高層建筑鋼結構施工與體系梁柱節(jié)點設計研究

劉文昊

江西省檢驗檢測認證總院鋼結構網架檢驗檢測院 江西 撫州 344000

引言

工程施工控制是工程建設中的核心關鍵，這一管理任務的精細化、覆蓋面程度直接決定了最終的投入成本和經濟效益。鋼結構高層建筑作為目前較為常見的一種建筑工程項目，但受到多方面因素的影響，實際施工過程中存在諸多技術問題的情況。不僅如此，現(xiàn)行的施工控制模式在建筑工程全過程施工控制中的應用并不明確。鋼結構高層建筑工業(yè)化程度已經達到了一定程度，可以借助預制完成相應的內容，將全過程施工控制融入其中，可以讓經濟效益得到進一步提高。

1 工程案例

鋼材作為一種高強度、自重輕的材料，此外，鋼材的其他性能也讓其更適合高層建筑這種特殊性質的建筑項目。最為關鍵的是，鋼結構的耐熱性較強，對于焊接、再制造等工程項目而言，非常合適。所有材料會回收，符合國家可持續(xù)發(fā)展的要求。為了更好地分析鋼結構高層建筑工程施工控制，以某高層建筑為實際案例，總建筑面積32173m2，新增建設投資29700萬元，總占地面積388000m2。工程全過程施工控制工作可以讓資源利用最大化，取得良好的投資效益，但如何確保全過程施工控制工作的有效性，是現(xiàn)階段的重點。全過程施工控制貫穿整個項目，需要進行多次工程設計，工作人員要深入工程之中不斷接近實際工程造價，對工程進行核算。

2 高層建筑鋼結構施工技術分析

鋼結構施工是高層建筑施工過程中最為主要的結構類型，在提高施工效率、施工質量上效果突出。對于鋼結構而言最為關鍵的是，焊接和吊裝，這兩個環(huán)節(jié)直接關系到最終的施工效果和建筑質量。

2.1 焊接技術分析

焊接工作開展前，需要針對鋼材料本身進行判斷，選擇合適的焊接方法，并且對鋼材表面進行處理，確保焊接面符合焊接要求。對于高層建筑鋼結構而言，焊接管工作要先從整體結構入手，然后對節(jié)點進行焊接，最終完成全面焊接。焊接過程中，以架梁、鋼板支托為主，自下而上地完成焊接。焊接結束后，需要對焊縫進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)焊縫存在的缺陷，避免裂紋出現(xiàn)。根據(jù)前文分析可知，焊接設備的選擇非常關鍵，不僅需要選擇安全性較高、性能較高的焊接設備，同時還需要科學地確定焊接施工方式，以此從根本上保證焊接質量。目前，二氧化碳保護焊施工技術應用較為廣泛，施工成本較低，焊接質量較高。從實際應用情況來看，在焊接前需要先對焊縫進行清理，根據(jù)不同的鋼結構情況選擇不同的焊接順序。在焊接平面鋼結構的過程中，從內向外擴散焊接，立體鋼結構則要從上到下進行焊接，最后完成壓型鋼板支托。焊接完成后要展開相應的檢查，確認沒有問題后，再開展后續(xù)的工作。需要注意的是，在焊接過程中可能會出現(xiàn)變形、裂紋、焊瘤等諸多問題，這就需要施工人員在焊接前展開系統(tǒng)檢查，最大限度避免上述問題的出現(xiàn)。從變形問題角度來看，需要落實預變形技術，包括構件加固法、反變形法，可以根據(jù)不同鋼結構元件選擇合適的預變形處理技術。中小鋼結構可采用構件加固法，中長型鋼結構則可以采用反變形法。或者可以采用埋弧自動焊工藝，讓焊接效率得到提高，這需要得到重視。

2.2 吊裝技術分析

從目前來看，螺栓預埋技術在確定鋼柱位置、提高鋼柱吊梁精確度等方面效果突出，但需要明確基礎軸線的具體位置和標高基準點，誤差處理工作也需要得到穩(wěn)定有序落實。比如：在前文施工案例中，施工人員在吊裝前針對具體的軸線位置和標高基準點進行了兩次測量，將標高誤差和軸線誤差分別控制在5mm和2mm以內。吊裝正式開始前針對高層建筑的平面、立體形狀，對吊裝分區(qū)和吊裝順序展開了全面的基礎，配合BIM技術模擬仿真分析吊裝流程，根據(jù)具體的吊裝區(qū)域展開相應的施工區(qū)域劃分。在該施工案例中一共分為了四個區(qū)域，并且對四個塔吊的位置進行了定位，確保吊裝工作能夠由內向外、由低到高展開吊裝工作。考慮到在該施工工程中涉及豎向立體吊裝施工和平面吊裝施工，先對下層框架梁進行吊裝施工，然后對中層和上層框架梁進行吊裝，并且借助無人機等信息化設備實現(xiàn)了實時監(jiān)控，讓整個吊裝施工可以順利完成。在進行平面吊裝過程中，則沿著核心筒展開，確保整體吊裝工作可以順利完成。

2.3 綜合分析

除了上述幾個方面之外，高層建筑鋼結構施工技術實際應用過程中，必須要對前期準備工作提高重視，施工人員、設計人員都需要掌握施工原則、施工思想、施工流程、施工注意事項等內容。高層建筑鋼結構中需要應用到先進的吊裝設備，吊裝技術的選擇也非常關鍵，需要在正式施工前，對吊裝設備、吊裝技術進行反復確認，通過系統(tǒng)的檢查、評估工作確保吊裝環(huán)節(jié)沒有任何問題，并且對可能存在的風險設計相應的應急措施。

3 高層建筑鋼結構體系節(jié)點設計技術分析

高層建筑鋼結構中連接質量的控制非常關鍵，因此需要結合可視情況對體系梁柱節(jié)點進行科學合理的設計以明確連接節(jié)點的基本特征，分析具體的連接方式同時針對其中存在的問題展開綜合性分析，以此最大限度確保連接效果，讓建筑結構穩(wěn)定，確保建筑施工安全。

3.1 節(jié)點設計分析

從高層建筑鋼結構的過往施工案例來看，剛性連接節(jié)點、半剛性連接節(jié)點、鉸鏈連接節(jié)點都是較為常見的連接方式，綜合具體應用效果來看，剛性連接節(jié)點應用頻率最高，相比較另外兩種連接方式來看，剛性連接節(jié)點耐受力更強，不僅受力性能突出，風荷載、地震位移等方面的抵抗效果優(yōu)勢突出。鉸鏈連接節(jié)點AI抗荷載、受力等方面的效果并不突出，雖然施工流程簡單，但對建筑本身以及建筑所在區(qū)域的情況有著一定的要求，半剛性連接節(jié)點也是如此，在實際連接過程中焊接、剛強度螺栓、高強度螺栓等都是目前主要的連接方式，其中高強度螺栓和剛強度螺栓混合連接的方式效果突出，能夠將兩種連接方式的優(yōu)點最大化。在連接過程中要根據(jù)板件厚度情況展開綜合分析，以此最大限度確保連接強度。在選擇具體的鋼結構體系梁柱連接階段方式的過程中，要對螺栓強度、剛度、耐久性進行綜合性分析，最大限度確保連接工作順利完成，避免對鋼結構構件造成負面影響。從高層建筑角度來看，焊接是最為關鍵的環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)質量問題，那么鋼結構的承載力也會受到影響，輕則影響施工經濟效益，重則影響到生命財產安全。需要注意的是，高層建筑施工難度較大，混合結構施工技術較為復雜，操作不當可能會影響到鋼結構構件，因此，大部分情況以高強度螺栓或全焊型螺栓為主，具體的連接設計根據(jù)板材厚度進行確定[1]。

3.2 節(jié)點要素分析

高層建筑鋼結構施工過程中，成本問題和安全問題十分關鍵，材料選型、焊接問題、連接節(jié)點是其中主要問題。鋼結構材料、連接節(jié)點材料都需要具備良好的耐腐蝕、抗銹蝕性能，以此確保高層建筑的后續(xù)應用壽命。從根本上規(guī)避安全隱患。另外，在鋼結構施工過程中，材料的防火性、耐火性也要得到系統(tǒng)的控制，必須要確保材料符合鋼結構的實際需求。焊接工作為鋼結構施工過程中的主要內容，會對最終的質量造成負面影響，如：夾渣、氣孔等問題，鋼結構的承載力會隨之下降。大部分情況下，施工人員會采用無損檢測技術判斷焊縫焊接情況，及時發(fā)現(xiàn)其中可能存在的隱患問題。連接節(jié)點設計要和鋼結構體系進行綜合分析，明確具體的結構體系內容，確保連接節(jié)點設計貼合鋼結構內力，讓鋼結構體系內力的傳遞始終保持在直接、連續(xù)狀態(tài)下。在連接節(jié)點設計中需要對順序進行科學的控制，避免因為順序被破壞，導致整體出現(xiàn)不利影響[2]。

3.3 節(jié)點數(shù)據(jù)分析

由上可知，鋼結構體系內梁柱節(jié)點非常關鍵，加強對抗震性能分析、受力性能分析是現(xiàn)階段重點。在實際施工過程中可以采用SAP2000軟件進行結構分析，借助有限元模型，了解鋼結構體系情況，確保梁柱節(jié)點應滿足規(guī)范化施工發(fā)展需求。以某建筑工程項目為例，采用的是工字鋼梁柱節(jié)點的功能方式，采用了半剛性節(jié)點這一施工方式，為了科學地計算結構體系本身的受力性能，從工字鋼梁柱節(jié)點的彎矩－轉角曲線進行分析，明確彎曲剛度修正系數(shù)，綜合判斷工字鋼梁柱節(jié)點本身的質量，確保連接節(jié)點滿足高層建筑的實際需求。在對抗震性進行分析的過程中，可以應用ABAQUS有限元模型，對比分析梁柱節(jié)點的骨架曲線以及鋼筋應力情況，通過模擬分析判斷建筑本身的效果[3]。從實際分析結果來看，節(jié)點承載性能、剛度、延性等方面都有著一定的變化，根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)可以更好地判斷柱結構情況，明確梁柱節(jié)點的抗震效果。但計算結果和實際數(shù)值之間會存在一定的誤差，因此需要采取確保材料本身的均勻性、施工工序必須要得到控制，以此降低誤差，讓鋼結構施工得到穩(wěn)定落實，降低誤差。在實際計算分析基礎上，可以對節(jié)點展開進一步優(yōu)化，提高節(jié)點承載能力。以鋼結構模塊建筑梁柱節(jié)點抗震性能為例，通過模擬仿真分析后，圍繞著強節(jié)點、弱桿件的抗震原則，根據(jù)具體的力學性能指標，最終通過提高柱壁厚度的方式來提高節(jié)點初始剛度、承載力和耗能能力，以此可以有效避免節(jié)點柱出現(xiàn)彎曲破壞問題。根據(jù)實際的計算分析，擋板厚度應大于柱壁厚度。想要確保節(jié)點同時具有較優(yōu)的延性和耗能，需要確保曲板厚度大于柱壁厚度。傳力板也是如此，如果厚度過薄，可能會影響到節(jié)點的延性和耗能。在實際設計過程中需要展開綜合性的參數(shù)計算，以此根據(jù)具體的參數(shù)分析結果提出切實可行的節(jié)點設計方法。在進行節(jié)點設計的過程中，需要對節(jié)點剛度、螺栓、擋板、曲板、傳力板進行科學設計，根據(jù)具體的模型研究結果提出切實可行的節(jié)點設計方案。公式（1-4）分別為擋板、曲板的高度、厚度以及傳力板的參數(shù)計算。其中hd、hq、Hz、hdt、hzt、hqt、het分別為曲板高度、擋板高度、柱截面寬度、擋板厚度、柱壁厚度、曲板厚度、傳力板厚度，所有單位均為mm。表1為幾個節(jié)點試件力學性能指標，從具體數(shù)據(jù)情況來看，節(jié)點柱軸壓比取值應≤0.2，軸壓比確定后，再根據(jù)具體的柱壁厚度確定其他構件的厚度[4]。

表1 節(jié)點試件力學性能指標

4 結束語

綜上所述，在高層建筑鋼結構施工過程中，焊接和吊裝工藝至關重要，需要結合具體的施工項目展開綜合性分析，以此才能夠確保建筑工程本身的施工質量，落實科學系統(tǒng)的控制，明確具體的吊裝順序、焊接順序，強化工序之間的銜接性，確保施工操作的準確性，以提高施工質量。節(jié)點方面的設計也非常關鍵，必須要得到重視。