高层建筑钢结构施工技术应用探讨

2021-04-01庄绪永

工程建设与设计 2021年14期

庄绪永

（临沂市规划建筑设计研究院，山东临沂276000）

1 引言

随着我国城市化建设的深入，高层建筑已成为城市改建、扩建的主要建筑物类型，其在建筑高度、建筑外形、建筑标志性等方面具有一定的优势。特别是国家提出“五位一体”发展战略后，住房和城乡建设部也提出了应当推广绿色建筑。在住宅建筑中，应用钢结构有利于保护环境与节约资源，推动建筑行业逐渐从粗放型转变为可持续发展型[1]。因此，在高层建筑的建设过程中，应积极选用钢结构及其施工技术，综合考虑构配件标准化与模块化，提高工程整体质量。

2 高层建筑钢结构的特点

钢结构是指建筑主体结构采用钢构件，通过合理加工钢材，制作为可承载压力的结构。钢结构具有以下特点：

1）空间利用率高。钢材的抗弯、抗压强度较高，性能优于混凝土，高层建筑工程中应用钢结构，可减少结构横截面积，进而提高工程空间利用率。

2）施工工期短。高层建筑中采用钢结构，能够减少施工中脚手架搭设这部分工程量，并且安装钢结构可使用压型钢板作为混凝土楼板的模板。并且在施工过程中，还能采取交叉方式开展混凝土与钢结构施工，提高了整体工程强度，缩减了高层建筑的整体工期。

3）可实现可持续发展。钢结构以钢材为主要材料，而钢材具有可重复利用的特点，不会造成材料浪费，避免了施工中产生过多的建筑垃圾，符合我国市场经济可持续发展的要求[2]。

3 工程概述

某高层建筑采用钢结构形式，由地上31层与地下1层构成，高度为92.2 m，标准层高为2.9 m，采取钢柱+剪力墙版的结构形式。框架柱共有36根，钢柱截面尺寸为B300 mm×300 mm×12 mm×12 mm，B700 mm×300 mm×14 mm×14 mm，应用Q345B钢材材质。工程重难点如下：

1）本工程钢板剪力墙的钢板厚度为7 mm，为较薄钢板，不当焊接会产生应力变形，且焊接点空间定位复杂，为保证剪力墙板焊接的有效性，部分板件可选用单边坡口焊接方式，其对于制作反变形与精度方面要求较高，结构复杂。

2）施工现场无法容纳钢构件的大规模拼装，工厂应尽量制作整体构件，减少现场拼装。另外，存在超宽、超长运输构件情况，运输工程量约为7 100 t，存在超限构件运输难题。

3）钢结构施工中，存在大量高空焊接与焊装操作，如钢柱与钢梁对接焊接、钢柱对接焊接、剪力墙与钢梁焊接等，需把控焊接质量。

4 高层建筑钢结构施工技术应用措施

4.1 深化构件设计

高层建筑钢结构施工中，构件加工前需深化设计，综合考虑施工方案、加工能力、设计图纸及施工条件，对加工构件与现场施工具有重要影响。本工程主要从2方面出发：

1）节点设计。合理设计节点，使其传力、构造简单化，以减小施工难度、制作难度，组织多个部门共同确定节点形式，通过修改、验算后，上报至管理部门审核方能确定节点设计。以X节点为例，原本设计为拼接2个V形构件，焊接难度高，制作复杂，建立三维模型后，按照施工工艺，改造组合结构为平面整体结构，简化了加工过程，且添加耳板进行临时连接，便于施工矫正。

2）分段设计。由于高层建筑现场无法进行大规模拼装，因此，应尽量根据现场吊装、运输长度、焊接工艺等情况进行分段设计。以斜交网格结构为例，分段设计外框柱时，按照车辆拖挂车厢最大尺寸为17 m的要求，分段在20 m以内，梁与柱体的连接应用大面积焊缝连接至柱上，工厂完成梁、柱、节点的焊接，以保证焊接质量。

4.2 钢结构安装技术

工厂完成构件制作后，为保证将大量构件顺利运输至现场，巨型柱均设置枕木，圆形柱中设置枕木与砌块，避免其发生滚动，且以钢丝绳固定，运输路线以公路为主，避开老旧桥梁，按照规定进行现场停车，保证安全运输。现场检查构件合格后，即可开展吊装施工。吊装施工应注意以下几个方面事项：

1）吊装检查处理。吊装前，详细检查存储与进场构件，根据GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》的要求，检查钢构件界面规格、孔距、尺寸、外观，明确是否标注中心线、长度、重量、标高、轴线方向等。构件如果出现超规范误差，应立即修正构件。完成验收后，绑好构件必要的操作平台与钢楼梯，并处理接口瑕疵，打磨毛边、铁锈[3]。

2）确定吊装方案。根据施工条件与构件情况确定吊装方案，选择地面预拼装与构件分散吊装再进行整体吊装的方式，由于高空临边作业存在较大危险，且吊装设备为固定位置，无法应用其他设备协助，因此，需分散吊装部件，低空选择整体吊装。

3）柱体吊装。起吊中柱体反身倾角侧面应垫上轮胎，避免坡口和地面挤压造成柱体破损，缓慢起钩后，构件重心和起重力处于相同水平线时，停止塔吊起钩，缓慢转动大臂，继续带动构件转动，松钩至落实构件。倾斜结构则翻身立正，将钢丝绳与吊环连接扣紧，起吊前进行手拉葫芦设置，起吊后地面用葫芦预调倾斜角度[4]。

4）钢梁吊装。起吊钢梁时，工人需明确安装钢梁部位，吊装钢梁至部位后对准，保持稳定，应用全站仪进行精准定位，两端打入冲钉，订正梁位。在节点两端分别采用1/3普通螺栓初步固定梁，利用尺子量取柱与梁的垂直度与水平度，符合规范则拧紧螺栓。完成独立梁安装后，可安装次梁与小梁。钢梁与核心筒连接时，应将钢梁一端利用螺栓连接钢柱牛腿，另一端靠在埋件就位板上，安装完高强度螺栓与埋件焊接后，割除就位板。

5）吊装不规则构件。对于整体结构或不规则构件，应先利用软件构建模型，寻找结构重心，起吊中安装吊绳，使塔吊吊钩位于重心垂直线，缓慢起吊后，利用手拉葫芦进行构件调整，维持倾斜或水平角度，固定在吊装位置。

4.3 构件测量矫正

构件吊装至位置后，通过全站仪明确构件目标位置，保持一定倾斜或垂直角度，精准安装。以空间网格构件为例，由于其较为复杂，可选用三维模型坐标拟合现场测量数据进行纠偏，先将网格结构分为若干单元进行拼装，下部会影响上部安装结构精度，控制X形节点管口坐标精度，即可减少误差。在软件中先构建网格结构模型，将节点连接坐标记录下来，作为安装坐标，现场测量时，借助全站仪测量节点坐标，保证下管口能够消化误差，确保节点坐标精度。测量过程中，可利用BIM技术获取信息数据，获得网格结构坐标。

在构件矫正中，施工层顶部开展作业时，将专业固定激光反射棱镜与全站仪固定于钢柱顶部。如钢柱矫正，柱顶设置十字架支撑棱镜，校准钢柱垂直度，整平钢柱进行矫正，可采取夹紧耳板的方式进行扭转偏移调整。

4.4 钢结构连接技术

钢结构连接技术主要分为焊接与螺栓连接。具体如下：

1）钢板焊接。由于高层钢结构构件较大，工程钢板较薄，因此，选用气体保护焊接方式。工厂生产中，使用焊机焊接，质量稳定，但是现场人工操作周围环境不稳定，需做好质量控制。焊接构件接口前，应先打磨切割面，直至露出金属光泽，清除坡口两侧距离35 mm范围内的杂质，按照材料焊接要求进行电流调整，核对保护气体流量，确保气路畅通，应用焊条时，应保证焊条干燥，风力超过2 m/s时必须搭设防风棚。在后续焊接中，如果局部加热不均匀，会产生变形与应力，因此，应加强温度控制，先预热钢材焊缝两侧，预热范围超过1.5倍焊缝厚度，焊接时控制层间温度保持在150~200℃，以减少冷却速度。保持连续焊接作业，厚板选用多层多道焊方式，对称焊接则遵循先短后长的顺序，层间温度确保和预热温度相同，边焊接边锤击以消除应力。完成焊接后，加热焊缝至230℃，并严密保温，时间控制在0.5~1 h[5]。

2）螺栓连接。高层钢结构螺栓连接主要用于梁柱与主次梁，其材料强度高，可施加螺栓较大预应力，高强螺栓能承受更大的荷载。连接施工前，要处理摩擦面，保证摩擦面清洁干燥，无其他杂质，有铁锈则用钢丝除去，打磨范围不超过4倍螺栓孔径面积，确保摩擦系数满足设计要求。并且检查螺栓孔径，应比螺栓直径大2.5 mm。吊装钢结构就位后，用普通螺栓固定，矫正后用高强螺栓固定，分2次完成拧紧操作，初拧紧为70%预拉力，终拧紧为100%预拉力，大六角螺栓以最终控制扭矩合格为主，扭剪型螺栓以拧断梅花头为主。按照中间至两边螺栓群拧，对称拧住两侧梁的顺序拧，完成螺栓连接后，检查螺栓是否全部拧好，避免漏拧，以保证连接质量。