高層建筑鋼結構安裝施工工藝分析

張慧鵬

（山西工程科技職業大學工程管理學院，山西 晉中 030600）

鋼結構在高層住宅建筑與辦公建筑工程項目中應用廣泛，對高層建筑的施工質量與性能具有重要意義。傳統的鋼結構安裝施工工藝，在鋼結構抗震性能方面存在一定不足，不利于高層建筑結構的穩定性與可靠性，制約了鋼結構高層建筑行業的發展[1]。科學合理的鋼結構施工工藝，能夠有效提高施工的質量與效率，降低鋼結構現場施工難度，通過完善安裝施工工藝技術，減少鋼結構建筑材料的浪費，促進建筑產業資源的循環利用[2]。

1 工程概況

本次選取某地區裝配式高層建筑工程項目M作為研究對象，建筑總面積為52 304.12 m2，包括地下2層，地上20層。地上部分建筑結構為框架支撐結構，安全等級為二級，耐火等級為一級；地下部分建筑結構為框剪結構，結構材質均采用Q325，裝配率為AA級。M建筑工程項目的概況見表1。

由表1可知，建筑結構整體剛度較大，層間位移相對較小，抗側力性能良好。建筑柱大部分采用鋼管混凝土柱，對鋼結構的需求量較大。

表1 裝配式高層建筑工程項目概況參數

2 高層建筑鋼結構安裝施工工藝設計

2.1 選擇與布置安裝施工機械

在本文設計的鋼結構安裝施工工藝中，首先需要對安裝施工機械進行合理的選擇與布置，為后續施工提供保障。主塔吊作為鋼結構安裝的重要施工機械，也是施工中唯一的垂直運輸工具，在選擇與布置中需要綜合考慮施工現場的影響因素[3]。由于高層建筑結構具有一定不規則性，其整體施工所需的鋼結構構件尺寸較大，重量與普通構件不同[4]。為了滿足塔吊能夠實現現場吊裝與倒運的目標，本文選擇型號為STT352-26的附著式平臂塔吊，其平臂長度為45 m，將塔吊布置在高層建筑工程的南側與北側。根據工程主樓建筑的施工工期與頂升次數，計算安裝施工機械的臺數需求量，計算公式為：

式（1）中：Ni為高層建筑工程項目安裝施工機械的需求量，臺；Qi為高層建筑工程項目需要完成的工程量，m3；Ti為高層建筑工程項目安裝施工機械的運行天數，d；qi為安裝施工機械產量指標，m3/臺；bi為安裝施工機械的工作班次，次；K為安裝施工機械運行不均衡系數。通過計算，得到安裝施工機械的需求量，基于實際的高層建筑工程項目情況，對安裝施工機械的吊裝次數進行預測分析，避免塔吊的使用頻率超出標準范圍[5]。除安裝施工機械的選擇與布置外，本文針對高層建筑鋼結構施工中所需的主要構件，進行了選擇設計，具體參數見表2，為后續鋼結構施工工藝的研究提供保障。

表2 鋼結構安裝施工主要構件參數

2.2 鋼結構預埋構件安裝施工設計

上述鋼結構安裝施工機械與構件選擇布置結束后，設計鋼結構預埋件的安裝施工步驟。基于高層建筑結構的特點，本文選取預埋錨栓與矩形短柱組合的預埋構件，其長度約為7.5 m，重量為12 t，具體的結構形式如圖1所示。

圖1 鋼結構安裝施工預埋件結構

基于高層建筑工程項目施工的實際情況與要求，分別對預埋件的標高進行設定。根據鋼結構安裝施工計劃，設定預埋件錨栓的軸線，并進行反復核查，保證軸線設定的偏差較小，避免安全隱患[6]。利用相應的校正方式，對預埋構件的螺牙進行校正處理，清理彎曲的螺紋，使預埋構件的地腳錨栓性能良好；通過主塔吊的作用，將預埋件吊裝起來，并埋設到預先設定好的錨栓中[7]。布設預埋構件標高墊塊，并進行加固處理，在進行混凝土澆灌前，焊接標高墊塊；待預埋構件鋼柱就位后，調整墊塊的疊合方式，減小錨栓安裝的水平偏差[8]。在預埋構件穩定后，采用分層澆筑的方式澆筑混凝土，實時記錄預埋構件錨栓的水平位移數據，當位移較大時，及時采取調整措施，避免預埋構件出現跑位的情況[9]。

2.3 鋼柱安裝施工設計

在上述鋼結構預埋構件安裝布設完畢后，對鋼結構中的鋼柱進行安裝施工設計。獲取高層建筑工程主體的塔樓組成結構，在不同樓層之間設置轉換桁架，通過轉換桁架連接各個樓層的外圍鋼框架結構[10]。根據實際情況，對該工程所需鋼結構鋼柱的安裝進行分階段處理，基于不同的施工分段，設定鋼柱安裝的基礎標高。通常情況下，在高層建筑施工中，根據建筑物結構的不同，標高設計包括：地下室、裙房與塔樓。針對地下室部分的鋼柱安裝施工標高設計，首先安裝墻柱，并根據墻柱與地下室的整體結構，設定鋼柱安裝的基礎標高，標高設定在-0.050 m以下。針對裙房部分，結合相關設計經驗，本文將標高設定為-0.050 m~22.300 m。針對塔樓部分，根據塔吊的分段吊裝作業情況，將塔樓部分的標高設定為22.300 m~176.000 m，以求更好配合塔吊分段吊裝的施工需求。

在高層建筑工程各個建筑物鋼柱安裝的基礎標高設定結束后，根據施工現場塔吊等的部署情況，對鋼柱進行分段處理，保證鋼柱安裝施工的安全。對于高層建筑地上結構部分的安裝施工設計，增設鋼柱安裝固定措施，采用塔吊吊裝的方式，對稱布置吊點，設定塔吊的最大距離與回轉半徑，將鋼柱耳板下板的孔作為塔吊的吊裝點，保證鋼柱柱身垂直，在鋼柱頂端與支撐鋼梁之間建立連接，初始安裝結束后，固定鋼柱的結構，對鋼柱內部的核心筒構件進行分段分節處理。對于高層建筑地下部分的鋼柱安裝施工，需要綜合考慮土建結構對鋼柱安裝的影響，避免鋼柱偏移情況嚴重而影響鋼柱安裝施工的質量。選取地下部分的1個樓層，作為鋼柱安裝施工的吊裝單元，根據鋼柱構件截面的尺寸大小，設置臨時固定鋼柱運輸的支撐鋼梁，對鋼柱的連接坡口進行清理，保證連接坡口的清潔，避免后續鋼柱焊接不牢固；按照單根鋼柱的長度規定，布設鋼柱的分布位置，形成整體穩定的鋼結構單元；對鋼結構單元進行測量，與預期安裝結果對比，及時校正鋼柱安裝的偏差，最終核查無誤后，焊接鋼柱結構，并拆除之前安裝的臨時固定措施。

2.4 建筑瀑布幕墻鋼結構安裝施工設計

在上述鋼柱構件安裝設計完畢后，對高層建筑瀑布幕墻的鋼結構安裝施工進行相應的設計。通常情況下，瀑布幕墻位于建筑塔樓的外側，與鋼架連接，其鋼結構安裝施工的難度相對較大，各個樓層間采用吊桿體系，與鋼結構的銷軸建立連接，進而作用于鋼管混凝土柱上。瀑布幕墻在安裝中，需要一定數量的牽引裝置，需要計算牽引裝置中輪滑組的拉力值，計算公式為：

式（2）中：F為牽引裝置輪滑組的拉力值，kN；ξ為牽引裝置中滑輪的阻力系數；m為牽引裝置滑輪組的工作繩數，段；n為牽引裝置滑輪個數，個；Q為牽引裝置滑輪組的計算荷載，kN。

在瀑布幕墻牽引裝置拉力值計算后，采用倒裝法，將瀑布幕墻鋼結構的安裝施工段劃分為由下向上的施工分段，利用提升托架，輔助鋼結構的垂直運輸。根據具體的高層建筑瀑布幕墻及鋼結構特點，設定提升托架分布的樓層位置，在托架上鋪設安全網與木模板，并在托架周圍設置相應的防護欄桿。具體施工流程如圖2所示。

圖2 瀑布幕墻鋼結構安裝施工流程圖

首先進行安裝前的準備工作；根據樓層建筑結構，安裝鋼板托架與提升托架；在托架與上層吊桿之間建立連接；基于安裝施工的實際情況，不斷調節鋼結構鋼板梁的基礎標高與平直度；通過焊接的方式固定瀑布幕墻的鋼結構；對安裝施工結束的鋼結構進行測量校正處理，完成鋼結構的安裝施工操作。

3 施工效果分析

應用鋼結構安裝施工工藝對建筑樓層的地震力進行修正處理。根據項目的實際施工情況，不斷調整鋼結構構件連接的應力狀態，降低鋼結構安裝施工順序對整體建筑結構內力的影響。采用加載法，建立鋼結構安裝施工模型，將鋼結構安裝施工過程中的形態變化與受力情況，輸入到該模型中，進而獲取鋼結構受力、變形與實際施工中的差距。利用鋼結構安裝施工分段加載法，對鋼結構的位移情況進行計算，獲取鋼結構的豎向位移值參數，計算公式為：

式（3）中：δi為建筑鋼結構豎向位移值參數；i，j為鋼結構安裝施工模型中的施工層。通過鋼結構的豎向位移值參數，判斷鋼結構安裝施工的結構剛度與荷載?；诎惭b施工中平面應力單元、梁單元等多種單元定義形式，本文采用平面應力單元建立鋼結構兩端彎矩，釋放鋼結構支撐單元。利用單元約束的方式，限制鋼結構單元節點的彈性連接，設置鋼結構單元邊界約束條件與荷載自由度，綜合考慮鋼結構平面剛度，通過鋼結構端部偏移的具體情況，獲取高層建筑鋼結構施工所用的荷載。利用有限元分析軟件，對本次實驗中鋼結構安裝施工進行模擬操作，基于具體的施工方案，設置模擬施工階段的各項數據，對鋼結構各個連接節點進行編號處理。

在上述實驗步驟的基礎上，通過有限元分析軟件，自動計算出鋼結構施工安裝后，各個節點的荷載組合與支座反力，并與傳統的鋼結構安裝工藝進行對比，結果見表3。

根據表3可知，本文設計的鋼結構安裝施工工藝，在施工后，鋼結構各個節點的支座反力與重力荷載均大于傳統施工工藝，證明本文設計的施工工藝的性能效果更加具有優勢。

表3 兩種鋼結構安裝施工工藝對比 kN

4 結語

綜上所述，高層建筑結構與普通建筑結構之間存在一定的差異性，對鋼結構安裝施工工藝的要求也不同。為了改善傳統鋼結構安裝施工工藝在鋼結構使用性能方面的不足，本文進行了優化改進設計。通過本文的設計，有效地提高了高層建筑鋼結構的穩定性與牢固性，降低了鋼結構在長期使用下出現豎向變形的概率，全方位地優化了鋼結構安裝施工的質量與水平。