探討高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)設計與施工

勞春筍

摘要：高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設計及施工是建筑領域的一個重要課題。由于高層鋼結(jié)構(gòu)其自身的特點，對設計過程中出現(xiàn)的問題進行合理處理，做到揚長避短，確保設計和施工的最優(yōu)化。本文簡述了高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計的幾個重要原則.同時對鋼結(jié)構(gòu)施工工藝進行了較為詳細的討論，包括銅結(jié)構(gòu)的加工、吊裝與檢測等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)設計；施工

前言

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設計及施工是建筑領域的一個重要課題。由于高層鋼結(jié)構(gòu)其自身的特點，對設計過程中出現(xiàn)的問題進行合理處理，做到揚長避短，確保設計和施工的最優(yōu)化。

1高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計

1.1方案設計

除了要考慮建筑的使用功能以及施工工藝性能外，還必須因地制宜，對方案的總體進行設計。對于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，建筑承受的主要載荷是以風載及地震作用為主，這與以承受豎向載荷為主的一般建筑物不同，其設計的一個主要目的就是要減少側(cè)移，防止出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，避免在建筑中出現(xiàn)薄弱層面及薄弱環(huán)節(jié)。高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的設計還需要考慮到建筑物的高度。同時，在進行結(jié)構(gòu)布置時要與建筑師進行共同的設計，確保鋼結(jié)構(gòu)具有相當?shù)膫?cè)向剛度與承載能力，并使載荷能夠在平面及立面上均勻分布。之后，在對結(jié)構(gòu)體系確定的基礎上再對柱網(wǎng)尺寸及樓蓋的結(jié)構(gòu)體系進行確認，最終保證設計方案的經(jīng)濟合理。

1.2構(gòu)件設計

對于鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件及其連接節(jié)點的設計，除了按照必要的規(guī)范及規(guī)程進行設計之外，還必須做到以下幾點：

（1）要結(jié)合具體工程的實際情況對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式進行創(chuàng)新，采用新的連接方式，形成新的連接方法與高效截面。例如，在建筑地基條件較好時，可以采用插入式柱腳、采用T型鋼代替雙角鋼進行焊接組合截面，這樣可以有效地減少涂料使用，對于防銹有較好的作用。

（2）結(jié)構(gòu)的力學計算要達到相當?shù)目煽啃?。在進行電算之后還應該根據(jù)經(jīng)驗進行判斷，必要時還可以采用手算的方法對結(jié)果進行校核，保證將誤差控制至最低，可靠性達到最高。

（3）對于計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)設計師要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)（這可以通過實際測算并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學知識進行估算），對一些重要構(gòu)件的截面以及節(jié)點間連接的承載力進行必要的調(diào)整。這主要是因為鋼結(jié)構(gòu)都是空間工作，同時構(gòu)件間的連接點都是半剛性的，結(jié)構(gòu)間的應力狀態(tài)相當復雜，再精確的計算模型都不可能完全反映出真實的受力情況，其間的差距是不可避免的。因此，進行設計時要根據(jù)概念以及經(jīng)驗對結(jié)果加以適當?shù)恼{(diào)整和估算，這樣才能使計算結(jié)果合理化。

（4）要根據(jù)結(jié)構(gòu)的外圍環(huán)境進行具體設計。例如，在施工中，設備的吊裝能力較大時，進行構(gòu)件設計時可以盡可能地擴大拼裝結(jié)構(gòu)的規(guī)模，這樣可以大大地加快安裝速度，實現(xiàn)綜合經(jīng)濟效益的最大化。

1.3確保設計理念的先進性

在設計時要時刻關(guān)注國內(nèi)外先進的設計理念，注意將當前和長遠相結(jié)合，這對于工業(yè)建筑物及構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)設計相當重要。隨著技術(shù)的進步，工藝革新及工藝需求的變化頻率加快，建筑物勢必需要隨之進行改進。改進速度越快，耽誤生產(chǎn)的時間將越少，這將有效減少經(jīng)濟效益的損失。因此，在進行設計時要充分考慮到建筑物改進的可能性及方便性。從這個角度來看，平面結(jié)構(gòu)的鋼架將優(yōu)于空間結(jié)構(gòu)，工業(yè)建筑中通常采用平面結(jié)構(gòu)鋼架也是出于這方面的考慮。

2高層建筑鋼架構(gòu)的施工工藝分析

2.1焊接工藝

由于型材的種類以及型材材質(zhì)的多樣性，焊接時存在一定的特殊性，所以要從焊前預處理、焊接工藝以及焊后處理等幾個方面加以保證。

（1）焊前預處理：①應認真做好焊前的各項準備工作；②根據(jù)焊縫接頭的不同形式，選擇適當?shù)暮附臃椒?；③根?jù)焊縫接頭的坡形以及焊接的技術(shù)要求，正確安裝引弧板、引出板以及背面襯板等輔助焊接工具；④根據(jù)具體的焊接環(huán)境選擇合理的預熱處理工藝。

（2）施焊工藝。除了選擇合適的焊接電流及焊條直徑外，還必須注意焊接中的相關(guān)工藝。例如應該在起焊點前面的15～20mm處的焊縫隙內(nèi)的焊接母材上引燃電弧，之后將電弧拉長并回到起焊點，預熱片刻之后再壓短電弧，將熔池熔透并填滿到一定的厚度，然后將焊條向前移動，直到形成一個完整的焊縫；若接頭有全熔透要求，尤其是在v形、x形、K形坡口間的對接或者是T形接頭時，背面第一層焊縫往往容易出現(xiàn)不能焊透、夾渣或者是裂縫等焊接缺陷，這時要進行徹底的清根之后再進行焊接。

（3）焊后處理。焊后處理主要是為了保證焊縫不出現(xiàn)凹陷、超高、氣孔、咬邊、未熔合以及裂紋等現(xiàn)象。同時，還應該采用超聲波無損探傷，尤其是要對受力點進行充分檢查。

2.2組裝工藝

（1）結(jié)構(gòu)相對簡單、批量較小零部件的組裝?？砂凑請D紙在平臺上劃出各組裝零件的裝配定位線，實現(xiàn)各組裝構(gòu)件間的裝配。

（2）H型鋼結(jié)構(gòu)的組裝。首先要按照圖紙制作出組裝胎模，通常用一塊翼緣板作為定位的基準面，然后利用腹板從另一個側(cè)向增加水平推力，這樣就能夠依靠翼緣板及腹板的自重，使其固定于工作位置上。

（3）箱形結(jié)構(gòu)組裝。首先應根據(jù)圖紙的要求，在箱形結(jié)構(gòu)的蓋板、腹板以及隔板的組裝面上用粉線彈出組裝線。然后以下蓋板以及某一側(cè)腹板作為基準面，按照粉線安裝好腹板、隔板。在安裝的過程中，通常采用從一個方向進行安裝，在定位中部的隔板后再對腹板進行定位，然后采用對稱的順序進行定位點焊。

2.3安裝與檢測

（1）鋼結(jié)構(gòu)成品的檢驗。鋼結(jié)構(gòu)成品的檢驗主要包括構(gòu)件的成品檢驗以及針對工廠預組裝的檢驗。在對各個項目進行檢驗的過程中，應該按照相關(guān)的國家和行業(yè)標準、設計的要求以及鋼結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)來進行檢驗。檢驗的主要內(nèi)容包括構(gòu)件的外形尺寸、構(gòu)件間連接的位置與變形量以及構(gòu)件部位連接的細節(jié)等。

（2）構(gòu)件的運輸。運輸是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工中的一個重要環(huán)節(jié)，要根據(jù)構(gòu)件的形狀、重量和運輸條件、安裝現(xiàn)場的條件，合理選擇總體制造+拆成單元運輸、總體制造+總體運輸、分段制造+分段運輸?shù)男问?。在運輸過程中，要避免裝卸車、運輸及起吊過程中造成的變形問題，因此要采取必要的臨時加固支撐措施。在運輸前要了解沿線公路、橋梁、電力設施以及地下管線等的具體情況，確保運輸過程中沒有障礙。

（3）施工測量。鋼結(jié)構(gòu)安裝之前要對施工對象進行測量，其工作的好壞直接關(guān)系到整個鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量的好壞以及安裝進程的順利與否。測量過程中要做好下面幾項工作：對設計圖紙進行進一步的確認與審核；對測量定位所依據(jù)的測點進行再次校測；對測量器具進行調(diào)校；確定科學的測量方案，并做好數(shù)據(jù)準備；高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的測量驗線以及在安裝階段的測量放線。

（4）鋼結(jié)構(gòu)拼裝。拼裝工作主要是由于現(xiàn)場起吊設備以及運輸中的條件限制使構(gòu)件在長度及重量上發(fā)生一些改變，在施工現(xiàn)場必須要對之進行二次拼裝。

2.4高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造的幾個技術(shù)要求

2.4.1抗震構(gòu)造對施工技術(shù)的要求

（1）對于柱腳的構(gòu)造措施：①埋入式柱腳，即將鋼柱埋于混凝土基礎梁中，從鋼結(jié)構(gòu)上部傳遞來的軸向力通過柱腳底板和錨栓傳遞給柱腳基礎（主要通過保證柱腳的抗彎強度及抗剪強度滿足彈性設計的要求）；②外包式柱腳（在鋼柱的外面包上鋼筋混凝土），從鋼結(jié)構(gòu)上部傳遞來的軸向力也是通過柱腳底板和錨栓傳遞給柱腳基礎（抗彎強度及抗剪強度都要滿足設計的理論值）。

（2）對于粱柱連接節(jié)點的施工要求：①梁和柱的連接通常采用柱貫通形式；②當柱的兩個相互垂直的方向都需要和梁進行剛性連接時，應采用箱型截面；當只在一個方向和粱剛性連接時，一般采用工字型截面；③當鋼結(jié)構(gòu)的框架梁是通過采用懸臂梁段和柱進行剛性連接時，懸臂梁段和柱都應該采用全焊接連接的方式。

2.4.2防火防腐對施工的技術(shù)要求

由于鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕及防火性能相對較差，為了減少或者避免腐蝕以及在火災時造成結(jié)構(gòu)的整體性垮塌，在施工的過程中要進行一定的技術(shù)處理。通常，可以在結(jié)構(gòu)的表面涂上一層絕熱或者吸熱材料，在一定的時間內(nèi)可以有效地將火與鋼材隔離開來，提高鋼材的耐火極限，有效地保證鋼結(jié)構(gòu)在火災時的支撐時間。

3結(jié)語

由于鋼結(jié)構(gòu)良好的綜合性能，其在建筑中的應用范圍越來越廣，尤其是對于高層建筑而言，其使用范圍更大。因此，在鋼結(jié)構(gòu)的設計及施工過程中，要從結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及安全性方面出發(fā)，同時兼顧經(jīng)濟效益及施工進度，這樣才能實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、安全及使用效能綜合性能的最佳。