浅析高层钢结构建筑的发展及其安装技术

浅析高层钢结构建筑的发展及其安装技术
摘要：钢筋混凝土结构本身的重量较大，在超高层建筑中会增加建筑的负荷程度，柱子所占的建筑面积也越来越大，很多工程建设已经考虑到钢筋混凝土施工的不利因素，此时，高强度的钢材不断发展，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的方法在建筑中得到了实践。高层、超高层建筑的结构体系中，钢结构已经对高层建筑的施工起到了很积极的作用，在此，我们对钢材、设计、施工等方面所要注意的问题和事项做了分析探讨，并肯定了钢结构在建筑中的意义，希望在未来的建筑施工中不断发展和完善。
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随着钢结构在高层建筑中的广泛使用，高层钢结构的制造和安装技术也在不断的完善和发展。为了保证高层钢结构的使用安装能顺利完成，在总结高层建筑钢结构安装经验的基础上，对高层建筑钢结构的安装技术和安装步骤做了详细的介绍。
一、钢结构在高层建筑中的使用
（一）安装布置和结构的选择
钢结构适合平面较规范，不规则情况少的建筑上，一些轴线复杂多变，形心和质心距离较大和有较大扭转的住宅平面不宜使用钢结构。钢结构住宅设计时需要考虑到建筑的负荷量，并在负荷的作用下进行水平位移控制，因此，抗侧力结构是建设中考虑的重点。在住宅结构设计中，需要把楼梯间、电梯间墙体设计为抗侧力结构，如果位移还是无法控制负荷的力量，就应把单元之间的分户墙或厨房、卫生间的部分墙体也设计为抗侧力结构。
（二）对变形的设计考虑
抗侧力结构可以是钢结构，也可以是钢筋混凝土结构。当采用钢桁架作为抗侧力结构组成纯钢结构时，要按照以下规定进行：在风的作用下，层间位移1/400，顶点位移1/500；在地震的作用下，层间位移1/250，顶点位移1/3 0 0。因此，采用钢桁架作抗侧力结构就会增加用钢的数量，增加了工程造价。如果根据钢结构的限值1/300来控制整个结构的稳定的话，在地震的情况下，钢筋混凝土剪力墙就会出现损害，这样的设计考虑还是缺乏规范。若按钢筋混凝土剪力墙限值有1/800的控制力度时，钢梁、钢柱截面会因地震力加大而不断增加。
（三）选择使用何种高层建筑
任何一种建筑结构都有其特定的使用范围以及最优的建设高度，而刚结构正式建设高层建筑的最佳选择，虽然高层住宅的地震设防，梁、柱断面与同等钢筋混凝土梁、柱相比要小的多，但在一般百姓的住宅中，出现梁柱任然是一种很奇怪的景象。相比之下，如果将钢结构用于一般高层住宅建筑中，还是具有一定优势的。
（四）柱网的确定以及柱断面型式的选择
柱网的确定主要根据平面的分割情况、结合梁的位置和截面高度、以及钢梁的隐蔽方法来决定。通过外墙处的柱距可以确定柱网，处理好沿外墙钢梁和外墙窗上皮的高度关系，柱网就能基本确定。钢柱的截面型式分为三种：圆管柱、方管(箱形)柱和H型钢柱。其中，管柱内灌注混凝土，制作成钢管混凝土柱，其比钢筋混凝土的承载力高出很多，同时还能节省用钢。在节点的构造作法上，方管柱结构简单科学。但是，管柱在与钢梁连接上下翼缘部位，需要用横隔板的形成贯通节点，在一定程度上增加了操作的难度，也增加的工程造价。H型钢柱，当外包钢筋混凝土时形成钢骨混凝土柱。H型钢柱的加工和使用都比较简单，只是需要较多的钢材。
二、钢结构的加工与安装
（一）施工前准备
1、编制钢结构施工流程图
计算钢结构构件的数量、选择合适吊装机械、制定安装的程序和方法、制订建设进度、确定劳动组织、规划施工现场、确定质量标准和安全措施等。
2、基础准备和对材料的检查
轴线误差测量、基础支承面的准备、支承面和支座表面标高与水平度的检验、地脚螺栓位置和伸出支承面长度的量测等。允许基础支承面、支座和地脚螺栓在规定的范围内出现误差。吊装前要按照《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-95）的规定，仔细检验钢构件的外形和大小是否符合要求，如果发现误差，应在吊装前解决。同时，还要对构件进行力学性能试验，确保它有足够的强度。
3、对刚构件的稳定性进行检验，预防在工程建设中出现倒塌。
（二）钢柱的安装
钢柱是确定高层、超高层建筑的高度的主要竖向结构，其加工制造必须按照现代建筑要求规范严格进行。例如，100m高的超高层钢柱，应分为8-12节构件，钢柱在翻样下料制作过程中要充分考虑大焊接后的收缩变形，以及应向下力量引起的压缩变形，所以钢柱的翻样下料长度与设计长度还是有差异的，应精确到毫米，才能保证钢结构的质量。同时，在上下两节钢柱截面完全相等时也不得交换，每一节钢柱都要编号，正确安装就位。矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接要根据现代建筑要求采取熔嘴电渣焊，不能采用如在箱板上开孔、槽塞焊等方式。
钢柱标高的控制有两种方式:1.根据相对标高制作安装，钢柱长度的误差控制在3mm以内，可以不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形，建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许的偏差总和及钢柱压缩变形总和就行，该制作安装一般属于12层以下的建筑，以及对层高度没有严格要求的建筑物。2.按设计标高制作安装，适用于12层以上，对层高有较高要求的建筑，应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高，每节钢柱的累加尺寸总和都要精确到规定的尺寸。充分考虑每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形。
（三）框架梁的制作与安装
高层、超高层框架梁通常再用H型钢，框架梁与钢柱最好使用刚性连接，钢柱为贯通型，在框架梁的上下翼缘处，可以横向加入劲肋，保证其稳定性。框架梁要按照编报准确安装，为保证框架梁与钢柱连接处的节点域可以有较好的伸缩性，保证楼层层高的精确性和可靠性，在加工时，在框架梁的位置设置悬臂梁，悬臂梁上下翼缘与钢柱通过剖口熔透焊缝连接。框架梁与钢柱的悬臂梁连接，上下翼缘使用衬板全熔透焊缝连接，腹板用高强螺栓连接。
由于钢筋混凝土施工中允许的误差大于钢结构施工的误差，当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时，腹板的连接板可开椭圆孔，但孔的尺寸应小于 2d0，还要保证孔之间的距离。框架梁的翻样下料长度与设计长度要有所差异，主要是考虑到焊接收缩变形。
框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接，目前，很多连接都是采用带衬板的全熔透焊接。在施工时，先焊下翼缘再焊上翼缘，先一端点焊定位，再焊另一端。腹板用高强度的螺栓连接，设计中采用摩擦型还是承压型高强螺栓应得到施工人员的充分理解和认识。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理，采用高强螺栓群连接时，孔位的精度十分重要。
目前，钢结构已经在我国高层建筑中得到了广泛的应用，并提高了建筑的施工质量，保证了建筑的安全稳定，特别是在节省工程时间和经济投资上，也具有明显的优势。
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