探討高層建筑的鋼結構設計與施工

勞春筍

摘要：高層建筑鋼結構的設計及施工是建筑領域的一個重要課題。由于高層鋼結構其自身的特點，對設計過程中出現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化。本文簡述了高層建筑鋼結構設計的幾個重要原則.同時對鋼結構施工工藝進行了較為詳細的討論，包括銅結構的加工、吊裝與檢測等內容。

關鍵詞：高層建筑；鋼結構設計；施工

前言

高層建筑鋼結構的設計及施工是建筑領域的一個重要課題。由于高層鋼結構其自身的特點，對設計過程中出現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化。

1高層建筑鋼結構設計

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。對于高層建筑鋼結構而言，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移，防止出現扭轉現象，避免在建筑中出現薄弱層面及薄弱環節。高層建筑的抗側力結構體系的設計還需要考慮到建筑物的高度。同時，在進行結構布置時要與建筑師進行共同的設計，確保鋼結構具有相當的側向剛度與承載能力，并使載荷能夠在平面及立面上均勻分布。之后，在對結構體系確定的基礎上再對柱網尺寸及樓蓋的結構體系進行確認，最終保證設計方案的經濟合理。

1.2構件設計

對于鋼結構的構件及其連接節點的設計，除了按照必要的規范及規程進行設計之外，還必須做到以下幾點：

（1）要結合具體工程的實際情況對構件的結構形式進行創新，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）結構的力學計算要達到相當的可靠性。在進行電算之后還應該根據經驗進行判斷，必要時還可以采用手算的方法對結果進行校核，保證將誤差控制至最低，可靠性達到最高。

（3）對于計算結果，結構設計師要根據鋼結構的實際工作狀態（這可以通過實際測算并結合結構力學知識進行估算），對一些重要構件的截面以及節點間連接的承載力進行必要的調整。這主要是因為鋼結構都是空間工作，同時構件間的連接點都是半剛性的，結構間的應力狀態相當復雜，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，進行設計時要根據概念以及經驗對結果加以適當的調整和估算，這樣才能使計算結果合理化。

（4）要根據結構的外圍環境進行具體設計。例如，在施工中，設備的吊裝能力較大時，進行構件設計時可以盡可能地擴大拼裝結構的規模，這樣可以大大地加快安裝速度，實現綜合經濟效益的最大化。

1.3確保設計理念的先進性

在設計時要時刻關注國內外先進的設計理念，注意將當前和長遠相結合，這對于工業建筑物及構筑物的鋼結構設計相當重要。隨著技術的進步，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，耽誤生產的時間將越少，這將有效減少經濟效益的損失。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，平面結構的鋼架將優于空間結構，工業建筑中通常采用平面結構鋼架也是出于這方面的考慮。

2高層建筑鋼架構的施工工藝分析

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根據焊縫接頭的不同形式，選擇適當的焊接方法；③根據焊縫接頭的坡形以及焊接的技術要求，正確安裝引弧板、引出板以及背面襯板等輔助焊接工具；④根據具體的焊接環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工藝。例如應該在起焊點前面的15～20mm處的焊縫隙內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凹陷、超高、氣孔、咬邊、未熔合以及裂紋等現象。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）結構相對簡單、批量較小零部件的組裝。可按照圖紙在平臺上劃出各組裝零件的裝配定位線，實現各組裝構件間的裝配。

（2）H型鋼結構的組裝。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）箱形結構組裝。首先應根據圖紙的要求，在箱形結構的蓋板、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）鋼結構成品的檢驗。鋼結構成品的檢驗主要包括構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，應該按照相關的國家和行業標準、設計的要求以及鋼結構的使用狀態來進行檢驗。檢驗的主要內容包括構件的外形尺寸、構件間連接的位置與變形量以及構件部位連接的細節等。

（2）構件的運輸。運輸是鋼結構構件施工中的一個重要環節，要根據構件的形狀、重量和運輸條件、安裝現場的條件，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+分段運輸的形式。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。鋼結構安裝之前要對施工對象進行測量，其工作的好壞直接關系到整個鋼結構安裝質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；對測量定位所依據的測點進行再次校測；對測量器具進行調校；確定科學的測量方案，并做好數據準備；高層建筑鋼結構的測量驗線以及在安裝階段的測量放線。

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

2.4高層建筑鋼結構構造的幾個技術要求

2.4.1抗震構造對施工技術的要求

（1）對于柱腳的構造措施：①埋入式柱腳，即將鋼柱埋于混凝土基礎梁中，從鋼結構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），從鋼結構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當鋼結構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要求

由于鋼結構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構的整體性垮塌，在施工的過程中要進行一定的技術處理。通常，可以在結構的表面涂上一層絕熱或者吸熱材料，在一定的時間內可以有效地將火與鋼材隔離開來，提高鋼材的耐火極限，有效地保證鋼結構在火災時的支撐時間。

3結語

由于鋼結構良好的綜合性能，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，在鋼結構的設計及施工過程中，要從結構的質量以及安全性方面出發，同時兼顧經濟效益及施工進度，這樣才能實現鋼結構的質量、安全及使用效能綜合性能的最佳。