淺談鋼結構工程施工中鋼梁變形控制和矯正

文/黃紅霞 上海風語筑展示股份有限公司 上海 200000

近幾年來, 隨著科學技術的迅速發展, 鋼結構由于較混凝土結構具有自重輕、施工周期短、整體剛度好、強度高等良好的性能, 在工業及民用建筑中的實際應用越來越廣泛。然而鋼結構帶來的許多實際問題也隨之產生，同時對鋼結構施工單位技術人員也是一種挑戰。

1、工程概況

浙江省杭州市桐廬縣流云項目---青龍塢展演大廳為鋼結構框架結構，屋面分為多塊區域且高度不一，斜屋面與平屋面交替連接，柱頂平均高度為6m，柱距寬度平均為10m，跨度為20m。設計時鋼屋架均采用普通焊接工字鋼梁與鋼柱剛接，局部按照平面井字型排布，工字鋼梁之間均剛性連接。設計中按最不利受力工況計算，最長鋼梁長度為15米，跨中擾度為27m（包含上人屋面荷載）。而設計人員在考察施工現場時發現，施工單位人員僅在安裝完工字鋼梁和次梁之后，跨中擾度變形就已經達到30mm，如果再加載上人屋面荷載，鋼梁變形將大大超過設計要求，所以設計人員，馬上對其變形過大問題進行原因分析和矯正控制，使其達到安裝范圍誤差內，方可進行下一部工序。

2、原因分析

鋼結構施工中造成大跨度鋼梁擾度過大的原因很多，設計人員通過對施工現場的實際調查，發現導致鋼梁變形異常原因如下：

2.1 施工過程中未做好設置臨時支撐等設施的搭建

臨時支柱不僅僅是大跨度鋼結構施工過程中的有效應用的主要設施，也是實現基于結構承載力為主的相應的受力性能的有效分析，進而將結構的受力狀態及相應的臨時支承點問題進行分析，從而實現基于構件完整性與安全性的有效分析。在鋼結構未形成空間整體受力體系時，結構在其平面外的穩定性很差，若沒有設置臨時支撐設施，將會導致結構平面外的整體傾覆和變形；或者平面內由于鋼梁跨度過大，平面內也會出現過大變形。基于上述分析,再結合本工程，可以發現：為了滿足建筑美觀和使用要求，對中間的主鋼梁梁高控制很嚴，但由于屋面結構是花紋鋼板體系，按照規范要求，依舊不考慮其剛度對結構梁的貢獻，選用焊接工字鋼HN350＊200＊10＊16可以通過結構軟件計算。鋼結構主體施工時，應設置可靠支撐來保證梁柱施工中的側向穩定和安全性。待次結構（槽鋼）焊接完畢后，屋面即可鋪設花紋鋼板，所有變形完成后，方可拆除臨時支撐。而施工單位項目人員對臨時支撐的重要性認識不足，再加上趕工期及節約施工造價成本，現場未設置臨時支撐，直接吊裝主梁和鋼柱焊接連接而導致鋼梁變形過大。

2.2 施工工藝與施工順序錯誤

本工程采用次梁（槽鋼）與主梁鉸接連接。由于次梁間距平均間隔400mm，圖紙上明確顯示：將次梁剛接的腹板與主鋼梁的側面加勁板采用螺栓連接，再焊接連接。但是現場施工單位隨意改變圖紙上的節點，將槽鋼在側面直接與主梁對焊，取消加勁板，這樣的做法會導致一根主鋼梁的焊接點太多太密，焊接應力過大，肯定會導致鋼梁的焊接變形過大；再加上焊接時未考慮焊接施工順序，從主鋼梁的一端開始施焊，未按照規范要求應該從中部向兩端對稱焊接以減少焊接溫度應力的影響，也未等焊接自然冷卻之后再焊接下一根次梁等等施工工序，導致了主鋼梁的變形過大。

2.3 施工單位經驗不足

在現場施工過程中，設計人員發現施工單位未將兩柱之間的主鋼梁未按照結構圖紙的施工說明在鋼材加工廠進行預先起拱。因為對于較長的鋼梁往往會由于鋼材本身的自重就產生較大的變形；為了不影響結構的正常使用和改善外觀使用條件，或者減少焊后彎曲的反變形，可將受力鋼梁預先起拱。所以，對于跨度較大而高度控制很嚴的主鋼梁，預先起拱是很有必要的。而本工程的施工技術人員施工管理經驗和施工經驗不足，再加上工廠預先起拱工藝麻煩，費用很高，報價中未包含這一項費用，所以私自取消此工藝，歸根到底就是他們意識不到這些設計意圖和這些措施的重要性，現場隨意性太大，也不跟設計人員進行溝通就自行取消很多重要措施，最終導致了主鋼梁的過大變形。

3、現場解決方案

設計人員分析出大跨度主鋼梁的過大變形之后，馬上對施工現場提出焊接補救措施，首先對焊縫進行檢驗，經過超聲波探傷進行內部缺陷的檢測，以滿足設計和((鋼結構工程施工質量驗收規范))的要求。但是鋼梁的過大擾度變形依然存在。即使將變形過大的鋼梁用千斤頂將其現場頂起來，待撤掉千斤頂后擾度變形依舊存在。無數案例已經表明，鋼材的預先起拱，只有在工廠制作加工，效果才能達到。現場其實很難實現預先起拱的預期效果。為了滿足后續屋面荷載加載后的規范要求，且考慮工期及施工費用，增加鋼梁的剛度是解決現存問題最直接有效的方法。基于不破壞原結構的情況下，結構設計人員與建筑師進行溝通，建筑需要做出適當的讓步，對主鋼梁的截面進行加高處理。加固方案出好后，現場施工一定要做好臨時支撐，等屋面鋼板鋪設焊接完畢后，所有變形都完成后，再拆除臨時支撐體系。這樣，能很好地控制跨中擾度，且減小鋼梁的受力，增加其穩定性。

本工程鋼梁加固方案如下：采用梁下增加支撐變成鋼桁架，即將鋼梁當作桁架的上弦桿件，增加下弦桿和腹桿，下弦桿和腹桿均選用熱軋無縫方管，選規格通過計算方可確定。且豎向桿件應該布置在縱向鋼梁與該梁相交處的下端，在剪力較大的地方，在腹板兩端對稱設置加勁板。

具體現場施工方法如下：先將兩個鋼柱之間的變形過大的主鋼梁用千斤頂頂起來，頂平之后，再將腹桿和下弦桿焊接在主鋼梁上，焊接質量必須滿足規范要求。此方法已經成功運用在此實際項目上，不但對整體建筑結構的美觀沒有產生大的影響，而且變形過大的問題得到了很好的解決。

結論：

通過本工程可以看出：在鋼結構設計和施工的過程中，構件擾度變形過大的問題不可忽視,對整體結構的穩定產生很大影響。而影響鋼梁構件擾度的因素很多，所以總結如下：設計中，對大跨度的鋼梁，設計人員應該按照規范對構件進行預先起拱，以減少由恒活荷載帶來的擾度變形；在施工中，施工人員要注意除正常施工采取的一系列保證施工質量的施工措施之外，應對圖紙說明加強重視，未按照圖紙設計要求施工，結構整體受力將會發生根本性改變，后果極其嚴重；在鋼材加工中，盡量避免焊接缺陷，從材料，設備，工藝，結構等方面采取有效措施避免在源頭發生質量問題。

該加固方法針對本工程，采取了桁架加固的方法，該方法不僅造價低，效果極其顯著，是經濟理想的加固方法。