7.3.1.1　钢结构安装准备工作

在钢结构安装准备阶段，需做好以下工作：

1.编制钢结构工程的施工组织设计

其内容包括：计算钢结构构件和连接件数量；选择起重机械；确定流水程序；确定构件吊装方法；制订进度计划；确定劳动组织；规划钢构件堆场；确定质量标准、安全措施和特殊施工技术等。

选择起重机械是钢结构安装的关键。起重机械的型号和数量必须满足钢构件的吊装要求和工期要求；单层工业厂房面积大，宜用自行式起重机械。对重型钢结构厂房，可选用起重量大的履带式起重机，如上海宝山钢铁总厂300t转炉炼钢主厂房的钢结构安装，即选用CC2000-300t履带式起重机和Ⅱ-Ⅱ1495-100t履带式起重机等。

在确定吊装流水程序时，首先要确定每台起重机械的工作内容和各台起重机械之间的相互配合。其内容深度，要达到关键构件反映到单件，竖向构件反映到柱列，屋面部分反映到节间。对重型钢结构厂房，柱子重量大，要分节吊装。图7-31所示是上海宝山钢铁总厂300t转炉炼钢主厂房的结构分节编号和第Ⅲ节吊装时起重机械的布置情况。

在确定吊装顺序时，要考虑安装构件方便和满足生产设备安装顺序。

2.钢柱基础的准备

钢柱基础的顶面通常设计为一平面，通过地脚螺栓将钢柱与基础连成整体。施工时应注意保证基础标高及地脚螺栓位置的准确。

钢结构基础支承面、支座和地脚螺栓的允许偏差如表7-7所示。

为了保证地脚螺栓位置准确，施工时可用钢做固定架，将地脚螺栓安置在与基础模板分开的固定架上，然后浇筑混凝土。为保证地脚螺纹不受损伤，应涂黄油并用套子套住。

为了保证基础顶面标高符合设计要求，可根据柱脚形式和施工条件，采用下面两种方法。

图7-31　结构分节吊装的机械布置图

Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ代表分节的编号

表7-7　支承面、地脚螺检（锚栓）的允许偏差（mm）

（1）一次浇筑法

将柱脚基础支承面混凝土一次浇筑到设计标高。为了保证支承面标高准确，首先将混凝土浇筑到比设计标高约低20～30mm处，然后在设计标高处设角钢或槽钢制导架，测准其标高，再以导架为依据用水泥砂浆精确找平到设计标高（图7-32）。采用一次浇筑法，可免除柱脚二次浇筑的工作，但要求钢柱制作尺寸十分准确，且要保证细石混凝土与下层混凝土的紧密粘结。

（2）二次浇筑法

柱脚支承面混凝土分两次浇筑到设计标高。第一次将混凝土浇筑到比设计标高约低40～60mm，待混凝土达到一定强度后，放置钢垫板并精确校准钢垫板的标高，然后吊装钢柱。当钢柱校正后，在柱脚底板下浇筑细石混凝土（图7-33）。二次浇筑法虽然多了一道工序，但钢柱容易校正，故重型钢柱多采用此法。

图7-32　钢柱基础的一次浇筑法

图7-33　钢柱基础的二次浇筑法

1—调整柱子用的钢垫板；2—柱子安装后浇筑的细石混凝土

3.构件的检查及弹线

钢构件外形和几何尺寸正确，可以保证结构安装顺利进行。为此，在吊装之前应根据《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-95）中有关的规定，仔细检验钢构件的外形和几何尺寸，如有超出规定的偏差，在吊装之前应设法消除。此外，为便于校正钢柱的平面位置和垂直度、桁架和吊车梁的标高等，需在钢柱的底部和上部标出两个方向的轴线，在钢柱底部适当高度标出标高准线，同时要标出绑扎点的位置。

对不易辨别上下、左右的构件，还应在构件上加以注明，以免吊装时搞错。

4.验算桁架的吊装稳定性

吊装桁架时，如果桁架上、下弦角钢的最小规格能满足表7-8的规定，则不论绑扎点在桁架的任何部位，桁架在吊装时都能保证稳定。

表7-8　保证桁架吊装稳定性的弦杆最小规格

注：分数形式表示弦杆为不同的断面。

如果弦杆角钢的规格不符合表7-8的规定，但通过计算选择适当的吊点（绑扎点）位置，仍然可能保证桁架的吊装稳定性。计算方法如下：

（1）当弦杆的断面沿跨度方向无变化时，如能符合下列不等式，则其稳定性即可得到保证：

式中　qφ——桁架每米长的重量（kg）；

A——系数，其值根据α=l/L（l为两点之间的距离，图7-34）值由表7-9（上弦）和表7-10（下弦）查出；

I——弦杆两角钢对垂直轴的惯性距（cm4）。

表7-9　用于上弦的系数A

表7-10　用于下弦的系数A值

图7-34　桁架吊装稳定性计算简图

图7-35　桁架弦杆变断面时计算简图

（2）当弦杆的断面变化时（图7-35）。如符合下述条件，则桁架吊装时的稳定性可以保证：

式中　I1——断面较小的弦杆两角钢对垂直轴的惯性矩（cm4）；

φ1——考虑弦杆惯性矩变化的计算系数，其值根据μ=I2/I1和η=b/L由表7-11查得；

I2——断面较大的弦杆两角钢对垂直轴的惯性矩（cm4）；

b——断面较大的一段弦杆的长度（m）。

表7-11　φ1值

如果不能满足上述条件，桁架在吊装之前需要进行加固，否则在吊装过程中将引起较大的变形，失去稳定性。一般加固的方法是根据弦杆受力情况将原木绑于弦杆上，使原木和弦杆同时受力。此时，验算桁架吊装稳定性的计算公式变为下式：

式中，I2为原木的惯性矩（cm4）。如其直径为D，则I2=πD4/64，其余符号同前。

7.3.1.2　起重机的选择

起重机的选择是吊装工程的重要问题，因为它关系到构件安装方法、起重机械开行路线与停机位置、构件平面布置等许多问题。

1.起重机类型选择

结构安装用的起重机类型，主要根据厂房跨度、构件重量、安装高度以及施工现场条件和当地现有起重设备等确定。一般中小型厂房结构采用自行式起重机安装比较合理。当厂房结构的高度和跨度较大时，可选用塔式起重机安装屋盖结构。在缺乏自行式起重机的地方，可采用桅杆式起重机等安装。大跨度的重型工业厂房，往往需要结合设备安装同时考虑结构构件的安装问题，选用的起重机既要安装厂房的承重结构又要能完成设备的安装，所以多选用大型自行式起重机、重型塔式起重机、大型牵缆式桅杆起重机等。对于重型构件，当一台起重机无法吊装时，也可用两台起重机抬吊。

2.起重机型号及起重臂长度选择

起重机的类型确定之后，还需要进一步选择起重机的型号及起重臂的长度。所选起重机的三个工作参数：起重量、起重高度、起重半径应满足结构吊装的要求。

（1）起重量

选择的起重机起重量必须大于所吊装构件的重量与索具重量之和。

式中　Q——起重机的起重量（kN）；

Q1——构件的重量（kN）；

Q2——索具的重量（kN）。

（2）起重高度

起重机的起重高度必须满足所吊装构件的吊装高度要求，见图7-36。

图7-36　起重机的起重高度

式中　H——起重机的起重高度（m），从停机面算起至吊钩钩口；

h1——安装支座表面高度（m），从停机面算起；

h2——安装间隙，应不小于0.3m；

h3——绑扎点至构件吊起后底面的距离（m）；

h4——索具高度（m）；绑扎点至吊钩钩口的距离，视具体情况而定。

（3）起重半径

当起重机可以不受限制地开到所安装构件附近去吊装构件时，可不验算起重半径。但当起重机受限制不能靠近吊装位置去吊装构件时，则应验算当起重机的起重半径为一定值时的起重量与起重高度能否满足安装构件的要求。一般根据所需的Qmin，Hmin值，初步选定起重机型号，按下式计算：

式中　R——起重机的起重半径；

F——起重臂下铰点中心至起重机回转中心的水平距离，其数值由起重机技术参数表查得；

L——起重臂长度；

α——起重臂的中心线与水平夹角。

同一种型号的起重机可能具有几种不同长度的起重臂，应选择一种既能满足三个吊装工作参数的要求而又最短的起重臂。但有时由于各种构件吊装工作参数相差过大，也可选择几种不同长度的起重臂。例如吊装柱子可选用较短的起重臂，吊装屋面结构则选用较长的起重臂。

（4）最小起重臂长度的决定

当起重机的起重臂须跨过已安装好的结构去安装构件时，例如跨过屋架安装屋面板时，为了不与屋架相碰，必须求出起重机的最小起重臂长度。

求最小起重臂长度可用数解法、图表法和图解法。

1）数解法

按图7-37可以得到：

式中　L——起重臂长度（m）；

α——起重臂仰角（°）；

a——起重臂l2部分在水平轴上的投影；

h——起重臂l1部分在垂直轴上的投影，h=h1+h2-h3。

其中　h1——构件安装高度（起重机停机面至安装构件的顶面距离）（m）；

h3——起重臂下铰点离地高度（m）；

h2——起重臂中心线至安装构件顶面的垂直距离（m）（如图7-38）。

其中　b——起重臂厚度，一般为0.6～1m；

e——已安装构件表面至起重臂表面的最短距离，取0.2m。

图7-37　数解法求起重臂长度

1—已安装的构件；2—正安装的构件

图7-38　求起重臂中心线至安装构件顶面的垂直距离

求h2时，可近似取

即：

为了求得最小臂长，可对式（7-9）进行微分，并令=0

得

将α值代入式（7-9），即可得出所需起重臂的最小长度。据此，选用适当的起重臂长，然后根据实际采用的L及α值，按式（7-8）计算起重半径R；根据起重机半径R和起重臂长L，查起重机性能表或曲线，复核起重量Q及起重高度H，即可根据R值确定起重机吊装屋面板时的停机位置。

2）图表法

将式（7-9）和式（7-11）进行数学推导得：(www.daowen.com)

式中，各符号含义与公式（7-9）相同。

由式（7-12）可作出l-h-a曲线，如图7-39所示。图中纵坐标h值按h=h1+h2-h3计算，h2由表7-12查得。

图7-39　l-h-a曲线

表7-12　计算起重臂长度的h2数值

注：本表按公式求得，其中e取0.2。

综上所述，用图表法求最小起重臂长度的程序为：

a.由表7-12查得h2值；

b.由h2值求出h值；

c.由图7-39查得l值。

［例］　安装某重量为15kN的构件时，已知h1=15m，a=3m，初步选定用W1-100型起重机，其起重臂厚度b=0.8m，h3=1.7m，试计算安装此构件需要多长起重臂。

［解］

1）用图表法求起重臂长度

求h2：h1∶a=15∶3=5

由表7-12查得h2=1.19，cosα=0.505

求h：h=h1+h2-h3=15+1.19-1.7=14.49

求l：查图7-39得l=22.8m；初步选定起重臂长度为23m。

2）检查Q，H

查图7-3W1-100型履带式起重机工作曲线，当l=23m，R=13m时，起重量Q=29kN＞15kN，满足要求；起重高度H=17.8m，17.8-15=2.8m，是否满足吊装要求，要看吊索长度选用多少。本例若所吊构件为1.5m×6m屋面板，吊索与板面夹角一般不小于45°，则2.8m可满足吊索长度选用要求。

3.起重机数量的确定

所需起重机数量，根据工程量、工期及起重机的台班产量定额而定，可用下式计算：

式中　N——起重机台数；

T——工期（d）；

C——每天工作班数；

K——时间利用系数，取0.8～0.9；

Qi——每种构件的吊装工程量（件）；

Pi——起重机相应的台班产量定额（件/台班）。

此外，在决定起重机数量时，还应考虑到构件装卸、拼装和排放的工作量。

当起重机数量已定，也可用式（7-13）来计算所需工期或每天工作的班数。

7.3.1.3　构件的吊装工艺

单层厂房钢结构构件，包括柱、吊车梁、屋架、天窗架、檩条、支撑及墙架等，构件的形式、尺寸、重量、安装标高都不同，应采用不同的起重机械、吊装方法，以达到经济合理。

1.钢柱的吊装

（1）钢柱的吊升

单层工业厂房占地面积较大，通常用自行式起重机或塔式起重机吊装钢柱。钢柱的吊装方法与装配式钢筋混凝土柱子相似，亦为旋转吊装法和滑行吊装法。对重型钢柱可采用双机抬吊的方法进行吊装，图7-40所示即上海宝山钢铁总厂施工中CC2000-300t和IHI-1495-3A-100t履带式起重机抬吊730kN重的双肢钢柱。起吊时，双机同时将钢柱平吊起来，离地一定高度后暂停，使运输钢柱的平板车移去，然后双机同时提升回转刹车，由主机单独起吊，当钢柱吊装回直后，拆除辅机下吊点的绑扎钢丝绳，由主机单独将钢柱插进锚固螺栓固定。初校垂直度，偏差控制在20mm以内，方可松钩。

（2）钢柱的校正与固定

钢柱垂直度的偏差用经纬仪检验，如超过允许偏差，用螺旋千斤顶或油压千斤顶进行校正（图7-41）。在校正过程中，随时观察柱底部和标高控制块之间是否脱空，以防校正过程中造成水平标高的误差。

钢柱位置的校正，对于重型钢柱可用螺旋千斤顶加链条套环托座（图7-42），沿水平方向顶校钢柱。此法在上海宝钢施工中首次采用，效果较理想，校正后的位移精度在1mm以内。

图7-40　钢柱双机抬吊示意图

图7-41　钢柱垂直度校正及承重块布置

1—钢柱；2—控制块；3—油压千斤顶；4—底座；5—灌浆孔

图7-42　钢柱位置校正

1—链条；2—螺旋千斤顶；3—托座

校正后为防止钢柱位移，在柱四边用10mm厚的钢板定位，并用电焊固定。钢柱复校后，再紧固锚固螺栓，并将承重块上下点焊固定，防止走动。

2.吊车梁的吊装

在钢柱吊装完成后，即可吊装吊车梁。单层工业厂房内的吊车梁，根据起重设备的起重能力分为轻、中、重型三类。轻型重量只有几吨，重型的跨度大于30m，重量可达1000kN以上者。

钢吊车梁均为简支梁形式，梁端之间有留10mm左右的空隙。梁的搁置处与牛腿之间留有空隙，设钢垫板。梁与牛腿用螺栓连接，梁与制动架之间用高强度螺栓连接。

（1）吊装前注意事项

1）注意钢柱吊装后的位移和垂直度的偏差；

2）实测吊车梁搁置处梁高制作的误差；

3）认真做好临时标高垫块工作；

4）严格控制定位轴线。

（2）钢吊车梁的吊升

吊装吊车梁常用自行式起重机，以履带式起重机应用最多。亦可用塔式起重机、把杆、桅杆式起重机等进行吊装。对重量很大的吊车梁，可用双机抬吊，特别巨大者还可设置临时支架分段进行吊装。

（3）钢吊车梁的校正与固定

吊车梁的校正主要是标高、垂直度、轴线和跨距的校正。标高的校正可在屋盖吊装前进行，其他项目的校正宜在屋盖吊装完成后进行，因为屋盖的吊装可能引起钢柱变位。

检验吊车梁轴线的方法与钢筋混凝土吊车梁相同，可用通线法或平移轴线法。

吊车梁跨距的检验，用钢皮尺测量，跨度大的车间用弹簧秤拉测（拉力一般为100～200N），防止钢尺下垂，必要时对下垂直Δ应进行校正计算：

式中　Δ——中央下垂度（m）；

W——钢皮尺每米重度（N/m）；

L——钢皮尺长度（m）；

T——量距时的拉力（N）。

吊车梁标高校正，主要是对梁作竖向的移动，可用千斤顶或起重机等。轴线和跨距的校正是对梁作水平方向的移动，可用撬棍、钢楔、花篮螺丝、千斤顶等。

吊车梁校正后，紧固连接螺栓，并将钢垫板用电焊固定。

3.钢屋架的吊装和校正

钢屋架可用自行起重机（尤其是履带式起重机）、塔式起重机和桅杆式起重机等进行吊装。由于屋架的跨度、重量和安装高度不同，宜选用不同的起重机械和吊装方法。钢屋架的侧向刚度较差，对翻身扶直与吊装作业，必要时应绑扎几道杉杆，作为临时加固措施（见图7-43）。屋架多作悬空吊装，为使屋架在吊起后不致发生摇摆，和其他构件碰撞，起吊前在屋架两端应绑扎溜绳，随吊随放松，以此保持其正确位置。屋架临时固定用临时螺栓和冲钉。

图7-43　屋架的临时加固

钢屋架的侧向稳定性较差，如果起重机械的起重量和起重臂长度允许时，最好经扩大拼装后进行组合吊装，即在地面上将两榀屋架及其上的天窗架、檩条、支撑等拼装成整体，一次进行吊装，这样不但提高吊装效率，也有利于保证其吊装稳定性。

钢屋架要检查校正其垂直度和弦杆的平直度。屋架的垂直度可用垂球检验，弦杆的平直度则可用拉紧的测绳进行检验。

钢屋架的最后固定，用电焊或高强螺栓。

7.3.1.4　连接与固定

钢结构连接通常有焊接、铆接和螺栓连接。螺栓连接有普通螺栓和高强螺栓之分。高强螺栓又有大六角头高强螺栓和扭剪型高强螺栓。扭剪型高强螺栓具有施工简单，受力好，可拆换，耐疲劳，能承受动力荷载，可目视判定是否终拧，不易漏拧，安全度高等优点。仅宝钢一期工程厂房钢结构工程就使用扭剪型高强螺栓400多万套。预计宝钢二期工程还需要使用300多万套。扭剪型高强螺栓具有很大的发展前途。

1.高强螺栓连接副

根据国家标准GB3633-83，钢结构用扭剪型高强螺栓连接副，包括一个螺栓、一个螺母和一个垫圈。

高强螺栓一般采用20MnTiB钢制作，螺母用15MnVB或35号钢制作，垫圈用45号钢制作。螺栓材料力学性能如表7-13。

表7-13　螺栓力学机械性能

2.施工工艺

（1）摩擦面处理

高强螺栓连接，必须对构件摩擦面进行加工处理。在制造厂进行处理可用喷砂、喷（抛）丸、酸洗或砂轮打磨。处理好的摩擦面应有保护措施，不得涂油漆或污损。制造厂处理好的摩擦面，安装前应逐组复检摩擦系数，合格后方可安装，摩擦系数应符合设计要求。

（2）连接板安装

连接板不能有挠曲变形，否则应矫正后才能使用。

高强螺栓板面接触应平整，对因被连接构件的厚度不同，或制作和安装偏差等原因造成连接面之间的间隙，应按如下方法进行处理：间隙d≤1.0mm，可不作处理；d=1.0～3.0mm，将厚板一侧磨成1∶10的缓坡，使间隙小于1.0mm；d＞3.0mm，应加放垫板，垫板上下摩擦面的处理与构件相同。

（3）高强螺栓安装

1）安装要求

a.选用的高强螺栓的形式、规格应符合设计要求，高强螺栓连接副的扭矩系数试验或预拉力复验合格。

选用螺栓长度应考虑构件的被连接厚度、螺母厚度、垫圈厚度和紧固后要露出三扣螺纹的余长，如图7-44所示。一般螺栓长度L按下式计算：

式中　L'——构件被连接厚度（mm）；

n——垫圈个数，扭剪型螺栓为1，大六角螺栓为2；

S——垫圈公称厚度（mm）；

m——螺母公称厚度（mm）；

P——螺纹的螺距（mm）。

计算所得数值应调整为5的倍数。

图7-44　高强螺栓长度

b.高强螺栓在运输、保管和使用过程中，要防止锈蚀、沾污和碰伤螺纹等可能导致扭矩系数变化的情况发生。高强度螺栓连接副（即高强度螺栓带有配套的螺母和垫圈），应在同一包装箱中配套使用。施工有剩余时，必须按批号分别存放，不得混放混用。

c.高强螺栓连接面摩擦系数试验结果符合设计要求，构件连接面与试件连接面状态相符。构件连接面表面不得涂油漆、没有油污、氧化铁皮（黑皮）、毛刺和飞边，没有目视明显凹凸不平和翘曲。组装前用细钢丝刷清除浮锈和灰尘。

2）安装方法

a.高强螺栓接头组装时应用冲钉和临时螺栓连接。临时螺栓的数量应为接头上螺栓总数的1/3，并不少于两个，冲钉使用数量不宜超过临时螺栓数量的30%。

安装冲钉时不得因强行击打而使螺孔变形造成飞边。

严禁使用高强螺栓代替临时螺栓，以防因损伤螺纹造成扭矩系数增大。

对错位的螺栓孔应用铰刀或粗锉刀对其进行处理规整，处理时应先紧固临时螺栓至板叠间无间隙，以防切屑落入。严禁用火焰切割修整螺栓孔。

结构应在临时螺栓连接状态下进行安装精度校正。

b.结构安装精度调整达到标准规定后便可安装高强螺栓。首先安装接头中那些未装临时螺栓和冲钉的螺孔，螺栓应能自由垂直穿入螺孔（螺栓不得受剪），穿入方向应该一致。

在这些装上的高强螺栓使用普通扳手充分拧紧后，再逐个用高强螺栓换下冲钉和普通螺栓。

整个安装高强螺栓的操作过程，应保持连接面和螺栓连接副处于干燥状态，不得在雨中作业。连接副的表面如果涂有过多的润滑剂或防锈剂，应使用干净而又牢固的布，轻轻揩拭掉多余的涂脂，防止其安装后流到连接面中，且忌用清洗剂清洗，避免造成扭矩系数变化。

（4）高强螺栓的紧固

为使每个螺栓的预拉力均匀相等，高强螺栓的紧固至少分两次进行。第一次为初拧，第二次为终拧。对大型高强螺栓接头，必要时亦分为初拧、复拧、终拧。

高强度螺栓的初拧、复拧、终拧在同一天内完成。螺栓拧紧按一定顺序进行，一般应由螺栓群中央顺序向外拧紧。

（5）高强度螺栓连接副的施工质量检查与验收

扭剪型高强度螺栓终拧检查，用专用扳手拧紧时，以目测尾部梅花头拧断为合格。对于不能用专用扳手拧紧的高强度螺栓，则按大六角头高强度螺栓检查方法检查。

如有不符合规定的，应再扩大检查10%，如仍有不合格者，则整个节点的高强度螺栓应重新拧紧。扭矩检查应在螺栓终拧1h以后、24h之前完成。

在高空进行高强螺栓的紧固，要遵守登高作业的安全注意事项。拧掉的高强螺栓尾部应随时放入工具袋内，严禁随便抛落。