高层建筑钢结构施工与体系梁柱节点设计研究

2022-12-22刘文昊

建筑与装饰 2022年23期

刘文昊

江西省检验检测认证总院钢结构网架检验检测院江西抚州 344000

引言

工程施工控制是工程建设中的核心关键，这一管理任务的精细化、覆盖面程度直接决定了最终的投入成本和经济效益。钢结构高层建筑作为目前较为常见的一种建筑工程项目，但受到多方面因素的影响，实际施工过程中存在诸多技术问题的情况。不仅如此，现行的施工控制模式在建筑工程全过程施工控制中的应用并不明确。钢结构高层建筑工业化程度已经达到了一定程度，可以借助预制完成相应的内容，将全过程施工控制融入其中，可以让经济效益得到进一步提高。

1 工程案例

钢材作为一种高强度、自重轻的材料，此外，钢材的其他性能也让其更适合高层建筑这种特殊性质的建筑项目。最为关键的是，钢结构的耐热性较强，对于焊接、再制造等工程项目而言，非常合适。所有材料会回收，符合国家可持续发展的要求。为了更好地分析钢结构高层建筑工程施工控制，以某高层建筑为实际案例，总建筑面积32173m²，新增建设投资29700万元，总占地面积388000m²。工程全过程施工控制工作可以让资源利用最大化，取得良好的投资效益，但如何确保全过程施工控制工作的有效性，是现阶段的重点。全过程施工控制贯穿整个项目，需要进行多次工程设计，工作人员要深入工程之中不断接近实际工程造价，对工程进行核算。

2 高层建筑钢结构施工技术分析

钢结构施工是高层建筑施工过程中最为主要的结构类型，在提高施工效率、施工质量上效果突出。对于钢结构而言最为关键的是，焊接和吊装，这两个环节直接关系到最终的施工效果和建筑质量。

2.1 焊接技术分析

焊接工作开展前，需要针对钢材料本身进行判断，选择合适的焊接方法，并且对钢材表面进行处理，确保焊接面符合焊接要求。对于高层建筑钢结构而言，焊接管工作要先从整体结构入手，然后对节点进行焊接，最终完成全面焊接。焊接过程中，以架梁、钢板支托为主，自下而上地完成焊接。焊接结束后，需要对焊缝进行检查，及时发现焊缝存在的缺陷，避免裂纹出现。根据前文分析可知，焊接设备的选择非常关键，不仅需要选择安全性较高、性能较高的焊接设备，同时还需要科学地确定焊接施工方式，以此从根本上保证焊接质量。目前，二氧化碳保护焊施工技术应用较为广泛，施工成本较低，焊接质量较高。从实际应用情况来看，在焊接前需要先对焊缝进行清理，根据不同的钢结构情况选择不同的焊接顺序。在焊接平面钢结构的过程中，从内向外扩散焊接，立体钢结构则要从上到下进行焊接，最后完成压型钢板支托。焊接完成后要展开相应的检查，确认没有问题后，再开展后续的工作。需要注意的是，在焊接过程中可能会出现变形、裂纹、焊瘤等诸多问题，这就需要施工人员在焊接前展开系统检查，最大限度避免上述问题的出现。从变形问题角度来看，需要落实预变形技术，包括构件加固法、反变形法，可以根据不同钢结构元件选择合适的预变形处理技术。中小钢结构可采用构件加固法，中长型钢结构则可以采用反变形法。或者可以采用埋弧自动焊工艺，让焊接效率得到提高，这需要得到重视。

2.2 吊装技术分析

从目前来看，螺栓预埋技术在确定钢柱位置、提高钢柱吊梁精确度等方面效果突出，但需要明确基础轴线的具体位置和标高基准点，误差处理工作也需要得到稳定有序落实。比如：在前文施工案例中，施工人员在吊装前针对具体的轴线位置和标高基准点进行了两次测量，将标高误差和轴线误差分别控制在5mm和2mm以内。吊装正式开始前针对高层建筑的平面、立体形状，对吊装分区和吊装顺序展开了全面的基础，配合BIM技术模拟仿真分析吊装流程，根据具体的吊装区域展开相应的施工区域划分。在该施工案例中一共分为了四个区域，并且对四个塔吊的位置进行了定位，确保吊装工作能够由内向外、由低到高展开吊装工作。考虑到在该施工工程中涉及竖向立体吊装施工和平面吊装施工，先对下层框架梁进行吊装施工，然后对中层和上层框架梁进行吊装，并且借助无人机等信息化设备实现了实时监控，让整个吊装施工可以顺利完成。在进行平面吊装过程中，则沿着核心筒展开，确保整体吊装工作可以顺利完成。

2.3 综合分析

除了上述几个方面之外，高层建筑钢结构施工技术实际应用过程中，必须要对前期准备工作提高重视，施工人员、设计人员都需要掌握施工原则、施工思想、施工流程、施工注意事项等内容。高层建筑钢结构中需要应用到先进的吊装设备，吊装技术的选择也非常关键，需要在正式施工前，对吊装设备、吊装技术进行反复确认，通过系统的检查、评估工作确保吊装环节没有任何问题，并且对可能存在的风险设计相应的应急措施。

3 高层建筑钢结构体系节点设计技术分析

高层建筑钢结构中连接质量的控制非常关键，因此需要结合可视情况对体系梁柱节点进行科学合理的设计以明确连接节点的基本特征，分析具体的连接方式同时针对其中存在的问题展开综合性分析，以此最大限度确保连接效果，让建筑结构稳定，确保建筑施工安全。

3.1 节点设计分析

从高层建筑钢结构的过往施工案例来看，刚性连接节点、半刚性连接节点、铰链连接节点都是较为常见的连接方式，综合具体应用效果来看，刚性连接节点应用频率最高，相比较另外两种连接方式来看，刚性连接节点耐受力更强，不仅受力性能突出，风荷载、地震位移等方面的抵抗效果优势突出。铰链连接节点AI抗荷载、受力等方面的效果并不突出，虽然施工流程简单，但对建筑本身以及建筑所在区域的情况有着一定的要求，半刚性连接节点也是如此，在实际连接过程中焊接、刚强度螺栓、高强度螺栓等都是目前主要的连接方式，其中高强度螺栓和刚强度螺栓混合连接的方式效果突出，能够将两种连接方式的优点最大化。在连接过程中要根据板件厚度情况展开综合分析，以此最大限度确保连接强度。在选择具体的钢结构体系梁柱连接阶段方式的过程中，要对螺栓强度、刚度、耐久性进行综合性分析，最大限度确保连接工作顺利完成，避免对钢结构构件造成负面影响。从高层建筑角度来看，焊接是最为关键的环节，一旦出现质量问题，那么钢结构的承载力也会受到影响，轻则影响施工经济效益，重则影响到生命财产安全。需要注意的是，高层建筑施工难度较大，混合结构施工技术较为复杂，操作不当可能会影响到钢结构构件，因此，大部分情况以高强度螺栓或全焊型螺栓为主，具体的连接设计根据板材厚度进行确定[1]。

3.2 节点要素分析

高层建筑钢结构施工过程中，成本问题和安全问题十分关键，材料选型、焊接问题、连接节点是其中主要问题。钢结构材料、连接节点材料都需要具备良好的耐腐蚀、抗锈蚀性能，以此确保高层建筑的后续应用寿命。从根本上规避安全隐患。另外，在钢结构施工过程中，材料的防火性、耐火性也要得到系统的控制，必须要确保材料符合钢结构的实际需求。焊接工作为钢结构施工过程中的主要内容，会对最终的质量造成负面影响，如：夹渣、气孔等问题，钢结构的承载力会随之下降。大部分情况下，施工人员会采用无损检测技术判断焊缝焊接情况，及时发现其中可能存在的隐患问题。连接节点设计要和钢结构体系进行综合分析，明确具体的结构体系内容，确保连接节点设计贴合钢结构内力，让钢结构体系内力的传递始终保持在直接、连续状态下。在连接节点设计中需要对顺序进行科学的控制，避免因为顺序被破坏，导致整体出现不利影响[2]。

3.3 节点数据分析

由上可知，钢结构体系内梁柱节点非常关键，加强对抗震性能分析、受力性能分析是现阶段重点。在实际施工过程中可以采用SAP2000软件进行结构分析，借助有限元模型，了解钢结构体系情况，确保梁柱节点应满足规范化施工发展需求。以某建筑工程项目为例，采用的是工字钢梁柱节点的功能方式，采用了半刚性节点这一施工方式，为了科学地计算结构体系本身的受力性能，从工字钢梁柱节点的弯矩－转角曲线进行分析，明确弯曲刚度修正系数，综合判断工字钢梁柱节点本身的质量，确保连接节点满足高层建筑的实际需求。在对抗震性进行分析的过程中，可以应用ABAQUS有限元模型，对比分析梁柱节点的骨架曲线以及钢筋应力情况，通过模拟分析判断建筑本身的效果[3]。从实际分析结果来看，节点承载性能、刚度、延性等方面都有着一定的变化，根据所得到的数据可以更好地判断柱结构情况，明确梁柱节点的抗震效果。但计算结果和实际数值之间会存在一定的误差，因此需要采取确保材料本身的均匀性、施工工序必须要得到控制，以此降低误差，让钢结构施工得到稳定落实，降低误差。在实际计算分析基础上，可以对节点展开进一步优化，提高节点承载能力。以钢结构模块建筑梁柱节点抗震性能为例，通过模拟仿真分析后，围绕着强节点、弱杆件的抗震原则，根据具体的力学性能指标，最终通过提高柱壁厚度的方式来提高节点初始刚度、承载力和耗能能力，以此可以有效避免节点柱出现弯曲破坏问题。根据实际的计算分析，挡板厚度应大于柱壁厚度。想要确保节点同时具有较优的延性和耗能，需要确保曲板厚度大于柱壁厚度。传力板也是如此，如果厚度过薄，可能会影响到节点的延性和耗能。在实际设计过程中需要展开综合性的参数计算，以此根据具体的参数分析结果提出切实可行的节点设计方法。在进行节点设计的过程中，需要对节点刚度、螺栓、挡板、曲板、传力板进行科学设计，根据具体的模型研究结果提出切实可行的节点设计方案。公式（1-4）分别为挡板、曲板的高度、厚度以及传力板的参数计算。其中hd、hq、Hz、hdt、hzt、hqt、het分别为曲板高度、挡板高度、柱截面宽度、挡板厚度、柱壁厚度、曲板厚度、传力板厚度，所有单位均为mm。表1为几个节点试件力学性能指标，从具体数据情况来看，节点柱轴压比取值应≤0.2，轴压比确定后，再根据具体的柱壁厚度确定其他构件的厚度[4]。