屋面桁架钢结构施工技术探讨

中铁十七局集团建筑工程有限公司 吴鑫鹏

摘 要：自然界总有很多例子显示了圆管形状在受压，受扭及各个方向受弯下的卓越结构性能。目前采用相贯节点圆管桁架结构的大跨度屋盖已广泛应用于各种大型公共建筑中。

结合此次工程实例，对桁架式钢结构工程施工进行了详细说明，从预埋件埋设到吊装完成后的涂料喷涂尽皆作了介绍，对一些细部节点措施进行展示。

关键词：相贯节点；桁架式钢构；细部节点；

1 绪论

1.1背景

钢结构具有质量轻、受力性能优的特点。钢材与混凝土、木材相比，钢材密度与强度的比值最小，例如：就屋架而言在同样荷载强度条件下，钢屋架的重量只有同等混凝土屋架的30%甚至25%。钢结构房屋的重量是钢筋混凝土房屋的50％左右，使用面积却比钢筋混凝土房屋提高4％左右。且钢结构是厂区加工制作，具备成批大件生产和成品精度高等特点，采用工厂制造、工地高强螺栓安装的施工方法，有效地 缩短工期，为降低造价、发挥投资的经济效益创造条件。在同等条件下，钢结构工程与钢筋混凝土结构工程施工工期相比，钢结构仅是钢筋混凝土结构的1/3～1/2。另外钢结构材性好，可靠性高。钢材质地均匀、各向同性、弹性模量大、有很好的塑性及韧性，是理想的弹性塑性体。因此，钢结构不会因为偶然的超载或局部超载而突然断裂破坏，其能够适应振动荷载，计算模型很好地反映钢材的力学性能，因而分析准确可靠。虽然单纯从目前材料的价格上看，钢结构比混凝土结构的造价要高，但钢结构比混凝土结构建设的速度要快50%左右，这会节省很多时间成本；钢结构比混凝土结构的房屋整体重量要轻50%以上，基础处理、运输量的成本都会下降。建造房屋是一个系统工程，包括设计、制造、运输、安装、维修和管理等诸多环节，因此，从整体上看，钢结构更省。所以，屋面现在越来越多的采用钢结构形式。

2 屋面桁架系统简介

2.1钢桁架材料介绍

圆钢管采用直缝钢管，加劲肋材质同母材材质。主体桁架、预埋件材质为Q345B，支撑、系杆采用Q235B，个别材质有Q355B等。普通螺栓符合国家标准《六角头螺栓-A和B级》（GB 5782)，锚栓采用Q235B钢制作。钢材抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2，钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%，钢材有良好的可焊性和合格的冲击韧性，焊接承重结构及重要的非承重结构应具有冷弯试验的合格保证。

当采用手工焊时，Q235B钢材采用E43型焊条，Q345B钢材采用E50型焊条，自动或半自动焊时，采用的焊剂和焊丝应与主体金属材料强度相适应，其熔敷金属的抗拉强度不应低于相应焊条的抗拉强度。角焊缝高度根据焊件最小厚度参见下表选用：

高强螺栓连接的钢材摩擦面抗滑移系数值为0.5，高强螺栓级别为10.9级。

2.2钢桁架概况

南部(A区)和北部(B区)：其形式为：主，次双向平面桁架、环向空间立体桁架、立面空间抗风桁架、以及水平支撑和系杆组合而成的结构体系。其余各屋面：采用空间蜂窝形网架、空腹网架、片桁架以及H型屋面钢梁等形式。屋面A区：钢柱为钢管格构柱（斜柱），柱脚销轴连接，柱顶与环形桁架下弦杆销轴连接； 共设置4道主桁架，主桁架（平面桁架）长约38.5米，外部三个方向设置环形桁架（倒三角形桁架）抗风柱：三角型格构柱，共12榀。屋面B区：钢柱为钢管格构柱（斜柱），柱脚销轴连接，柱顶与环形桁架下弦杆销轴连接； 共设置4道主桁架，主桁架（平面桁架）长约30米，外部三个方向设置环形桁架（倒三角形桁架）抗风柱：三角型格构柱，共9榀。

图一 屋面钢结构BIM三维实体模型

2.3钢桁架构件安装施工流程

图二 钢构件安装流程图

2.3.1钢结构运输、进场、摆放

1）构件和材料的运输进场应按计划进行，进场计划精确到每个构件的编号，需用的构件至少提前一天进场，同时要考虑现场堆放条件，尽量协调好安装施工与制作加工的关系，以保证总本工作按计划进行。

2）钢构件的运输符合下列要求

（1）装卸、运输过程中均不得损坏构件并防止构件变形。

（2）构件运输应按吊装的程序要求进行，并考虑配套供应。

（3）构件宜对称放置在运输车辆上，装卸车宜注意对称操作，确保车身和车上构件的稳定。

（4）构件运输过程中宜用垫木， 用紧绳器固定， 防止构件在运输过程中松动和滑移，对重心不稳的构件，还应采用支架稳定。

3）构件到场时，验收人员根据运输清单对构件数量、规格及编号进行检查， 确认无误后，方可签字并组织卸车，并具备下列技术文件：

（1）设计更改文件、钢构件施工图，并在图中注明修改位置。

（2）制作过程中对加工构构问题处理的相关变更协议文件。

（3）所有钢材和其他材料的质量证明书和高强螺栓的扭矩系数试验报告。

4）发现构件、材料数量、规格、质量及编号有问题时，应及时反馈，并做好记录。

5）对于运输过程中造成的损坏，损坏严重时应返制作场地进行修复，轻微损伤可以在现场进行，经过校正出来的钢构件，必须重新检查。

6）、 钢构件的堆放

（1）力求在吊装现场附近堆放，并遵循重近轻远的原则，并满足钢构件进行堆放、检验、组装和配套供应的要求。

（2）钢桁架构件在吊装现场堆放沿吊车开行路线两侧按轴线就近堆放； 避免现场二次倒运困难。钢梁、支撑等按吊装顺序配套供应堆放，钢构件堆放应以不产生超出规范要求的变形为原则。

（3）构件应分规格和型号分类堆放，构件编号宜旋转在醒目处。

（4）构件堆放宜使用垫木，次构件（支撑、檩条、连系梁等）的每堆构件堆放高度不宜超过2m；梁、柱不宜超过3层；螺栓、高强度螺栓、栓钉等应堆放在室内，其底层应架空防潮。

（5）每堆构件间应留一定距离，供构件预检及装卸操作，每隔一定堆数还应留出装卸机械用的空地。

2.3.2安装作业条件

1）主要材料已进场，报监理单位验收合格并满足安装的需要。

2）安装方案等各种技术文件已审定、批准，各种技术准备工作已准备就绪。

3）各种工艺评定试验、高强度螺栓的扭矩系数、滑移系数试验已完成。

4）基础交接

（1）土建单位提供轴线、标高基准点或提供测量控制网及有关标记；并提供相关验收资料。

（2）已根据土建单位的基准点或测量控制网对基础轴线、标高、支座、地脚螺栓进行技术复核。

（3）办理交接检验，同时应注意：基础的轴线标志和标高基准点准确齐全；地脚螺栓的位置的准确度；基础表面平整，二次浇灌的基础表面已凿毛；地脚螺栓的清洁度以及地脚螺栓完好无损程度。

2.3.3钢结构安装顺序图

图三 钢结构现场施工区域

由于AB区为抗风桁架，CDE区为普通钢柱钢梁，F区标高最高，所以安装时采取→A区→B区→C区→D区→E区→F区的施工顺序进行。因为AB区构造相差不多，以A区为例：

·预埋件埋设

埋件埋设工艺和定位措施是影响埋件施工质量的关键环节，操作前应编制详细且具有可操作性工艺标准并对操作人员进行详细交底。

1.施工准备

1）预埋件（螺栓）进场时应附带质量证明文件和产品合格证，进场后应组织相关人员进行检查验收。

2）安装前与施工技术人员办理测量控制线交接手续，复核给定的测量控制线，根据控制线引测预埋件（螺栓）的平面及高程控制线。

3）根据工艺要求加工辅助用支架，准备辅助用料，并存放到指定位置，由专人保管。

4）施工用电焊机、气割、测量仪器等进行统一检查调试。

2.施工方法

1）预埋件（螺栓）的测量定位控制线应单独设置，每个埋件的控制线都应从结构控制轴线单独引测，在已浇筑的混凝土或已固定的钢筋表面做好控制标记。

2）预埋件在安装前应做好中心定位标记，便于安装时测量校正。

3）预埋件锚筋与结构主筋位置发生冲突时，可以适当调整锚筋位置，保证埋件安装位置；当预埋螺杆与主筋位置发生冲突时，应尽量调整主筋位置，保证螺杆按设计要求位置就位。

4）预埋件与结构钢筋的临时固定可采用绑扎或与箍筋点焊固定，施工中应避免埋件直接与结构主筋焊接；临时定位措施应可靠牢固，并能抵抗一定的施工荷载。

5）同一柱脚预埋螺栓的相对位置宜采用模板固定，模板可采用槽钢支架或钢板精确打孔制成，模板与螺杆应采用螺母固定，不得进行点焊或焊接定位；安装时通过控制模板中心点位置和模板中心线方向的办法控制螺栓群的位置。

6）预埋件及预埋螺栓定位后，在混背凝土浇筑前和浇筑振捣过程中，应对预埋件及螺栓的位置进行跟踪测量，并制定相应的纠偏措施。

7）混凝土浇筑完毕达到一定强度后，定位板或定位支架应予以拆除。

8）预埋螺栓安装定位后，应采用不干胶带或塑料套管加以保护，防止丝扣破损，或混凝土浇筑时对丝扣造成污染。

3.预埋件复核、验收：

1）柱顶埋件的行、列线标志和标高基准点齐全准确；砼柱顶面平整。

2）支承面、支座和基础螺栓的允许偏差见下表：

·屋面桁架拼装

屋面桁架在工厂下料、分段预制、抛丸除锈Sa2.5级，涂刷底漆成半成品后运至安装现场拼装；构件运至现场后，按图纸分类、清点、复核尺寸、标识，核查质量证明书、设计更改文件、构件交工所必须的技术资料。

1. 屋面桁架现场拼装：

1）拼装前在施工现场制作操作平台，平台上设置起拱，确保钢桁架拼装质量符合设计要求。

2）每榀钢桁架的部件在拼装平台上按图纸要求拼装。

3）拼装时按图纸编号顺序把各分段杆件在平台上按设计要求拼装就位。（钢管对接时内加衬管，采取V型坡口焊，对接间隙5mm）

4）管桁架拼装时先拼接上弦杆，在拼接下弦杆，之后拼接上下弦之间腹杆，然后拼接上弦杆及上弦之间杆件，最后拼装上下弦之间腹杆完成拼装。

5）管桁架拼装时还应考虑桁架的预起拱值，预起拱值按照图纸和规范进行，桁架跨度大于24米时可起L/500，跨度小的不需要起拱。吊点一般不少于4个。

6）拼装点焊完成后开始施焊，采用全熔透焊接；施焊时在上下翼板各先打底焊一道，再按要求盖面焊接，以防止焊接变形。其中（腹杆与弦杆连接处焊脚尺寸为6mm，焊缝等级为二级，主次桁架与环桁架连接为相贯焊缝）。

7）拼接、对接焊缝为二级焊缝，所有对接的全熔透焊缝应按要求做超声波探伤；对不合格的焊缝可以用碳弧气刨或切割方式对缺陷部份返工重焊，但同一部位不宜返工两次以上，以免钢材性能固温度产生变异；二级焊缝的质量等级及缺陷分级应符合下表规定：

8）拼装注意事项：

地面拼装前对构件进行检查，构件变形、缺陷超出允许偏差时，须进行处理；并检查高强度螺栓连接摩擦面，不得有泥砂等杂物，摩擦面必须平整、干燥，不得在雨中作业；地面拼装完成后采用无油枕木将构件垫起， 构件两侧用木杠支撑，增强稳定性；检查吊点、对准基准点及中心线。

·屋面桁架吊装

1）吊装场地硬化、吊装设备和吊点选择:

一般先安装临时支撑，安装就位后才进行主次桁架的吊装，屋面桁架在地面拼装完成后，将拼装好的钢桁架运至安装位置，为保证吊装施工的正常进行，要求汽车吊行走路线场地需要平整、硬化处理。吊装采用单榀桁架整体吊装。吊点一般选择桁架所受弯矩峰值最小的位置，一般为两端部1/4位置处。具体为：

①吊装前采用悬吊钢尺加水准仪法将标高引测到下部结构上，以此来控制桁架与下部结构相贯各点的标高。吊装前应在两头用溜绳控制，钢桁架梁缓缓起吊后注意安装方向，以防碰撞下部结构然后缓慢落下就位。

②待桁架梁弦杆与下部结构相贯节点达到设计标高后，先将桁架梁弦杆与下部结构点焊接，待两端标高及整榀桁架垂直度等空间位置确定后，进行焊接固定。再安装连接桁架梁之间支撑桁架杆件，所有杆件安装焊接完成后对吊点进行卸载，并缓慢摘钩。

本次桁架连接节点采用销节点、球节点、板节点等，相应部位按图施工。

钢桁架吊装一般采用多台汽车吊配合吊装，分别吊装拼好的管桁架单元及吊装杆件进行管桁架单元的连接。

吊装工艺流程及方法：

屋面桁架吊装采取自下而上的顺序，所有上部结构的吊装，必须在下部结构就位、校正并系牢支撑构件后才能进行。

（1）屋面桁架吊装安装流程：

地面就位→检验→空中吊装→支座连接（钢立柱安装）→检验→支撑、拉杆、主桁架吊装→短向次桁架吊装→水平系杆的焊接→校正检验→支座固定。

屋面桁架与支撑连接完成时，对桁架垂直度及安装进行校正和最后固定，桁架经校正合格后，即可最终拧紧各部位螺栓作最后固定；以此类推逐步吊装下条轴线桁架。

（2）吊装注意事项：

1）连接用的高强度螺栓必须检查其合格证，并按出厂批号复验扭矩系数；长度和直径须满足设计要求；高强螺栓应由自由穿入孔内，不得强行敲打，不得气割扩孔；穿入方向要一致。高强度螺栓由电动扳手从央向外拧紧，拧紧时分初拧和终拧；初拧宜为终拧的50%；高强度螺栓接触面有间隙时，小于1.0mm间隙可不处理；1~3mm间隙，将高出的一侧磨成1:10斜面，打磨方向与受力方向垂直；大于3mm 间隙加垫板，垫板处理方法与接触面相同。

2）各构件安装前，应对构件进行检查；变形、缺陷超差时，处理后材能安装；清除构件表面的油污、泥砂、灰尘等杂物。

3）安装前应设置标高观测点和中线标志，同一工程的观测点和标志设置应一致，并跟踪观测。

4）吊装时，不得与现场原有建筑物相碰撞；构件吊装刮损漆面应于当天及时清污补刷。

5）钢结构安装工艺应保证结构稳定性和不致造成构件永久变形，对稳定性较差的构件，起吊前应进行稳定性验算，必要时应进行临时加固。钢结构安装、校正时，应考虑外界环境（风力、温度、日照等）和焊接变形取因素的影响，由此引起的变形超过允许偏差时，应对其采取措施。

6）吊装完成后，经自检合格后进行钢构件面漆的涂装。

本次桁架采取一些加固措施，防止主管壁出现冲剪破坏。

·吊装前钢结构底漆涂装

本工程室外钢结构表面采用环氧无机富锌底漆防锈，涂层厚度70μm，环氧云铁中间漆防火，涂层厚度70μm，超薄型防火涂料3.4mm及聚氨酯面漆100μm。

（1）作业条件：

油漆涂装前钢结构工程已检查验收，并符合设计要求；涂装现场应有安全防护措施，有防火的通风措施，防止发生火灾和人员中毒事故；露天作业应避开大风、下雨、气温低于5度的气候涂装。

（2）底漆涂装

1）涂装前先对钢结构表面进行清理，清除安装焊缝焊药，用干净的毛刷、棉纱将基面擦拭干净，对烧去或碰去漆的构件事先补底漆；如有锈蚀则应除锈后再涂装底漆。（对拼装焊接的部位必须清除焊渣，且进行表面处理达到St3级要求后，用同种涂料补涂）。

2）油漆的调制应选择颜色完全一致的面漆，兑制的稀料应合适，面漆使用前应充分搅拌，保持色泽均匀；其作粘度、稠度应保证涂装时不流坠、不显刷纹。

3）面漆在使用过程中应不断搅和，涂刷第一层漆时涂刷方向应一致，接槎整齐；刷漆时应采用勤沾、短刷的原则，防止刷子带漆太多而流坠。

4）第一遍刷完干燥后，再刷第二遍，第二遍涂刷方向与第一遍涂刷方向垂直，这样会使漆膜厚度均匀一致，两遍漆的间隔时间应大于4小时，不超过8小时.

5）采用喷涂施工时，应调整好喷嘴口径、喷涂压力，喷枪管能自由拉伸到作业区域，空气压缩机气压应在0.4~0.7N/mm2.

6）喷涂时应保持好喷嘴与涂层的距离100mm左右，喷枪与钢结构表面保持垂直，或喷嘴略倾为宜。

7）喷涂时喷嘴应平行移动，移动应平稳、速度一致，保持涂层均匀；采用喷涂时一般涂层比较薄，故应多喷几遍，每层喷涂时应等上遍漆膜干燥后进行。

8）滚涂施工时，要采用滚涂、刷涂相结合的方法进行，对于滚筒不易或不能涂刷到的部位用毛刷进行涂刷；滚涂时，层间应纵横交错，达到设计要求层数及厚度。

（3）涂层检查与验收：

1）表面涂装后漆面颜色应一致，色泽鲜明光亮不起皱皮、不起疙瘩、不流坠。

2）涂装漆膜厚度的测定，用触点式漆摸测厚仪测定漆膜厚度，漆膜测厚仪一般测定3点厚度，取其平均值。

结束语：

屋面钢结构形式多种多样，随着材料的更新和方法的改进，未来会更多的出现在高层建筑中。所以，本文的具体施工流程和节点加强措施值得去了解，学习。

参考文献

［1］钢结构设计标准，GB50017-2017

［2］冷弯薄壁型钢结构技术规范，GB50018-2002

［3］钢结构工程施工质量验收规范，GB50205-2001

［4］建筑抗震设计规范，GB50011-2010

［5］钢结构设计规范，GB50017-2017

［6］钢结构焊接规范，GB50661-2011

［7］钢结构超声波探伤及质量分级法，JG/T203-2007

［8］建筑钢结构焊接技术规程，JGJ81-2002