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钢结构在土木工程的应用

 【摘要】土木工程具有鲜明的综合性特征,涵盖了房屋、桥梁等一系列土地建筑、设施的建造技术,需要整合勘测、设计、施工等多专业工种,在协调规划下通力完成,其施工技术的先进性、科学性与国计民生息息相关。当前伴随工艺体系的成熟,新施工技术不断涌现,带来质量改进的同时,也促成了新施工标准的完善。论文聚焦土木工程钢结构施工技术,对其应用优势及技术要点进行论述。

【关键词】钢结构;土木工程;施工技术

1引言

结构设计是土木工程施工的关键所在,砖混结构、框架结构等都是较为常见的结构类型,它们在承重、耐久等方面都有各自的优势。但当前伴随城市建设进程的深化,高层、超高层建筑占比增加,大型工厂建设需求旺盛,旧有钢混、砖混等结构由于自重、抗震性能等的限制,均存在较大的局限,已无法满足新设计标准,因此,探寻和总结高效的钢结构施工技术是十分必要的。

2钢结构在土木工程施工中的应用优势

2.1强度高且质量较轻

钢结构主要是以钢铁为原料制成的,与旧有混凝土结构相比,其抗拉性能更为优良,以Q235钢为例,在16mm厚度以内,其抗压强度设计值可以达到235MPa,而相同状况下的C30混凝土设计值只有14.3MPa,差别极为悬殊[1]。同时由于钢结构塑性较好,截面可依据需求设计工字形、槽形等,从而在有限的自重范围内,最大限度地发挥结构强度。近年来,伴随土木工程施工技术的完善,钢结构逐渐分化出了多种技术类型,除高层钢结构外,还衍生出了空间钢结构、轻钢结构技术等,前者以钢管球节点为支撑,结合变截面网架进行搭建,外形美观且钢材消耗量也不大。轻钢结构则尤以质量轻著称,外围护由轻型钢板组成,内部则以H形钢墙梁支撑,配合钢制屋面檩条加固,整体跨度最大可超过30m,在现代厂房、体育馆等土木工程建设中,应用极为广泛,轻钢结构示意图如图1所示。

2.2材质均匀且结构可靠

钢结构由钢材统一切割、组装形成,本身材质较为均匀,是一种较为理想的弹性塑性体,力学计算干扰较少,因此,计算得出的结果也更加可靠,能够较为直观地反映土木工程受力情况,为方案规划和设计提供依据。均匀的内部构造还能有效规避混凝土结构中,沉降、开裂等问题,减少外界环境的不良干扰。同时钢结构伸长率也相当优良,以钢材本身屈服强度为准,符合国家标准的钢结构抗拉强度可高出该数值20%,即使材料受到地震等载荷的作用,进入屈服阶段,也能留出较大的变形空间,从而吸收地震能量,延缓弯曲、折断等问题的发生时间。需要注意的是,钢结构韧劲与温度变化关联较大,因此,对于气候寒冷区域的土木工程项目,要优先考虑钢结构的伸长率和抗屈服能力等,适当增大低碳钢的应用比例,提升结构韧性。

2.3经济与环保性能优良

土木工程规模较大,耗费极多,造价管控难度较高,同时混凝土施工还会对周围环境造成污染,与生态文明理念相悖。而钢结构统一采用工厂定制方式,所有构件都按照设计标准打造,运输至现场安装,可以根据需求选择焊接、铆钉连接等方式,灵活性更高,湿作业频率减少,能够有效提升施工环保性。钢结构模式下,构件制作流程大部分由工厂承担,还有助于缩短施工周期,加快资金回流速度,节省人工费用等,剩余材料还能满足二次使用需求,提高了资源配置效率,有助于提升土木工程项目方造价管控质量。

3钢结构在土木工程中的施工技术要点

3.1选材与吊装技术要点

钢结构具有强度高、质量轻等特质,在当前土木工程市场上受到了广泛青睐,但该结构类型也存在一定弊端,比如,防锈、防火性能较弱,当环境温度超过200℃限值时,结构自身极易产生变形,直接威胁工程稳定性,降低防火等级。因此,国家在钢结构施工标准中,对钢结构比例、生产指标等进行了严格规定,在选材时要以此为依据,选择有生产资质、证书齐全的产品。碳素钢是当前较为常见的钢结构材料,其自身硬度与强度较大,能够满足土木工程抗压需求,但韧性、可塑性相对欠缺,部分项目设计中要适当搭配低合金钢,提升项目安全性能。从构件截面设计角度来看,当前工字形、箱形截面都较为常用,部分项目中还会涉及十字形、复合形截面,要与连接工艺进行匹配,明确参数要求。钢构件吊装可先用BIM进行模拟试验,确定机械停放位置,保证吊装过程平稳、有序。受安装流程影响,钢柱柱脚部位可能设置有螺栓,吊装前要进行紧固确认,防止其脱落,预埋坐标误差要控制在2mm以内,标高误差则要控制在5mm以内[2]。

3.2钢结构连接技术要点

3.2.1焊缝连接焊缝连接是钢结构独有的连接技术。钢材在电弧焊加热下,局部会发生明显的融化,后续经冷却凝固即可形成焊缝,对2个相互独立的钢构件进行连接。实际操作时首先要做好检查工作,剔除焊芯生锈等存在缺陷的焊条,如果没有明确的设计规定,则要根据钢构件本身材质进行比选,Q235钢适宜搭配E43系列碳钢焊条,同时注意区分酸性和碱性焊条,分开存放,防止混用。焊接开始前应当做好检查,清除焊缝部位周围的油污、锈渍等,以焊条焊接位置为依据,常见的焊接形式主要有平焊、立焊等,其差别可见图2。平焊过程中,电弧应与待连接对象隔开一定距离,以2~4mm为宜,均匀控制焊接速度、电弧长度等,与构件之间保持一定的角度。立焊与之流程类似,但电流应适当减小,以平焊电流的85%~90%为宜;仰焊过程中,则要结合焊件厚度对夹角进行调整,同时采用小电流焊接技术;横焊电流与立焊一致,焊条向下倾斜,电弧长度同样维持在2~4mm即可,焊接完成后严格执行验收工序,对存在气孔、咬边等问题的焊缝,一律不予验收,尽可能保证焊接质量。3.2.2螺栓连接螺栓连接是土木工程项目中较为普遍的连接方式,主要是在螺栓零件的帮助下,使2个独立构件建立联系,其他部位可使用普通螺栓连接,关键部位必须采用高强度螺栓连接。实际操作时首先要关注螺栓的排列设计,若相邻两螺栓之间间距过小,钢制构件所受剪力就会相应增大,极易发生剪坏问题[3];间距过大,构件受到压力又容易发生连接不稳的现象,降低稳定性。紧固过程中同样要关注构造情况,若构造过于疏离,湿气就可能沿着缝隙进入螺栓内部,造成锈蚀,缩短钢结构的使用寿命,构造过于紧密又会给扳手的转动造成阻碍,钢结构螺栓最大和最小容许可见表1。螺栓施工技术优势较为明显,拆装都很便捷,因此,得到了较为广泛的应用,但应用时必须在钢材表面开孔,对结构本身会产生一定影响,精度不够很容易给后续对孔拼装带来麻烦,因此,使用时要做好差异化分析,并严格控制打孔精度,提升结构整体性能。3.2.3铆钉连接铆钉一侧带有半圆形钉头,同样由工厂预制完成。应用时需要先烧红钉杆,然后将其插进预留好的孔洞中,最后使用工具将钉尾铆弯,待其冷却后,会发生收缩应力,对两构件施加夹紧力,完成连接。操作时要把握好预留孔洞的直径,以铆钉钉身为参照,超出1.0~1.5mm为宜,孔洞之间最大、最小容许间距与螺栓连接方式一致。铆钉本身具有较好的可塑性,连接质量异常稳固,但制造、操作工艺都相对烦琐,消耗的钢材用量较大,因此普通施工场景中,多被焊接、螺栓等连接方式替代,在重型、大跨度结构中,才能偶然见到铆钉连接方式。

3.3钢材防腐技术要点

钢结构是由钢材料打造的,以钢桁架、钢梁等构件为主的结构设施具有金属特质,在外界氧气、水分的作用下,较易发生锈蚀,应用时必须有意识地采取防锈措施,并做好养护。在涂刷防锈涂料时,首先,要做好锈渍的清理工作,除手动打磨方式外,还可采用喷砂、机械抛光等形式,确保表面锈渍完全去除,防止后续出现漆面开裂等隐患。其次,是要选用适宜的施工方式,采用涂刷法时,根据钢制构件形状对歪脖刷、扁形刷等进行比选,以直握法持刷均匀涂抹,从上部开始,逐渐向下操作,若发现防腐涂料凝结较慢,则要适时进行修饰和涂敷。滚涂法则主要以滚刷为工具,施工操作时先少量浸取涂料,总量以滚刷的1/2为宜,均匀施力并重复滚动,以便于压出涂料,接着按照W形移动滚刷,提升钢构件防锈效果。在应用空压气喷涂技术时,则要借助专业喷涂设备,使涂料在压缩空气作用下,均匀雾化喷洒。这种方式效率较高,同时防腐层薄厚均匀,施工质量有保障且外表美观。但值得注意的是,该模式下极易造成涂料的浪费,很多项目中利用率只能达到60%,因此,要结合实际选取喷嘴直径,通常情况下150~200mm为宜,喷涂速度也要有所控制,一般每秒喷出30~60cm为佳,喷枪的移动应当尽可能平稳,防止条纹、斑痕等问题。

4结语

综上所述,钢结构具有强度大、质量轻、结构可靠等优势,在土木结构中使用,可以显著提升经济环保效益。各项目主体应当正视钢结构优越性,积极引进和推广钢结构施工技术,结合实际对碳素钢材、低合金钢材进行选用,综合应用螺栓、焊接等连接方式,做好防锈处理,全面提升钢结构稳固性,为土木工程项目质量奠定扎实基础。

【参考文献】

[1]黄亦聪.关于土木工程施工中钢结构技术的探讨[J].四川水泥,2019(2):168.

[2]戴卓见,王鑫,江文霞.浅议土木工程施工中的钢结构技术[J].科学技术创新,2018(32):114-115.

[3]吕虎珍.关于土木工程施工技术的创新及发展[J].绿色环保建材,2018(10):139-140.

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