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1 工程概況

北京語言大學綜合樓二期（科研樓、禮堂）工程（以下簡稱“北語二期工程”）結(jié)構(gòu)安全等級為二級，2 座科研樓塔樓之間共有3 榀主桁架與桁架間連梁共同組成空中連廊，上中下三弦頂相對標高分別為45.05 m、41.40 m、37.75 m。弦桿為H750 mm×250 mm×16 mm×24 mm，立柱為H600 mm×250 mm×16 mm×16 mm，局部設H450 mm×250 mm×14 mm×14 mm斜撐。該工程鋼桁架結(jié)構(gòu)重要性大、施工跨度大、起重量大、起吊高度高，對于原材料的控制、施工測量、安裝方案的確定及起重設備選型、組焊過程中變形與內(nèi)應力的控制、焊后矯正、起吊與高空對接各個環(huán)節(jié)都提出了較高的要求。

2 原材料的控制

鋼結(jié)構(gòu)工程的原材料主要包括了三大原材料：鋼板、焊材、高強螺栓。通常來說，鋼材w（C）≤0.25%時，其焊接性良好，同時S（硫）、P（磷）兩大有害元素的含量均應控制在0.04%以下，以便有效降低熱裂及冷裂的發(fā)生概率[1]。本工程桁架用鋼全部為Q345B級鋼，以上2 點自然全部符合，但是Mn（錳）含量的大小往往容易被忽視，錳在鋼中可與硫形成MnS，其大部分進入熔渣，少部分留在焊縫中以細小質(zhì)點彌散分布，從而減小了硫的有害作用，提高了抗熱裂傾向，故而應保證w（Mn）=1.0%～1.6%。

對于另外兩大原材：焊材及高強度螺栓——兩者一定要通過送檢復驗來把關(guān)。雖然《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205—2001）里面第4.3.2提出：“重要鋼結(jié)構(gòu)采用的焊接材料應進行抽樣復檢”，而本工程結(jié)構(gòu)安全等級僅為二級、焊縫質(zhì)量等級也為二級，也許稱不上“重要”，但筆者認為：當你面對一個設計基準期為50年的全鋼高空連廊時，無論站在哪個角度，焊材的復驗都是理所當然的[2]。

這里值得一提的是：在明確了鋼結(jié)構(gòu)原材的控制重點后，作為總承包單位，還應當對進場的鋼構(gòu)件做焊接節(jié)點驗收。很多項目管理人員對此往往不重視，認為只要是有了鋼構(gòu)件出場合格證就沒問題了，其實在《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 81—2002）第4.6.1條中都有明確規(guī)定，總包單位應當履行鋼構(gòu)件驗收項目，而對于承受動載與抗震的焊接節(jié)點形式，還應參照《規(guī)程》第4.7條進行相關(guān)驗收[3]。

3 施工測量

施工測量本身是個很龐雜的工作，對于同一個施測目標往往有著不同的測量方法，正所謂殊途同歸。但是萬變不離其宗，滿足“工程測量精度”才是我們的唯一宗旨。在此，筆者根據(jù)以往工程經(jīng)驗列舉如下幾條要求：

（a）對于施工測量，總承包管理人員應當全程參與，不要停留于“把關(guān)”的舊有思想。因為無數(shù)的工程實例都一再證明：專業(yè)分包的測量成果未必正確，一旦出現(xiàn)錯誤，工程的工期和成本都是承擔不起的。這就要求總承包單位應當有自己的專業(yè)測量技術(shù)人員，精通測量理論與實踐知識，并能熟練運用各種測量器材。

（b）測量控制應當從預留預埋開始，重于預防，必須將過程中的每一次檢查與糾偏做實。

（c）對于鋼桁架對接這種類型的復核測量，一定要把實測實量與號料加工聯(lián)系起來。以下料前復核的測量成果來指導鋼材加工尺寸及其它加工要求（如預起拱）才是事半功倍之舉。

（d）如果下料前的現(xiàn)場復核測量結(jié)果準確可靠，但卻無法滿足形位公差要求，則應當編制偏差處理方案，并交由設計單位確認后實施。偏差過大引起的應力集中及桁架內(nèi)部受力模型的改變絕非兒戲，總承包單位在無可靠計算結(jié)果的情況下切不可擅自處理。

4 安裝方案的確定及起重設備驗收

安裝方案的確定要綜合考慮場地、設備、經(jīng)濟及測量結(jié)果等因素。就北語二期工程來說，桁架正下方為+5.05 m結(jié)構(gòu)樓板，板厚120 mm，平臺承載力不具備整體提升的條件，且工期只有30 d，時間相當緊迫，所以最終確定了“按榀組焊、逐榀吊裝、高空整裝”的總體思路，起重設備選擇了LTM1500-500 t汽車吊。

5 組焊過程中變形與內(nèi)應力的控制

所謂組焊原則，就是確定“以控制變形為主”還是“以控制內(nèi)力為主”。以北語二期工程為例，由于HJ1、HJ2、HJ3三榀桁架均是在地面組焊后起吊進行高空對接，且每一榀主桁架都需要與兩端塔樓預留牛腿對接上中下三弦，精度要求高，故而應當“以控制變形為主，以控制內(nèi)應力為輔”。該工程中采用的控制變形及焊接應力的方法如下：

（a）對于桁架整體縱向的收縮變形，在下料時就預留出上中下三弦主梁的收縮變形的余量，根據(jù)經(jīng)驗，整體可留余70 mm，高空對接時在一端切除多余長度。

（b）由于主桁架結(jié)構(gòu)截面對稱、焊縫布置也對稱，故而先利用定位焊裝配成整體，初步形成整體剛度，然后再輔以固定夾具與拼裝平臺固定，將整個桁架組成一個“剛性框架”。

（c）優(yōu)化施焊順序：整體上從兩頭向中間同時焊接，隔一焊一；局部里每個鋼柱與弦梁的連接先焊翼緣焊縫，腹板焊縫留待最后再焊，且翼緣焊縫采取對角跳焊的方式進行。此外，為減小層間焊接應力，立柱的焊接宜采取先連接上弦和中弦，再連接中弦和下弦的組焊順序。

（d）應采用多層焊縫，每層焊縫厚度為5～6 mm，分層數(shù)越多，每層所用的線能量越小，變形也就越少，但是焊接接頭的焊接殘余應力將會加大。

（e）采取較低的焊接電流及適當?shù)倪\弧速度。

（f）錘擊焊縫，在每條焊縫（底層焊道和表層焊道除外）冷卻的過程中，用小錘擊打焊縫，錘擊時的溫度宜控制在650 °C～800 °C之間（焊縫組織及熱影響區(qū)為暗淡的櫻紅色時），使焊縫金屬受到鍛打減薄而向四周伸長，從而抵消一些焊縫的收縮，起到減小焊接應力的作用。

（g）過程測量。要對焊接過程中及焊接終了時的桁架變形進行跟蹤測量，主要包括長度伸縮、彎曲變形及上中下三弦間的距離變化，當出現(xiàn)與塔樓預留牛腿相對位置不符合的偏差時應及時矯正。

（h）對于有斜撐的復雜節(jié)點進行局部高溫回火，回火范圍為每個構(gòu)件距離節(jié)點500 mm的范圍內(nèi)，回火溫度控制在650 °C～800 °C之間，保溫時間按照每毫米厚板4～5 min計算（由于現(xiàn)場施工條件有限，均按照1 h執(zhí)行），然后空冷，通?？梢詫⒐?jié)點區(qū)域70%～80%的殘余應力消除掉，使剩余的殘余應力峰值降低，分布趨于均勻（對于焊縫錯綜復雜的節(jié)點，筆者建議同時輔以錘擊法，但錘擊時的溫度一定要在600 °C左右，此溫度為鋼材的力學熔點，錘擊應輕快、稠密、均勻，當鋼材冷卻至350 °C左右時必須停止錘擊，因此溫度通常為鐵素體-珠光體合金組織的藍脆溫度上限）。

這里筆者要對第（h）條再作一點說明，很多人會質(zhì)疑組焊好的其它鋼桁架節(jié)點所殘留的焊接應力是否超標？這就涉及到了在一個什么情況下要求進行應力消除的問題。其實，某一結(jié)構(gòu)焊后是否要進行熱處理，通常由設計部門根據(jù)鋼材的性能、板厚、結(jié)構(gòu)的設計參數(shù)取值、結(jié)構(gòu)的制造及使用條件等多種因素綜合考慮后確定。對于常見結(jié)構(gòu)，既要通過必要的科學實驗，也要分析同類結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外長期使用中的工作情況，以便確定在什么情況下必須進行消除殘余焊接應力。

6 焊后矯正[4]

北語二期工程并未涉及焊后矯正工藝，自始至終組焊變形控制良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而對于一些需要進行焊后矯正的工程來說，最常用的矯正方法就數(shù)火焰矯正（或為提高效率而采用水火矯正）。在此需要提及的一點是：如果需要使用火焰矯正，一定要弄清楚所用鋼材的矯正參數(shù)，以免不適當?shù)奶子脤е落摬慕鹣嘟M織變化、力學性能衰減的方法。例如對于Q345B級鋼來說，將矯正溫度控制在750 °C左右，力學性能將幾乎不受影響，即使在進行3 次水火矯正后其力學性能亦無顯著變化，反過來也就是說——超過這一矯正溫度或矯正次數(shù)都是不適宜的。

7 起吊與高空對接

在起吊與高空對接階段，需要隨機應變及關(guān)注的問題較多。如在北語二期工程準備正式起吊當天，租賃單位第一次來的汽車吊為GMK6300-350 t吊車，盡管第2天調(diào)換的汽車吊是GMK7450-450 t，且只帶了60 t配重，這與我們原來要求的500 t汽車吊相去甚遠。但倘若舍棄不用，一段時間內(nèi)或?qū)o起重設備可用。為此，項目部不得不突破原有論證方案，討論分析GMK7450-450 t汽車吊的適用性。在經(jīng)過對其站位和起重性能的全面分析，我們決定首先對它的最危險起吊工況進行持荷觀察。

雖然在實驗后應用取得了成功，但這件事也給我們作了一點警示，即任何方案的制訂均不能一廂情愿，一定要有預案補充，而且在具體的應用上還需要管理人員根據(jù)場地情況、客觀環(huán)境和起重設備的起重性能等綜合考慮：

（a）大跨度鋼桁架的起吊前必須進行側(cè)向穩(wěn)定性驗算，避免起吊時造成桁架的彎扭破壞，如果驗算結(jié)果側(cè)向穩(wěn)定性不足，則必須應用側(cè)向輔助固定支撐。

（b）對于周邊建筑環(huán)境或本身造型復雜的建筑，最好在吊裝前對吊裝過程進行3D模擬，以便有效避免某些不直觀的遮擋磕碰。若一旦起鉤，懸在半空卻又被既有建筑物遮擋而無法逾越將是非常尷尬的事情。

（c）起吊時必須保證各根吊繩大致均勻受力。故此吊點的設定及鉤拉原則應當為：偶數(shù)設置、隔點拉繩、2 點同繩。另一方面，起鉤后應有施工人員上梁“把繩”，確認各條纜繩是否均勻受力。

（d）高空對接時應當先臨時固定一端，再固定留有余長的一端。臨時固定要牢固迅速，以適應高空對接的節(jié)奏。例如可以采用臨時螺栓夾板穿孔固定、臨時焊接板固定或者兩者兼用。

（e）整個吊裝過程中應保證在汽車吊操控室、兩側(cè)塔樓作業(yè)點及制高點處均有管理人員全程站位監(jiān)控，4 人之間應保持通訊暢通，高度協(xié)作。與此同時，還可以適當配備高倍望遠鏡，以便隨時觀察吊點及纜繩工況。

8 結(jié)語

鋼桁架安裝工程本身就復雜多樣，每一個工程又有自己獨一無二的特點，它們所包含的知識涉及到方方面面，絕非幾頁文章所能道盡，筆者也只能僅就其中的控制要點進行淺顯地闡述。但是在大跨度鋼桁架吊裝作業(yè)日趨普遍的今天，作為總承包單位，有必要熟悉掌握其中的知識及技巧，切不可把這些全都交給專業(yè)隊伍，只有這樣，方能有效確保施工安全及工程質(zhì)量，不斷提高自身的管理水平。