大跨度钢桁架施工的安全与质量控制

中国建筑第八工程局有限公司青岛分公司 青岛 266071

1 工程概况

北京语言大学综合楼二期（科研楼、礼堂）工程（以下简称“北语二期工程”）结构安全等级为二级，2 座科研楼塔楼之间共有3 榀主桁架与桁架间连梁共同组成空中连廊，上中下三弦顶相对标高分别为45.05 m、41.40 m、37.75 m。弦杆为H750 mm×250 mm×16 mm×24 mm，立柱为H600 mm×250 mm×16 mm×16 mm，局部设H450 mm×250 mm×14 mm×14 mm斜撑。该工程钢桁架结构重要性大、施工跨度大、起重量大、起吊高度高，对于原材料的控制、施工测量、安装方案的确定及起重设备选型、组焊过程中变形与内应力的控制、焊后矫正、起吊与高空对接各个环节都提出了较高的要求。

2 原材料的控制

钢结构工程的原材料主要包括了三大原材料：钢板、焊材、高强螺栓。通常来说，钢材w（C）≤0.25%时，其焊接性良好，同时S（硫）、P（磷）两大有害元素的含量均应控制在0.04%以下，以便有效降低热裂及冷裂的发生概率[1]。本工程桁架用钢全部为Q345B级钢，以上2 点自然全部符合，但是Mn（锰）含量的大小往往容易被忽视，锰在钢中可与硫形成MnS，其大部分进入熔渣，少部分留在焊缝中以细小质点弥散分布，从而减小了硫的有害作用，提高了抗热裂倾向，故而应保证w（Mn）=1.0%～1.6%。

对于另外两大原材：焊材及高强度螺栓——两者一定要通过送检复验来把关。虽然《钢结构施工质量验收规范》（GB 50205—2001）里面第4.3.2提出：“重要钢结构采用的焊接材料应进行抽样复检”，而本工程结构安全等级仅为二级、焊缝质量等级也为二级，也许称不上“重要”，但笔者认为：当你面对一个设计基准期为50年的全钢高空连廊时，无论站在哪个角度，焊材的复验都是理所当然的[2]。

这里值得一提的是：在明确了钢结构原材的控制重点后，作为总承包单位，还应当对进场的钢构件做焊接节点验收。很多项目管理人员对此往往不重视，认为只要是有了钢构件出场合格证就没问题了，其实在《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ 81—2002）第4.6.1条中都有明确规定，总包单位应当履行钢构件验收项目，而对于承受动载与抗震的焊接节点形式，还应参照《规程》第4.7条进行相关验收[3]。

3 施工测量

施工测量本身是个很庞杂的工作，对于同一个施测目标往往有着不同的测量方法，正所谓殊途同归。但是万变不离其宗，满足“工程测量精度”才是我们的唯一宗旨。在此，笔者根据以往工程经验列举如下几条要求：

（a）对于施工测量，总承包管理人员应当全程参与，不要停留于“把关”的旧有思想。因为无数的工程实例都一再证明：专业分包的测量成果未必正确，一旦出现错误，工程的工期和成本都是承担不起的。这就要求总承包单位应当有自己的专业测量技术人员，精通测量理论与实践知识，并能熟练运用各种测量器材。

（b）测量控制应当从预留预埋开始，重于预防，必须将过程中的每一次检查与纠偏做实。

（c）对于钢桁架对接这种类型的复核测量，一定要把实测实量与号料加工联系起来。以下料前复核的测量成果来指导钢材加工尺寸及其它加工要求（如预起拱）才是事半功倍之举。

（d）如果下料前的现场复核测量结果准确可靠，但却无法满足形位公差要求，则应当编制偏差处理方案，并交由设计单位确认后实施。偏差过大引起的应力集中及桁架内部受力模型的改变绝非儿戏，总承包单位在无可靠计算结果的情况下切不可擅自处理。

4 安装方案的确定及起重设备验收

安装方案的确定要综合考虑场地、设备、经济及测量结果等因素。就北语二期工程来说，桁架正下方为+5.05 m结构楼板，板厚120 mm，平台承载力不具备整体提升的条件，且工期只有30 d，时间相当紧迫，所以最终确定了“按榀组焊、逐榀吊装、高空整装”的总体思路，起重设备选择了LTM1500-500 t汽车吊。

5 组焊过程中变形与内应力的控制

所谓组焊原则，就是确定“以控制变形为主”还是“以控制内力为主”。以北语二期工程为例，由于HJ1、HJ2、HJ3三榀桁架均是在地面组焊后起吊进行高空对接，且每一榀主桁架都需要与两端塔楼预留牛腿对接上中下三弦，精度要求高，故而应当“以控制变形为主，以控制内应力为辅”。该工程中采用的控制变形及焊接应力的方法如下：

（a）对于桁架整体纵向的收缩变形，在下料时就预留出上中下三弦主梁的收缩变形的余量，根据经验，整体可留余70 mm，高空对接时在一端切除多余长度。

（b）由于主桁架结构截面对称、焊缝布置也对称，故而先利用定位焊装配成整体，初步形成整体刚度，然后再辅以固定夹具与拼装平台固定，将整个桁架组成一个“刚性框架”。

（c）优化施焊顺序：整体上从两头向中间同时焊接，隔一焊一；局部里每个钢柱与弦梁的连接先焊翼缘焊缝，腹板焊缝留待最后再焊，且翼缘焊缝采取对角跳焊的方式进行。此外，为减小层间焊接应力，立柱的焊接宜采取先连接上弦和中弦，再连接中弦和下弦的组焊顺序。

（d）应采用多层焊缝，每层焊缝厚度为5～6 mm，分层数越多，每层所用的线能量越小，变形也就越少，但是焊接接头的焊接残余应力将会加大。

（e）采取较低的焊接电流及适当的运弧速度。

（f）锤击焊缝，在每条焊缝（底层焊道和表层焊道除外）冷却的过程中，用小锤击打焊缝，锤击时的温度宜控制在650 °C～800 °C之间（焊缝组织及热影响区为暗淡的樱红色时），使焊缝金属受到锻打减薄而向四周伸长，从而抵消一些焊缝的收缩，起到减小焊接应力的作用。

（g）过程测量。要对焊接过程中及焊接终了时的桁架变形进行跟踪测量，主要包括长度伸缩、弯曲变形及上中下三弦间的距离变化，当出现与塔楼预留牛腿相对位置不符合的偏差时应及时矫正。

（h）对于有斜撑的复杂节点进行局部高温回火，回火范围为每个构件距离节点500 mm的范围内，回火温度控制在650 °C～800 °C之间，保温时间按照每毫米厚板4～5 min计算（由于现场施工条件有限，均按照1 h执行），然后空冷，通常可以将节点区域70%～80%的残余应力消除掉，使剩余的残余应力峰值降低，分布趋于均匀（对于焊缝错综复杂的节点，笔者建议同时辅以锤击法，但锤击时的温度一定要在600 °C左右，此温度为钢材的力学熔点，锤击应轻快、稠密、均匀，当钢材冷却至350 °C左右时必须停止锤击，因此温度通常为铁素体-珠光体合金组织的蓝脆温度上限）。

这里笔者要对第（h）条再作一点说明，很多人会质疑组焊好的其它钢桁架节点所残留的焊接应力是否超标？这就涉及到了在一个什么情况下要求进行应力消除的问题。其实，某一结构焊后是否要进行热处理，通常由设计部门根据钢材的性能、板厚、结构的设计参数取值、结构的制造及使用条件等多种因素综合考虑后确定。对于常见结构，既要通过必要的科学实验，也要分析同类结构在国内外长期使用中的工作情况，以便确定在什么情况下必须进行消除残余焊接应力。

6 焊后矫正[4]

北语二期工程并未涉及焊后矫正工艺，自始至终组焊变形控制良好，数据稳定，而对于一些需要进行焊后矫正的工程来说，最常用的矫正方法就数火焰矫正（或为提高效率而采用水火矫正）。在此需要提及的一点是：如果需要使用火焰矫正，一定要弄清楚所用钢材的矫正参数，以免不适当的套用导致钢材金相组织变化、力学性能衰减的方法。例如对于Q345B级钢来说，将矫正温度控制在750 °C左右，力学性能将几乎不受影响，即使在进行3 次水火矫正后其力学性能亦无显著变化，反过来也就是说——超过这一矫正温度或矫正次数都是不适宜的。

7 起吊与高空对接

在起吊与高空对接阶段，需要随机应变及关注的问题较多。如在北语二期工程准备正式起吊当天，租赁单位第一次来的汽车吊为GMK6300-350 t吊车，尽管第2天调换的汽车吊是GMK7450-450 t，且只带了60 t配重，这与我们原来要求的500 t汽车吊相去甚远。但倘若舍弃不用，一段时间内或将无起重设备可用。为此，项目部不得不突破原有论证方案，讨论分析GMK7450-450 t汽车吊的适用性。在经过对其站位和起重性能的全面分析，我们决定首先对它的最危险起吊工况进行持荷观察。

虽然在实验后应用取得了成功，但这件事也给我们作了一点警示，即任何方案的制订均不能一厢情愿，一定要有预案补充，而且在具体的应用上还需要管理人员根据场地情况、客观环境和起重设备的起重性能等综合考虑：

（a）大跨度钢桁架的起吊前必须进行侧向稳定性验算，避免起吊时造成桁架的弯扭破坏，如果验算结果侧向稳定性不足，则必须应用侧向辅助固定支撑。

（b）对于周边建筑环境或本身造型复杂的建筑，最好在吊装前对吊装过程进行3D模拟，以便有效避免某些不直观的遮挡磕碰。若一旦起钩，悬在半空却又被既有建筑物遮挡而无法逾越将是非常尴尬的事情。

（c）起吊时必须保证各根吊绳大致均匀受力。故此吊点的设定及钩拉原则应当为：偶数设置、隔点拉绳、2 点同绳。另一方面，起钩后应有施工人员上梁“把绳”，确认各条缆绳是否均匀受力。

（d）高空对接时应当先临时固定一端，再固定留有余长的一端。临时固定要牢固迅速，以适应高空对接的节奏。例如可以采用临时螺栓夹板穿孔固定、临时焊接板固定或者两者兼用。

（e）整个吊装过程中应保证在汽车吊操控室、两侧塔楼作业点及制高点处均有管理人员全程站位监控，4 人之间应保持通讯畅通，高度协作。与此同时，还可以适当配备高倍望远镜，以便随时观察吊点及缆绳工况。

8 结语

钢桁架安装工程本身就复杂多样，每一个工程又有自己独一无二的特点，它们所包含的知识涉及到方方面面，绝非几页文章所能道尽，笔者也只能仅就其中的控制要点进行浅显地阐述。但是在大跨度钢桁架吊装作业日趋普遍的今天，作为总承包单位，有必要熟悉掌握其中的知识及技巧，切不可把这些全都交给专业队伍，只有这样，方能有效确保施工安全及工程质量，不断提高自身的管理水平。