(yīng)的半徑。

根據(jù)該項(xiàng)目焊接功率的情況，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣β拭芏?，以此?lái)分析焊接熱的變化，如公式（6）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(jié)構(gòu)具體物理參數(shù)并對(duì)比不同焊接熱條件下鋼結(jié)構(gòu)的變形情況，選擇最佳焊接工藝參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，須嚴(yán)格把控鋼結(jié)施工工藝的每個(gè)環(huán)節(jié)，其吊裝技術(shù)、焊接技術(shù)和螺栓連接技術(shù)均應(yīng)符合土木工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從而提升土木工程施工的安全性。此外鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的施工應(yīng)用須不斷完善，使其能夠滿足土木工程施工的基本要求。