探讨高层建筑的钢结构设计与施工

劳春笋

摘要：高层建筑钢结构的设计及施工是建筑领域的一个重要课题。由于高层钢结构其自身的特点，对设计过程中出现的问题进行合理处理，做到扬长避短，确保设计和施工的最优化。本文简述了高层建筑钢结构设计的几个重要原则.同时对钢结构施工工艺进行了较为详细的讨论，包括铜结构的加工、吊装与检测等内容。

关键词：高层建筑；钢结构设计；施工

前言

高层建筑钢结构的设计及施工是建筑领域的一个重要课题。由于高层钢结构其自身的特点，对设计过程中出现的问题进行合理处理，做到扬长避短，确保设计和施工的最优化。

1高层建筑钢结构设计

1.1方案设计

除了要考虑建筑的使用功能以及施工工艺性能外，还必须因地制宜，对方案的总体进行设计。对于高层建筑钢结构而言，建筑承受的主要载荷是以风载及地震作用为主，这与以承受竖向载荷为主的一般建筑物不同，其设计的一个主要目的就是要减少侧移，防止出现扭转现象，避免在建筑中出现薄弱层面及薄弱环节。高层建筑的抗侧力结构体系的设计还需要考虑到建筑物的高度。同时，在进行结构布置时要与建筑师进行共同的设计，确保钢结构具有相当的侧向刚度与承载能力，并使载荷能够在平面及立面上均匀分布。之后，在对结构体系确定的基础上再对柱网尺寸及楼盖的结构体系进行确认，最终保证设计方案的经济合理。

1.2构件设计

对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到以下几点：

（1）要结合具体工程的实际情况对构件的结构形式进行创新，采用新的连接方式，形成新的连接方法与高效截面。例如，在建筑地基条件较好时，可以采用插入式柱脚、采用T型钢代替双角钢进行焊接组合截面，这样可以有效地减少涂料使用，对于防锈有较好的作用。

（2）结构的力学计算要达到相当的可靠性。在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。

（3）对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态（这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算），对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。这主要是因为钢结构都是空间工作，同时构件间的连接点都是半刚性的，结构间的应力状态相当复杂，再精确的计算模型都不可能完全反映出真实的受力情况，其间的差距是不可避免的。因此，进行设计时要根据概念以及经验对结果加以适当的调整和估算，这样才能使计算结果合理化。

（4）要根据结构的外围环境进行具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化。

1.3确保设计理念的先进性

在设计时要时刻关注国内外先进的设计理念，注意将当前和长远相结合，这对于工业建筑物及构筑物的钢结构设计相当重要。随着技术的进步，工艺革新及工艺需求的变化频率加快，建筑物势必需要随之进行改进。改进速度越快，耽误生产的时间将越少，这将有效减少经济效益的损失。因此，在进行设计时要充分考虑到建筑物改进的可能性及方便性。从这个角度来看，平面结构的钢架将优于空间结构，工业建筑中通常采用平面结构钢架也是出于这方面的考虑。

2高层建筑钢架构的施工工艺分析

2.1焊接工艺

由于型材的种类以及型材材质的多样性，焊接时存在一定的特殊性，所以要从焊前预处理、焊接工艺以及焊后处理等几个方面加以保证。

（1）焊前预处理：①应认真做好焊前的各项准备工作；②根据焊缝接头的不同形式，选择适当的焊接方法；③根据焊缝接头的坡形以及焊接的技术要求，正确安装引弧板、引出板以及背面衬板等辅助焊接工具；④根据具体的焊接环境选择合理的预热处理工艺。

（2）施焊工艺。除了选择合适的焊接电流及焊条直径外，还必须注意焊接中的相关工艺。例如应该在起焊点前面的15～20mm处的焊缝隙内的焊接母材上引燃电弧，之后将电弧拉长并回到起焊点，预热片刻之后再压短电弧，将熔池熔透并填满到一定的厚度，然后将焊条向前移动，直到形成一个完整的焊缝；若接头有全熔透要求，尤其是在v形、x形、K形坡口间的对接或者是T形接头时，背面第一层焊缝往往容易出现不能焊透、夹渣或者是裂缝等焊接缺陷，这时要进行彻底的清根之后再进行焊接。

（3）焊后处理。焊后处理主要是为了保证焊缝不出现凹陷、超高、气孔、咬边、未熔合以及裂纹等现象。同时，还应该采用超声波无损探伤，尤其是要对受力点进行充分检查。

2.2组装工艺

（1）结构相对简单、批量较小零部件的组装。可按照图纸在平台上划出各组装零件的装配定位线，实现各组装构件间的装配。

（2）H型钢结构的组装。首先要按照图纸制作出组装胎模，通常用一块翼缘板作为定位的基准面，然后利用腹板从另一个侧向增加水平推力，这样就能够依靠翼缘板及腹板的自重，使其固定于工作位置上。

（3）箱形结构组装。首先应根据图纸的要求，在箱形结构的盖板、腹板以及隔板的组装面上用粉线弹出组装线。然后以下盖板以及某一侧腹板作为基准面，按照粉线安装好腹板、隔板。在安装的过程中，通常采用从一个方向进行安装，在定位中部的隔板后再对腹板进行定位，然后采用对称的顺序进行定位点焊。

2.3安装与检测

（1）钢结构成品的检验。钢结构成品的检验主要包括构件的成品检验以及针对工厂预组装的检验。在对各个项目进行检验的过程中，应该按照相关的国家和行业标准、设计的要求以及钢结构的使用状态来进行检验。检验的主要内容包括构件的外形尺寸、构件间连接的位置与变形量以及构件部位连接的细节等。

（2）构件的运输。运输是钢结构构件施工中的一个重要环节，要根据构件的形状、重量和运输条件、安装现场的条件，合理选择总体制造+拆成单元运输、总体制造+总体运输、分段制造+分段运输的形式。在运输过程中，要避免装卸车、运输及起吊过程中造成的变形问题，因此要采取必要的临时加固支撑措施。在运输前要了解沿线公路、桥梁、电力设施以及地下管线等的具体情况，确保运输过程中没有障碍。

（3）施工测量。钢结构安装之前要对施工对象进行测量，其工作的好坏直接关系到整个钢结构安装质量的好坏以及安装进程的顺利与否。测量过程中要做好下面几项工作：对设计图纸进行进一步的确认与审核；对测量定位所依据的测点进行再次校测；对测量器具进行调校；确定科学的测量方案，并做好数据准备；高层建筑钢结构的测量验线以及在安装阶段的测量放线。

（4）钢结构拼装。拼装工作主要是由于现场起吊设备以及运输中的条件限制使构件在长度及重量上发生一些改变，在施工现场必须要对之进行二次拼装。

2.4高层建筑钢结构构造的几个技术要求

2.4.1抗震构造对施工技术的要求

（1）对于柱脚的构造措施：①埋入式柱脚，即将钢柱埋于混凝土基础梁中，从钢结构上部传递来的轴向力通过柱脚底板和锚栓传递给柱脚基础（主要通过保证柱脚的抗弯强度及抗剪强度满足弹性设计的要求）；②外包式柱脚（在钢柱的外面包上钢筋混凝土），从钢结构上部传递来的轴向力也是通过柱脚底板和锚栓传递给柱脚基础（抗弯强度及抗剪强度都要满足设计的理论值）。

（2）对于粱柱连接节点的施工要求：①梁和柱的连接通常采用柱贯通形式；②当柱的两个相互垂直的方向都需要和梁进行刚性连接时，应采用箱型截面；当只在一个方向和粱刚性连接时，一般采用工字型截面；③当钢结构的框架梁是通过采用悬臂梁段和柱进行刚性连接时，悬臂梁段和柱都应该采用全焊接连接的方式。

2.4.2防火防腐对施工的技术要求

由于钢结构的抗腐蚀及防火性能相对较差，为了减少或者避免腐蚀以及在火灾时造成结构的整体性垮塌，在施工的过程中要进行一定的技术处理。通常，可以在结构的表面涂上一层绝热或者吸热材料，在一定的时间内可以有效地将火与钢材隔离开来，提高钢材的耐火极限，有效地保证钢结构在火灾时的支撑时间。

3结语

由于钢结构良好的综合性能，其在建筑中的應用范围越来越广，尤其是对于高层建筑而言，其使用范围更大。因此，在钢结构的设计及施工过程中，要从结构的质量以及安全性方面出发，同时兼顾经济效益及施工进度，这样才能实现钢结构的质量、安全及使用效能综合性能的最佳。