高层建筑钢结构安装施工工艺分析

张慧鹏

（山西工程科技职业大学工程管理学院，山西 晋中 030600）

钢结构在高层住宅建筑与办公建筑工程项目中应用广泛，对高层建筑的施工质量与性能具有重要意义。传统的钢结构安装施工工艺，在钢结构抗震性能方面存在一定不足，不利于高层建筑结构的稳定性与可靠性，制约了钢结构高层建筑行业的发展[1]。科学合理的钢结构施工工艺，能够有效提高施工的质量与效率，降低钢结构现场施工难度，通过完善安装施工工艺技术，减少钢结构建筑材料的浪费，促进建筑产业资源的循环利用[2]。

1 工程概况

本次选取某地区装配式高层建筑工程项目M作为研究对象，建筑总面积为52 304.12 m2，包括地下2层，地上20层。地上部分建筑结构为框架支撑结构，安全等级为二级，耐火等级为一级；地下部分建筑结构为框剪结构，结构材质均采用Q325，装配率为AA级。M建筑工程项目的概况见表1。

由表1可知，建筑结构整体刚度较大，层间位移相对较小，抗侧力性能良好。建筑柱大部分采用钢管混凝土柱，对钢结构的需求量较大。

表1 装配式高层建筑工程项目概况参数

2 高层建筑钢结构安装施工工艺设计

2.1 选择与布置安装施工机械

在本文设计的钢结构安装施工工艺中，首先需要对安装施工机械进行合理的选择与布置，为后续施工提供保障。主塔吊作为钢结构安装的重要施工机械，也是施工中唯一的垂直运输工具，在选择与布置中需要综合考虑施工现场的影响因素[3]。由于高层建筑结构具有一定不规则性，其整体施工所需的钢结构构件尺寸较大，重量与普通构件不同[4]。为了满足塔吊能够实现现场吊装与倒运的目标，本文选择型号为STT352-26的附着式平臂塔吊，其平臂长度为45 m，将塔吊布置在高层建筑工程的南侧与北侧。根据工程主楼建筑的施工工期与顶升次数，计算安装施工机械的台数需求量，计算公式为：

式（1）中：Ni为高层建筑工程项目安装施工机械的需求量，台；Qi为高层建筑工程项目需要完成的工程量，m3；Ti为高层建筑工程项目安装施工机械的运行天数，d；qi为安装施工机械产量指标，m3/台；bi为安装施工机械的工作班次，次；K为安装施工机械运行不均衡系数。通过计算，得到安装施工机械的需求量，基于实际的高层建筑工程项目情况，对安装施工机械的吊装次数进行预测分析，避免塔吊的使用频率超出标准范围[5]。除安装施工机械的选择与布置外，本文针对高层建筑钢结构施工中所需的主要构件，进行了选择设计，具体参数见表2，为后续钢结构施工工艺的研究提供保障。

表2 钢结构安装施工主要构件参数

2.2 钢结构预埋构件安装施工设计

上述钢结构安装施工机械与构件选择布置结束后，设计钢结构预埋件的安装施工步骤。基于高层建筑结构的特点，本文选取预埋锚栓与矩形短柱组合的预埋构件，其长度约为7.5 m，重量为12 t，具体的结构形式如图1所示。

图1 钢结构安装施工预埋件结构

基于高层建筑工程项目施工的实际情况与要求，分别对预埋件的标高进行设定。根据钢结构安装施工计划，设定预埋件锚栓的轴线，并进行反复核查，保证轴线设定的偏差较小，避免安全隐患[6]。利用相应的校正方式，对预埋构件的螺牙进行校正处理，清理弯曲的螺纹，使预埋构件的地脚锚栓性能良好；通过主塔吊的作用，将预埋件吊装起来，并埋设到预先设定好的锚栓中[7]。布设预埋构件标高垫块，并进行加固处理，在进行混凝土浇灌前，焊接标高垫块；待预埋构件钢柱就位后，调整垫块的叠合方式，减小锚栓安装的水平偏差[8]。在预埋构件稳定后，采用分层浇筑的方式浇筑混凝土，实时记录预埋构件锚栓的水平位移数据，当位移较大时，及时采取调整措施，避免预埋构件出现跑位的情况[9]。

2.3 钢柱安装施工设计

在上述钢结构预埋构件安装布设完毕后，对钢结构中的钢柱进行安装施工设计。获取高层建筑工程主体的塔楼组成结构，在不同楼层之间设置转换桁架，通过转换桁架连接各个楼层的外围钢框架结构[10]。根据实际情况，对该工程所需钢结构钢柱的安装进行分阶段处理，基于不同的施工分段，设定钢柱安装的基础标高。通常情况下，在高层建筑施工中，根据建筑物结构的不同，标高设计包括：地下室、裙房与塔楼。针对地下室部分的钢柱安装施工标高设计，首先安装墙柱，并根据墙柱与地下室的整体结构，设定钢柱安装的基础标高，标高设定在-0.050 m以下。针对裙房部分，结合相关设计经验，本文将标高设定为-0.050 m~22.300 m。针对塔楼部分，根据塔吊的分段吊装作业情况，将塔楼部分的标高设定为22.300 m~176.000 m，以求更好配合塔吊分段吊装的施工需求。

在高层建筑工程各个建筑物钢柱安装的基础标高设定结束后，根据施工现场塔吊等的部署情况，对钢柱进行分段处理，保证钢柱安装施工的安全。对于高层建筑地上结构部分的安装施工设计，增设钢柱安装固定措施，采用塔吊吊装的方式，对称布置吊点，设定塔吊的最大距离与回转半径，将钢柱耳板下板的孔作为塔吊的吊装点，保证钢柱柱身垂直，在钢柱顶端与支撑钢梁之间建立连接，初始安装结束后，固定钢柱的结构，对钢柱内部的核心筒构件进行分段分节处理。对于高层建筑地下部分的钢柱安装施工，需要综合考虑土建结构对钢柱安装的影响，避免钢柱偏移情况严重而影响钢柱安装施工的质量。选取地下部分的1个楼层，作为钢柱安装施工的吊装单元，根据钢柱构件截面的尺寸大小，设置临时固定钢柱运输的支撑钢梁，对钢柱的连接坡口进行清理，保证连接坡口的清洁，避免后续钢柱焊接不牢固；按照单根钢柱的长度规定，布设钢柱的分布位置，形成整体稳定的钢结构单元；对钢结构单元进行测量，与预期安装结果对比，及时校正钢柱安装的偏差，最终核查无误后，焊接钢柱结构，并拆除之前安装的临时固定措施。

2.4 建筑瀑布幕墙钢结构安装施工设计

在上述钢柱构件安装设计完毕后，对高层建筑瀑布幕墙的钢结构安装施工进行相应的设计。通常情况下，瀑布幕墙位于建筑塔楼的外侧，与钢架连接，其钢结构安装施工的难度相对较大，各个楼层间采用吊杆体系，与钢结构的销轴建立连接，进而作用于钢管混凝土柱上。瀑布幕墙在安装中，需要一定数量的牵引装置，需要计算牵引装置中轮滑组的拉力值，计算公式为：

式（2）中：F为牵引装置轮滑组的拉力值，kN；ξ为牵引装置中滑轮的阻力系数；m为牵引装置滑轮组的工作绳数，段；n为牵引装置滑轮个数，个；Q为牵引装置滑轮组的计算荷载，kN。

在瀑布幕墙牵引装置拉力值计算后，采用倒装法，将瀑布幕墙钢结构的安装施工段划分为由下向上的施工分段，利用提升托架，辅助钢结构的垂直运输。根据具体的高层建筑瀑布幕墙及钢结构特点，设定提升托架分布的楼层位置，在托架上铺设安全网与木模板，并在托架周围设置相应的防护栏杆。具体施工流程如图2所示。

图2 瀑布幕墙钢结构安装施工流程图

首先进行安装前的准备工作；根据楼层建筑结构，安装钢板托架与提升托架；在托架与上层吊杆之间建立连接；基于安装施工的实际情况，不断调节钢结构钢板梁的基础标高与平直度；通过焊接的方式固定瀑布幕墙的钢结构；对安装施工结束的钢结构进行测量校正处理，完成钢结构的安装施工操作。

3 施工效果分析

应用钢结构安装施工工艺对建筑楼层的地震力进行修正处理。根据项目的实际施工情况，不断调整钢结构构件连接的应力状态，降低钢结构安装施工顺序对整体建筑结构内力的影响。采用加载法，建立钢结构安装施工模型，将钢结构安装施工过程中的形态变化与受力情况，输入到该模型中，进而获取钢结构受力、变形与实际施工中的差距。利用钢结构安装施工分段加载法，对钢结构的位移情况进行计算，获取钢结构的竖向位移值参数，计算公式为：

式（3）中：δi为建筑钢结构竖向位移值参数；i，j为钢结构安装施工模型中的施工层。通过钢结构的竖向位移值参数，判断钢结构安装施工的结构刚度与荷载。基于安装施工中平面应力单元、梁单元等多种单元定义形式，本文采用平面应力单元建立钢结构两端弯矩，释放钢结构支撑单元。利用单元约束的方式，限制钢结构单元节点的弹性连接，设置钢结构单元边界约束条件与荷载自由度，综合考虑钢结构平面刚度，通过钢结构端部偏移的具体情况，获取高层建筑钢结构施工所用的荷载。利用有限元分析软件，对本次实验中钢结构安装施工进行模拟操作，基于具体的施工方案，设置模拟施工阶段的各项数据，对钢结构各个连接节点进行编号处理。

在上述实验步骤的基础上，通过有限元分析软件，自动计算出钢结构施工安装后，各个节点的荷载组合与支座反力，并与传统的钢结构安装工艺进行对比，结果见表3。

根据表3可知，本文设计的钢结构安装施工工艺，在施工后，钢结构各个节点的支座反力与重力荷载均大于传统施工工艺，证明本文设计的施工工艺的性能效果更加具有优势。

表3 两种钢结构安装施工工艺对比 kN

4 结语

综上所述，高层建筑结构与普通建筑结构之间存在一定的差异性，对钢结构安装施工工艺的要求也不同。为了改善传统钢结构安装施工工艺在钢结构使用性能方面的不足，本文进行了优化改进设计。通过本文的设计，有效地提高了高层建筑钢结构的稳定性与牢固性，降低了钢结构在长期使用下出现竖向变形的概率，全方位地优化了钢结构安装施工的质量与水平。