基于鋼結構技術在土木工程中的應用研究

李 蕾

（中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450000）

鋼結構主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱和鋼桁架等構件組成，這些構件之間主要采用焊接和螺栓進行接連[1]。此外，鋼結構技術的安全性相對較高、結構穩定，將其應用在傳統的混凝土建筑施工中能夠解決施工過程中出現的問題，提升了建筑結構的穩定性。

1 鋼結構技術在土木工程中的應用優勢

1.1 安全性

在傳統的土木工程建筑施工中，通常將石混和磚混凝土施工技術作為主要技術，使建筑物在后期的使用過程中經常出現不同類型的問題，建筑質量受到嚴重影響。在應用鋼結構技術后，提升了建筑施工質量和建筑物的安全性[2]。

1.2 環保性

在傳統的土木施工中，木材的消耗量相對較大，對環境的污染程度較高。在采用鋼結構技術后，提升了工程施工的環保性，且使用剩余的鋼材還可以回收利用。

1.3 經濟性

土木工程的施工過程規模相對較大，使用的設備、材料和人工較多，增大了企業的經濟壓力。在采用鋼結構技術以后，企業可以從廠家直接購買鋼材，節約了采購成本。

1.4 抗震性

由于鋼結構由不同型號的鋼構件構成，且鋼材自身的柔韌性相對較強、質量較輕[3]，因此鋼結構的抗震性能相對較好，建筑工程結構的性能得到了提升。

2 鋼結構技術在土木工程中的應用

2.1 工程概況

該項目的建筑總高度為61m，建筑面積約為15 萬m2，該項目分為上、下兩個部分，其中地上建筑為三層、地下為兩層。鋼結構類型主要以H 型鋼和十字型鋼為主，鋼架構設計主要分布在建筑的南側與北側，南側鋼結構形式為鋼桁架，北側為鋼框架梁，與北面相比，南面的鋼結構較為復雜且跨度較大。

2.2 施工設計

工程的施工工藝如圖1 所示。

圖1 鋼結構工程施工工藝流程圖

2.2.1 施工前期準備

施工前期準備工作包括以下5 點：1）在施工準備階段，須根據施工場地的實際情況來設計相應的施工圖紙，施工圖紙應滿足相應的技術規范，在施工階段應嚴格按照圖紙施工。2）在選用測量儀器時，選用的設備須滿足國家制定的計量標準，鋼結構材料的選取應根據《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）標準并結合實際的工程需要來進行選擇[4]。3）當確定鋼柱軸線時，應根據工程場地的實際情況布置。由于該項目的建筑高度為60m，因此需要設計對個控制樁，以此架設相應的測量儀器，在架設時須滿足可視與通視的原則。4）在設計鋼柱的過程中，應采用兩層與一節的方式，當安裝時須根據下一節鋼柱的軸線來安裝，摒棄需要重新制定引導軸線，這樣可以提升鋼柱的安裝精度，減少誤差。5）當進行鋼柱底腳與鋼筋混凝土之間的基礎連接時，應使用鋼性柱腳。當鋼柱安裝完成后，須將其固定，主要采用的固定構件為地腳螺栓。

2.2.2 施工現場布置

在布置施工現場的過程中，鋼件材料須按照嚴格的控制標準進場，其堆放方式采用分批堆放，堆放位置應在施工現場附近，方便進行施工。

設置塔吊，可將塔吊位置分為4 個區域并在每個區域設置相應的塔吊，塔吊性能見表1。為了提升建設效率，可在場地中設置距離施工現場較近的鋼材料堆放場地，場地位置應與桁架安裝的位置保持一定距離。在鋼構件的擺放過程中，應將其放置規整且高度不宜超過2 層，同時留出車輛通道。

表1 塔吊性能

2.2.3 鋼結構桁架設計

在現階段的高層輕型鋼結構中，通常采用錯列桁架體系，這種方式的使用性相對較高[5]。由于該項目建筑高度為61 m，在結構桁架設計過程中應考慮相應的風荷載。根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）中的風荷載計算公式可以算出相應的風荷載，如公式（1）所示。

式中：βg為風振系數；μsl風荷載局部體型系數；μz風壓高度變化；w0基本風壓。

當錯列桁架腹桿設計時，有相對較多的平面桁架，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 腹桿設計

當進行腹桿設計時，需要計算腹桿的輕度以及相應的穩定性。當腹桿與弦桿相連接時，節點板主要體現連接功能。在腹桿長度的計算過程中，應根據相應的施工方案，參照相關的規定來進行計算。再根據腹桿的內力以及相應的承載能力要求來確定長細比例，保證腹桿的局部穩定性。

2.2.3.2 架柱和桁架弦桿的設計

在架柱的設計過程中，需要考慮壓彎和拉彎的構建因素，須對柱子的設計進行相應的控制。當進行柱子設計時，設計方法與設計步驟基本與腹桿相同，但是采用的公式不同。當進行桁架弦桿設計時，只需要按照相應的公式計算出強度，無須進行整體穩定性計算。

2.2.3.3 節點設計

在鋼結構中，科學的節點連接能提高結構的安全性，結構能承受的力也會增加，可見節點設計的重要性。當進行節點設計時，節點的位置、強度及剛度都有嚴格的要求，連接方式、節點細部構件和計算方法等設計均需要滿足具體的要求。先繪制出科學的節點構造圖，然后根據構造圖設計計算結點。

2.2.3.4 栓釘剪力連接件設計

在錯列桁架體系中，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產生一定的剪力，剪力連接件是對該剪力進行傳遞，從而保證二者的組和效應。當進行設計時，需要計算抗剪承載力，為了簡化計算過程，可以直接采用弦桿的彎矩設計值。在設計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揮作用。

2.2.3.5 組合樓蓋設計

在錯列桁架體系中，樓蓋是比較重要的一部分，錯列桁架體系需要承受一定的重力荷載，當重力荷載需要傳遞到豎向構件中時，需要樓蓋發揮作用。當進行樓蓋設計時，材料及構件的選擇有嚴格的要求，使用的材料和構件須滿足要求；在樓蓋的施工階段，壓型鋼板須具有一定的強度且在變形方面也有嚴格的規定，當設計時要充分考慮強度及變形；在使用階段，需要注意強度及變形的驗算。

2.2.4 鋼柱結構施工設計

鋼柱在高層土木工程建筑中具有十分重要的作用，當驗收時，須符合《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205—2020）。該項目主要采用的鋼柱長度為90m，并將其分為7 節～11 節的構件[6]。當安裝時，需要考慮鋼柱的受力情況且關注鋼柱是否發生變形，如果發生變形，需要及時進行更換來確保施工正常進行。在鋼柱下料過程中，應根據工程需求進行，并且在鋼柱上做好相應的記號來方便安裝，其主要包括以下部分：1）焊接設計。焊接方法主要采用熔嘴和絲極電渣焊接技術。在焊接前，須進行相應的準備工作。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為JF-600 或HJ431（電渣焊專用）。在起弧位置加一些拋丸機鋼丸或者碎焊絲頭。耐火泥主要作用是為了當燒穿時能夠及時將渣孔封住。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。當選取的焊條直徑為Φ8mm、焊絲直徑為Φ3.2mm 時，其選用焊接規范參考值見表2。

表2 焊接規范參考值

在焊接過程中，電流與電壓之間的匹配度十分重要。當電流過大、電壓過高時，會嚴重影響焊接效果，反之同理。在焊接過程中，應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準；2）鋼柱加固。在安裝鋼柱的過程中，能夠加固桁架與兩端鋼柱鉸接的鋼柱腹板區域，這樣不僅能夠提升鋼結構桁架的剛度，而且還能提升桁架的穩定性。在加固過程中，在柱上的腹板兩側間隔一定距離焊接橫向加勁板，在下柱的腹板兩側增設豎向加勁板和橫向加勁板，保證桁架在受力過程中不會出現變形情況。當桁架承受水平力時，將力直接傳到兩側縱向柱列的支撐系統中。

2.2.5 整體框架梁施工設計

整體鋼構件安裝質量控制流程如圖2 所示。

圖2 鋼構件安裝質量控制流程圖

框架設計：當進行框架設計時，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，防止鋼架在連接過程中出現變形現象。此外，須將框架梁設計成懸臂梁，在其連接處設置相應的熔透焊縫，腹板之間的連接采用高強度螺栓，這樣可以增強鋼材的柔韌性[7]。

施工過程設計：當焊接時，首先需要焊接框架梁的上端，其次焊接下端，焊接順序應從一段開始逐漸向另一端進行。在焊接完成后，須將焊接邊緣20mm～55mm 的雜質清理干凈，防止焊接氣孔等問題出現。同時應控制焊接的偏差值，見表3。

表3 焊接偏差控制

其中，腹板的連接主要采用高強度螺栓。此外當模板制孔施工時，須保證模板的孔位進度，從而保證高強度螺栓的安裝進度。如果施工過程中孔位發生偏移，需要利用鉸刀來進行孔位修正，高強度螺栓的安裝須在48h 內完成[8]。

3 鋼結構焊接變形分析

在鋼結構焊接的過程中，由于受到溫度的影響，鋼結構會發生相應的變形。為了研究鋼結構焊接變形情況，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輸入，提升鋼結構焊接的質量。

3.1 焊接熱理論分析

3.1.1 傳熱理論分析

通過分析能量守恒定律和傅里葉傳熱微分方程可知，在鋼結構焊接的過程中，其三維瞬態熱分析模型如公式（2）所示。

式中：k為x、y、z方向上的熱導系數，其大小隨時間的變化而變化；ρ為所選用材料的密度；c為相應的比熱容；φ為物體內部的熱源。

由于結構傳熱邊界條件的影響，當時間為0 時，其結構的溫度與室內溫度相同，如公式（3）所示。

在絕熱條件下，可以用公式（4）來表示其溫度變化梯度。

式中：n為發線的單位向量；?n為相應的熱導率。

3.1.2 焊接熱源模型建立

在分析最佳焊接熱的過程中，須建立相應的熱源模型，由于該項目對焊接工件的厚度有一定要求，因此應通過體熱源來進行分析。其功率模型如公式（5）所示。

式中：q0為功率密度；R為相對應的半徑。

根據該項目焊接功率的情況，可以將其轉變為功率密度，以此來分析焊接熱的變化，如公式（6）所示。

式中：q（r）為焊接的功率密度。

根據上述模型，輸入鋼結構具體物理參數并對比不同焊接熱條件下鋼結構的變形情況，選擇最佳焊接工藝參數。

4 結語

在鋼結構施工過程中，須嚴格把控鋼結施工工藝的每個環節，其吊裝技術、焊接技術和螺栓連接技術均應符合土木工程建設標準，從而提升土木工程施工的安全性。此外鋼結構技術的施工應用須不斷完善，使其能夠滿足土木工程施工的基本要求。