0 引言

　　型钢混凝土结构指的是将型钢埋置在钢筋混凝土中的一种独立结构，由于型钢的存在使其具备了较高强度和延性等特点，同时也继承了钢筋混凝土结构的良好防火性能、节省钢材等优点，因此在建筑领域得到广泛应用^[1,2,3]。

　　为此，众多研究者以型钢混凝土为对象进行了大量研究，如王秋维等^[4]提出配置扩大十字型钢和45°布置十字型钢2种截面形式的新型型钢混凝土柱，通过4个新型与1个普通型钢混凝土柱的低周反复荷载试验，研究新型截面型钢混凝土柱在较高轴压比下的破坏特征、滞回和骨架特性。李俊华等^[5]指出高温后型钢与混凝土之间的黏结滑移对型钢混凝土结构的高温后力学性能具有重要影响，并进行了18个高温后型钢混凝土短柱推出试验及3个常温下的对比试验。薛建阳等^[6]为研究型钢再生混凝土柱的破坏形态和抗震性能，对10根不同剪跨比、再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率的型钢再生混凝土柱进行低周反复荷载试验，观察其受力过程及破坏形态。李洪等^[7]运用BIM技术对反力墙结构中复杂的钢骨架、预埋件、预应力筋束、普通钢筋进行优化布置、深化设计、施工模拟及可视化交底，通过设置预埋件支撑钢架及可调式双螺母螺栓，安装固定预埋件，使预埋件位置易于调节，精度易于控制。

　　尽管大量研究者对型钢混凝土结构进行了研究，但型钢混凝土结构在不同施工情况下依然会出现各种技术问题，需结合具体工程进行分析。为此本文以贵阳市少年儿童图书馆型钢混凝土结构安装为依托，通过分析现场施工技术难点，从型钢梁主横梁连接工艺、大跨度型钢梁安装、悬挑结构施工3个方面进行技术创新与改进，确保施工质量与安全。

　　1 工程概况

　　本工程由贵州省图书馆新馆与贵阳市少年儿童图书馆两馆组成，总建筑面积78 040m²，其中计容面积52 940m²，地下面积25 100m²，用地面积35 000m²。建筑造型独特，总体效果为书本样式错叠放置，结构形式上有较大悬挑，最大悬挑长度8.40m。部分楼层设置有大空间，导致结构上有部分大跨度及局部转换，最大跨度为33.60m。贵阳市少年儿童图书馆部分为了营造建筑新颖造型，设置了一连通上下4层的螺旋交通体。根据建筑特点，本工程大悬挑及大跨部分采用型钢混凝土组合结构，常规部分采用普通混凝土框架结构体系。图书馆建成效果如图1所示。

　　图1 图书馆建成效果  

　　项目主要耗费钢材1 700t，使用的型钢材质为Q345B，部分为Q390。型钢混凝土钢结构框架柱截面主要有不对称十字形截面、对称十字形截面、H形截面、箱形截面，截面厚度主要为16～35mm，最大厚度达50mm;钢梁主要截面为H形截面，截面厚度主要为16～35mm。

　　本工程钢结构分为普通钢结构和型钢混凝土组合结构。

　　1)普通钢结构(1)贵阳市少年儿童图书馆的外幕墙，设置型钢柱及型钢梁结构作为支撑体系;(2)螺旋楼梯处采用直径1.1m、壁厚2.8cm单一钢柱作为支撑;(3)玻璃屋面支撑架。

　　2)型钢混凝土组合结构螺旋楼梯行走平台、型钢柱、型钢梁大悬挑及大跨度部分均采用型钢混凝土组合结构

　　2 工程特点及难点

　　1)型钢梁主、横梁焊接易产生位移偏差问题型钢梁主、横梁焊接一般采用药芯焊丝气体保护焊或焊条电弧焊焊接法，易使得焊接件产生位移偏差、变形等问题。

　　2)大跨型钢梁安装难度大在5层南侧有本工程最大跨度梁，最大跨度33.60m;在3层北侧有较大跨度梁，跨度25.20m。部分型钢梁跨度大，高空散装难度较大，可采取分段吊装法，但吊装时由于高度较高，导致各分段安装精度低，同时，大跨重型结构由于施工时间过长，会因温度效应产生不同收缩变形和温度应力，进一步增大大跨梁安装难度。

　　3)高空悬挑结构现场施工难度大，且特定悬挑部位抗震能力要求高在4～7层北侧有逐层向外加大悬挑的造型，此处悬挑内部拉结弱，类似于纯悬挑，且部分位置有大截面单柱悬挑，此部位型钢梁柱抗震等级均为特一级。图书馆部分悬挑结构如图2所示。

　　图2 逐层向外加大悬挑  

　　3 型钢混凝土结构关键施工技术

　　针对图书馆型钢混凝土结构现场施工存在的难点问题，从H型钢主横梁对接精度控制、大跨度型钢梁安装、高空悬挑结构施工3个方面进行工艺创新，进而达到提高施工效率、降低事故率的目的。

　　3.1 H型钢混凝土主梁和横梁连接

　　H型钢混凝土主梁与横梁连接效果好坏取决于主梁与横梁连接工艺、焊接工艺，而传统的焊接工艺会因焊接产生焊接热应力导致H型钢翼板或腹板产生变形，严重影响主横梁的对接精度，若变形用矫正方式无法改变则只能报废处理，造成极大浪费。

　　为此，通过贵州省图书馆新馆及贵阳市少年儿童图书馆两馆工程实践，结合H型钢理论与工程实践经验编制形成H型钢混凝土主梁与横梁连接施工工法。

　　3.1.1 工艺流程

　　施工准备→焊接锚固件→焊接螺纹孔道→安装螺纹钢筋→精调螺纹钢筋→精调螺纹孔道连接钢板焊接→安全检查。

　　3.1.2 施工准备

　　1)准备设计要求的焊条、固定式或移动式电焊机(包括焊枪)、电焊操作用面罩、焊接夹具或工作台、除锈打毛刺用砂轮机等辅助材料。

　　2)合理安排制作平台位置及相关附属设备位置，以避免施工人员及施工车辆在制作及安装现场拥挤。

　　3) H型钢柱下料、调直及拼接严格按制作工艺及图纸的技术要求进行。

　　3.1.3 焊接锚固件

　　锚固件主要连接主梁内H型钢翼板和固定螺纹孔道、横梁内H型钢腹板和固定螺纹孔道，在主梁内H型钢翼板和横梁内H型钢腹板设计连接位置，可通过粉笔标记焊接中心点及锚固件上、下端位置，保证误差在规范允许范围内，将焊接锚固件分别焊接在主梁内H型钢翼板和横梁内H型钢腹板设计位置，然后进行焊接质量检测，检测满足规范要求后进行下一步施工。锚固件焊接位置如图3所示。

　　图3 锚固件焊接位置示意  

　　3.1.4 焊接螺纹孔道

　　螺纹孔道主要用来连接焊接锚固件和螺纹钢筋，螺纹孔道垂直度直接影响主梁与横梁之间位置，螺纹孔道端部应与焊接锚固件进行满焊，确保焊接质量达到设计要求。

　　3.1.5 安装螺纹钢筋

　　首先绑扎横梁下部钢筋，为横梁内H型钢提供支承作用，将横梁H型钢吊运至横梁模板内，采用横梁钢筋骨架进行预固定，然后分别将螺纹钢筋两端插入对应螺纹孔道，通过调整横梁位置将螺纹钢筋安装至横梁内H型钢腹板的螺纹孔道内。

　　3.1.6 精调螺纹钢筋和螺纹孔道

　　采用旋转扳手对螺纹钢筋进行旋转精调，通过螺纹钢筋调整螺纹孔道及翼板和腹板之间距离来满足设计间距要求。采用旋转扳手调整螺纹孔道进行旋转精调，确保螺纹孔道更好地磨合适应螺纹钢筋。

　　3.1.7 连接钢板焊接及安全检查

　　在螺纹孔道调整完毕后使用连接钢板将主、横梁H型钢焊接在一起。在完成主梁H型钢与横梁H型钢连接后，必须保证焊接中心点及锚固件上、下端位置在允许误差范围，螺纹孔道端部与焊接锚固件和连接钢板的焊缝必须满足二级焊缝标准。

　　3.2 大跨度型钢梁安装

　　由于大跨度型钢梁的安装需建立在钢柱安装基础上，因此本文从钢柱安装和钢梁安装两方面优化安装工艺，提高大跨度型钢梁的安装质量。

　　3.2.1 连接方式

　　钢柱的上下对接采用焊缝连接，钢柱与钢梁的对接采用高强螺栓+焊缝连接形式，其中焊接方式一般分为电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊。钢结构厂家加工采用全自动埋弧焊，而现场拼接采用的是CO₂气体保护焊，前者具有自动化程度高、焊接速度快、劳动强度低、焊接质量好等优点，后者具有无熔渣、焊接速度快、焊接质量好等特点。本项目螺栓连接节点采用摩擦型高强螺栓，此方法加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好。

　　3.2.2 钢柱安装

　　1)安装爬梯爬梯安装位置如图4所示，同时应安装一个活动作业平台，便于钢柱对接时工人焊接操作。

　　图4 爬梯安装位置  

　　2)吊点设置及起吊方式具体吊点位置如图5所示，注意起吊后连接处吊耳的过载变形问题，应按相关吊装作业规定，使用专用吊具进行单机回转法起吊作业。在临近连接点时，根据机器晃动情况进行停机稳定操作，等待机器稳定后再进行对接作业。

　　3)钢柱在吊装前应调整好方位，尽可能避免在吊装过程中扭转钢柱，如出现钢柱须扭转调整，需按规定分多次、小幅度、慢慢调整;偏差过大时可借助千斤顶进行调整。

　　图5 吊点设置及起吊方式 

　　4)钢柱垂直方向调整使用3台经纬仪在钢柱的不同方向进行观测，及时了解钢柱的垂直方向情况，同时应注意预留焊缝收缩所导致的误差。

　　5)柱标高校正完成吊装对接后，连接板应保持宽松状态，通过比对标高实际值和设计值的误差进行多次微调，待误差值符合要求后及时焊接上、下钢柱。

　　3.2.3 钢梁安装

　　由于5层南侧和3层北侧的钢梁跨度较大，因此在安装完这两部分型钢梁后，应及时与现场支撑连接，防止温度变化造成型钢变形。吊装顺序应采用从两端到中间形式，其中中间合拢部分必然会因温度效应导致合拢精度降低，从而造成最后一段型钢梁对接失败。因此，在进行大跨度型钢梁安装时，应根据现场连续实测尺寸值进行精准焊接，依据钢梁理论计算温度应力确定合拢焊接温度，实现大跨度梁准确对接。

　　其他型钢梁的安装同样按钢柱相关要求进行，需着重注意连接钢梁之间的稳定情况，每天的钢梁安装量应有计划进行，及时进行焊接，防止因外界因素导致钢梁之间的连接误差增大。

　　安装措施如下。

　　1)吊索应保持≥45°进行吊装，同时应做好稳固措施，确保吊点位置在钢梁的1/3处。严格禁止过载吊装钢梁，使用符合规定吊具，确保吊装安全。

　　2)主梁定位应进行初调、终调2个步骤，2个步骤需做好有条不紊，最后再用高强螺栓固定。

　　3)将吊篮设置于钢梁上部，严格遵循主梁上下层校正、检查、初拧螺栓、终拧螺栓顺序。钢框架校正采用成熟工艺进行，可借助千斤顶、手拉葫芦等工具。校正工作完成后，使用定位板固定各待焊接点，降低焊接热效应造成的误差。

　　4)吊装作业前应保证待焊接部位干净整洁，做好除锈除污工作，提前将待吊装的钢梁焊接好连接板。待上、下钢梁对接完成后，立刻固定连接板，对接失败时检查连接板孔内是否有异物及连接板平整度。

　　3.3 高空悬挑结构施工

　　3.3.1 临时支撑设置

　　1)布置位置本工程悬挑梁、悬挑桁架端部及大跨度桁架分段位置均需搭设临时支撑系统进行临时支撑，鉴于本工程的结构特点和支撑高度，2～5层悬挑梁采用351×8单管作为临时支撑。

　　2)临时支撑选型根据钢结构吊装方案，施工分段及考虑到施工期间安全与结构稳定性，在施工过程中需搭设临时支撑，选用标准支撑架作为临时支撑架。该标准支撑架以每6m为1标准节，采用单片组合，外形基本组合尺寸为1.5m×1.5m，可扩展为3m为模数的任意组合。临时支撑选型:弦杆规格89×5，腹杆规格60×3(无缝钢管)，材质Q235B,2×60μm红丹漆防腐，法兰板厚16mm，其他节点板厚为12mm。

　　支撑架底部采用井字形横梁，横梁采用HM294×20制作，顶部横梁采用HM250×175制作;提升架底部井字架横梁采用HM400×300，顶部横梁采用HM340×250制作，所有钢材材质为Q235B;支撑架顶部设置钢管支托、垫块、千斤顶。吊装时利用千斤顶支撑支托调节网格支撑节点标高，调节完成后，在次支托底部插入垫块及楔块垫实，再撤去千斤顶。将主支托顶面根据网格钢梁底面切平后点焊固定，防止分块定位完成后在施工过程中产生移动。

　　支撑架落于室外地面时，在地面上铺设路基箱，然后将胎架支承于路基箱上，可保持胎架稳定，不发生沉降;支撑架设置在混凝土楼面上时，由于混凝土楼层板的承载力不能满足支撑架的受力要求，需在支撑架底部设置钢结构转换平台，转换梁支承在混凝土框架梁或混凝土柱上，转换梁与混凝土梁柱之间垫30mm厚钢板，混凝土梁下部采用127×5.25单管进行反顶，以便将支撑架的荷载传给基础。

　　3.3.2 悬挑脚手架搭设

　　1)脚手架搭设工艺在4楼处安设16地锚规格钢筋，间距设置为1.8m，确保地锚安装符合规定。挑梁和锚环安装应根据设计图要求进行布置，同时挑梁的规格应选择I18，采用16锚环固定，悬挑头拉设钢丝绳，斜拉于上部结构作为保险措施。考虑到要尽可能减少转角处的架子外伸长度，应将型钢的挑梁进行倾斜处理。同时，可通过加设斜拉索保险措施及增加挑梁的锚固与挑出长度(锚固长度/挑出长度应≥1.25)对挑梁进一步进行加固。当完成挑梁搭设后，应保证挑梁与锚环、挑梁下部与板梁呈紧实状态。

　　2)挑梁抗扭转措施为避免挑梁根部出现变形，可在支座处加设垫板座做垫平处理。所用架子承插管应采用38×2.7钢管且长度应>100cm，通过适当减少架子立杆与承插管之间的距离，能有效利用架杆自身刚度降低挑梁端部发生水平侧向位移的可能性。通过在挑梁平面处加设通长扫地杆，可对挑梁平面的抗扭刚度和整体性有效增强。同时，在各挑梁的连接平面处每隔一段距离加设水平剪刀撑措施，同样可降低挑梁端部产生水平侧向位移的可能性。施工过程中，施工架的搭设应达到JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》的相关要求，且其整体搭设高度不得超过20m。施工架子通常使用2层铺板搭配1个操作层，整体活荷载值不得大于3k N/m²;若为装饰施工，则应设置2个操作层，整体活荷载值不得大于4k N/m²。施工架子的整体活荷载必须符合相关技术规范规定，严禁将施工架子作为堆料平台与模板架子使用。

　　4 结语

　　通过对贵州省图书馆新馆及贵阳市少年儿童图书馆工程的技术难点分析，从型钢梁主横梁连接工艺、大跨度型钢梁安装、悬挑结构施工3个方面进行技术创新与改进，得到如下结论。

　　1)型钢梁主、横梁焊接易产生位移偏差等问题，项目部结合现场实际情况编制出的H型钢混凝土主梁与横梁连接施工工法可很好地解决焊接过程中出现的应力收缩问题，很好地保障施工顺利进行。

　　2)图书馆大跨度型钢梁安装施工中采用分段吊装法，从钢柱安装和钢梁安装两方面进行安装工艺优化，焊接作业时焊件应及时与现场支撑连接，防止温度变化造成型钢变形。吊装顺序应采用从两端到中间形式，中间合拢部分应根据现场连续实测尺寸值和钢梁理论计算值进行精调，防止焊接温度效应带来合拢精度降低。

　　3)高空悬挑结构施工必须根据钢材的质量分布、抗震要求、刚度等情况进行结构稳定性分析，选择合适的施工工法，同时应对其临时支撑及脚手架搭设等关键工艺进行合理设计，在兼顾艺术性的同时，更加注重其安全性。