浅谈钢结构工程施工中钢梁变形控制和矫正

【摘要】结合实例工程青龙坞流云展演大厅施工中主钢梁过大变形问题，具体从设计、下料、施工等各个环节对其问题进行了探讨，并提出相应的防变形和矫正技术措施，希望对今后类似项目的设计具有一定的指导意义。

【关键词】钢结构施工方案；钢梁变形；分析原因；加固方案

近几年来， 随着科学技术的迅速发展， 钢结构由于较混凝土结构具有自重轻、施工周期短、整体刚度好、强度高等良好的性能， 在工业及民用建筑中的实际应用越来越广泛。然而钢结构带来的许多实际问题也随之产生，同时对钢结构施工单位技术人员也是一种挑战。

1、工程概况

浙江省杭州市桐庐县流云项目---青龙坞展演大厅为钢结构框架结构，屋面分为多块区域且高度不一，斜屋面与平屋面交替连接，柱顶平均高度为6m，柱距宽度平均为10m，跨度为20m。设计时钢屋架均采用普通焊接工字钢梁与钢柱刚接，局部按照平面井字型排布，工字钢梁之间均刚性连接。设计中按最不利受力工况计算，最长钢梁长度为15米，跨中扰度为27m（包含上人屋面荷载）。而设计人员在考察施工现场时发现，施工单位人员仅在安装完工字钢梁和次梁之后，跨中扰度变形就已经达到30mm，如果再加载上人屋面荷载，钢梁变形将大大超过设计要求，所以设计人员，马上对其变形过大问题进行原因分析和矫正控制，使其达到安装范围误差内，方可进行下一部工序。

2、原因分析

钢结构施工中造成大跨度钢梁扰度过大的原因很多，设计人员通过对施工现场的实际调查，发现导致钢梁变形异常原因如下：

2.1施工过程中未做好设置临时支撑等设施的搭建

临时支柱不仅仅是大跨度钢结构施工过程中的有效应用的主要设施，也是实现基于结构承载力为主的相应的受力性能的有效分析，进而将结构的受力状态及相应的临时支承点问题进行分析，从而实现基于构件完整性与安全性的有效分析。在钢结构未形成空间整体受力体系时，结构在其平面外的稳定性很差，若没有设置临时支撑设施，将会导致结构平面外的整体倾覆和变形；或者平面内由于钢梁跨度过大，平面内也会出现过大变形。基于上述分析，再结合本工程，可以发现：为了满足建筑美观和使用要求，对中间的主钢梁梁高控制很严，但由于屋面结构是花纹钢板体系，按照规范要求，依旧不考虑其刚度对结构梁的贡献，选用焊接工字钢HN350*200*10*16可以通过结构软件计算。钢结构主体施工时，应设置可靠支撑来保证梁柱施工中的侧向稳定和安全性。待次结构（槽钢）焊接完毕后，屋面即可铺设花纹钢板，所有变形完成后，方可拆除临时支撑。而施工单位项目人员对临时支撑的重要性认识不足，再加上赶工期及节约施工造价成本，现场未设置临时支撑，直接吊装主梁和钢柱焊接连接而导致钢梁变形过大。

2.2施工工艺与施工顺序错误

本工程采用次梁（槽钢）与主梁铰接连接。由于次梁间距平均间隔400mm，图纸上明确显示：将次梁刚接的腹板与主钢梁的侧面加劲板采用螺栓连接，再焊接連接。但是现场施工单位随意改变图纸上的节点，将槽钢在侧面直接与主梁对焊，取消加劲板，这样的做法会导致一根主钢梁的焊接点太多太密，焊接应力过大，肯定会导致钢梁的焊接变形过大；再加上焊接时未考虑焊接施工顺序，从主钢梁的一端开始施焊，未按照规范要求应该从中部向两端对称焊接以减少焊接温度应力的影响，也未等焊接自然冷却之后再焊接下一根次梁等等施工工序，导致了主钢梁的变形过大。

2.3施工单位经验不足

在现场施工过程中，设计人员发现施工单位未将两柱之间的主钢梁未按照结构图纸的施工说明在钢材加工厂进行预先起拱。因为对于较长的钢梁往往会由于钢材本身的自重就产生较大的变形；为了不影响结构的正常使用和改善外观使用条件，或者减少焊后弯曲的反变形，可将受力钢梁预先起拱。所以，对于跨度较大而高度控制很严的主钢梁，预先起拱是很有必要的。而本工程的施工技术人员施工管理经验和施工经验不足，再加上工厂预先起拱工艺麻烦，费用很高，报价中未包含这一项费用，所以私自取消此工艺，归根到底就是他们意识不到这些设计意图和这些措施的重要性，现场随意性太大，也不跟设计人员进行沟通就自行取消很多重要措施，最终导致了主钢梁的过大变形。

3、现场解决方案

设计人员分析出大跨度主钢梁的过大变形之后，马上对施工现场提出焊接补救措施，首先对焊缝进行检验，经过超声波探伤进行内部缺陷的检测，以满足设计和（（钢结构工程施工质量验收规范））的要求。但是钢梁的过大扰度变形依然存在。即使将变形过大的钢梁用千斤顶将其现场顶起来，待撤掉千斤顶后扰度变形依旧存在。无数案例已经表明，钢材的预先起拱，只有在工厂制作加工，效果才能达到。现场其实很难实现预先起拱的预期效果。为了满足后续屋面荷载加载后的规范要求，且考虑工期及施工费用，增加钢梁的刚度是解决现存问题最直接有效的方法。基于不破坏原结构的情况下，结构设计人员与建筑师进行沟通，建筑需要做出适当的让步，对主钢梁的截面进行加高处理。加固方案出好后，现场施工一定要做好临时支撑，等屋面钢板铺设焊接完毕后，所有变形都完成后，再拆除临时支撑体系。这样，能很好地控制跨中扰度，且减小钢梁的受力，增加其稳定性。

本工程钢梁加固方案如下：采用梁下增加支撑变成钢桁架，即将钢梁当作桁架的上弦杆件，增加下弦杆和腹杆，下弦杆和腹杆均选用热轧无缝方管，选规格通过计算方可确定。且竖向杆件应该布置在纵向钢梁与该梁相交处的下端，在剪力较大的地方，在腹板两端对称设置加劲板。

具体现场施工方法如下：先将两个钢柱之间的变形过大的主钢梁用千斤顶顶起来，顶平之后，再将腹杆和下弦杆焊接在主钢梁上，焊接质量必须满足规范要求。此方法已经成功运用在此实际项目上，不但对整体建筑结构的美观没有产生大的影响，而且变形过大的问题得到了很好的解决。

结论：

通过本工程可以看出：在钢结构设计和施工的过程中，构件扰度变形过大的问题不可忽视，对整体结构的稳定产生很大影响。而影响钢梁构件扰度的因素很多，所以总结如下：设计中，对大跨度的钢梁，设计人员应该按照规范对构件进行预先起拱，以减少由恒活荷载带来的扰度变形；在施工中，施工人员要注意除正常施工采取的一系列保证施工质量的施工措施之外，应对图纸说明加强重视，未按照图纸设计要求施工，结构整体受力将会发生根本性改变，后果极其严重；在钢材加工中，尽量避免焊接缺陷，从材料，设备，工艺，结构等方面采取有效措施避免在源头发生质量问题。

该加固方法针对本工程，采取了桁架加固的方法，该方法不仅造价低，效果极其显著，是经济理想的加固方法。

参考文献：

[1] GB50017-2018，钢结构设计规范（S）.

[2]陈绍藩，钢结构基础（M）.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] CECS77；96，钢结构加固技术规范（S）.北京：中国计划出版社，1996.

[4]王国凡，钢结构加工工程检验与验收（M）.北京：化学工业出版社，2005.

作者简介：

黄红霞，上海风语筑展示股份有限公司，上海。