高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝分析

張慧鵬

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)工程管理學(xué)院，山西 晉中 030600）

鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅建筑與辦公建筑工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛，對(duì)高層建筑的施工質(zhì)量與性能具有重要意義。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝，在鋼結(jié)構(gòu)抗震性能方面存在一定不足，不利于高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性，制約了鋼結(jié)構(gòu)高層建筑行業(yè)的發(fā)展[1]?？茖W(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)施工工藝，能夠有效提高施工的質(zhì)量與效率，降低鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工難度，通過完善安裝施工工藝技術(shù)，減少鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的浪費(fèi)，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)資源的循環(huán)利用[2]。

1 工程概況

本次選取某地區(qū)裝配式高層建筑工程項(xiàng)目M作為研究對(duì)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(jié)構(gòu)為框架支撐結(jié)構(gòu)，安全等級(jí)為二級(jí)，耐火等級(jí)為一級(jí)；地下部分建筑結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)材質(zhì)均采用Q325，裝配率為AA級(jí)。M建筑工程項(xiàng)目的概況見表1。

由表1可知，建筑結(jié)構(gòu)整體剛度較大，層間位移相對(duì)較小，抗側(cè)力性能良好。建筑柱大部分采用鋼管混凝土柱，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的需求量較大。

表1 裝配式高層建筑工程項(xiàng)目概況參數(shù)

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝設(shè)計(jì)

2.1 選擇與布置安裝施工機(jī)械

在本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝中，首先需要對(duì)安裝施工機(jī)械進(jìn)行合理的選擇與布置，為后續(xù)施工提供保障。主塔吊作為鋼結(jié)構(gòu)安裝的重要施工機(jī)械，也是施工中唯一的垂直運(yùn)輸工具，在選擇與布置中需要綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的影響因素[3]。由于高層建筑結(jié)構(gòu)具有一定不規(guī)則性，其整體施工所需的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，重量與普通構(gòu)件不同[4]。為了滿足塔吊能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)吊裝與倒運(yùn)的目標(biāo)，本文選擇型號(hào)為STT352-26的附著式平臂塔吊，其平臂長(zhǎng)度為45 m，將塔吊布置在高層建筑工程的南側(cè)與北側(cè)。根據(jù)工程主樓建筑的施工工期與頂升次數(shù)，計(jì)算安裝施工機(jī)械的臺(tái)數(shù)需求量，計(jì)算公式為：

式（1）中：Ni為高層建筑工程項(xiàng)目安裝施工機(jī)械的需求量，臺(tái)；Qi為高層建筑工程項(xiàng)目需要完成的工程量，m3；Ti為高層建筑工程項(xiàng)目安裝施工機(jī)械的運(yùn)行天數(shù)，d；qi為安裝施工機(jī)械產(chǎn)量指標(biāo)，m3/臺(tái)；bi為安裝施工機(jī)械的工作班次，次；K為安裝施工機(jī)械運(yùn)行不均衡系數(shù)。通過計(jì)算，得到安裝施工機(jī)械的需求量，基于實(shí)際的高層建筑工程項(xiàng)目情況，對(duì)安裝施工機(jī)械的吊裝次數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，避免塔吊的使用頻率超出標(biāo)準(zhǔn)范圍[5]。除安裝施工機(jī)械的選擇與布置外，本文針對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中所需的主要構(gòu)件，進(jìn)行了選擇設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表2，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的研究提供保障。

表2 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工主要構(gòu)件參數(shù)

2.2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋構(gòu)件安裝施工設(shè)計(jì)

上述鋼結(jié)構(gòu)安裝施工機(jī)械與構(gòu)件選擇布置結(jié)束后，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的安裝施工步驟。基于高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文選取預(yù)埋錨栓與矩形短柱組合的預(yù)埋構(gòu)件，其長(zhǎng)度約為7.5 m，重量為12 t，具體的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工預(yù)埋件結(jié)構(gòu)

基于高層建筑工程項(xiàng)目施工的實(shí)際情況與要求，分別對(duì)預(yù)埋件的標(biāo)高進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工計(jì)劃，設(shè)定預(yù)埋件錨栓的軸線，并進(jìn)行反復(fù)核查，保證軸線設(shè)定的偏差較小，避免安全隱患[6]。利用相應(yīng)的校正方式，對(duì)預(yù)埋構(gòu)件的螺牙進(jìn)行校正處理，清理彎曲的螺紋，使預(yù)埋構(gòu)件的地腳錨栓性能良好；通過主塔吊的作用，將預(yù)埋件吊裝起來，并埋設(shè)到預(yù)先設(shè)定好的錨栓中[7]。布設(shè)預(yù)埋構(gòu)件標(biāo)高墊塊，并進(jìn)行加固處理，在進(jìn)行混凝土澆灌前，焊接標(biāo)高墊塊；待預(yù)埋構(gòu)件鋼柱就位后，調(diào)整墊塊的疊合方式，減小錨栓安裝的水平偏差[8]。在預(yù)埋構(gòu)件穩(wěn)定后，采用分層澆筑的方式澆筑混凝土，實(shí)時(shí)記錄預(yù)埋構(gòu)件錨栓的水平位移數(shù)據(jù)，當(dāng)位移較大時(shí)，及時(shí)采取調(diào)整措施，避免預(yù)埋構(gòu)件出現(xiàn)跑位的情況[9]。

2.3 鋼柱安裝施工設(shè)計(jì)

在上述鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋構(gòu)件安裝布設(shè)完畢后，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中的鋼柱進(jìn)行安裝施工設(shè)計(jì)。獲取高層建筑工程主體的塔樓組成結(jié)構(gòu)，在不同樓層之間設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，通過轉(zhuǎn)換桁架連接各個(gè)樓層的外圍鋼框架結(jié)構(gòu)[10]。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)該工程所需鋼結(jié)構(gòu)鋼柱的安裝進(jìn)行分階段處理，基于不同的施工分段，設(shè)定鋼柱安裝的基礎(chǔ)標(biāo)高。通常情況下，在高層建筑施工中，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)的不同，標(biāo)高設(shè)計(jì)包括：地下室、裙房與塔樓。針對(duì)地下室部分的鋼柱安裝施工標(biāo)高設(shè)計(jì)，首先安裝墻柱，并根據(jù)墻柱與地下室的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)定鋼柱安裝的基礎(chǔ)標(biāo)高，標(biāo)高設(shè)定在-0.050 m以下。針對(duì)裙房部分，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文將標(biāo)高設(shè)定為-0.050 m~22.300 m。針對(duì)塔樓部分，根據(jù)塔吊的分段吊裝作業(yè)情況，將塔樓部分的標(biāo)高設(shè)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(gè)建筑物鋼柱安裝的基礎(chǔ)標(biāo)高設(shè)定結(jié)束后，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)塔吊等的部署情況，對(duì)鋼柱進(jìn)行分段處理，保證鋼柱安裝施工的安全。對(duì)于高層建筑地上結(jié)構(gòu)部分的安裝施工設(shè)計(jì)，增設(shè)鋼柱安裝固定措施，采用塔吊吊裝的方式，對(duì)稱布置吊點(diǎn)，設(shè)定塔吊的最大距離與回轉(zhuǎn)半徑，將鋼柱耳板下板的孔作為塔吊的吊裝點(diǎn)，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(jié)束后，固定鋼柱的結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼柱內(nèi)部的核心筒構(gòu)件進(jìn)行分段分節(jié)處理。對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)鋼柱安裝的影響，避免鋼柱偏移情況嚴(yán)重而影響鋼柱安裝施工的質(zhì)量。選取地下部分的1個(gè)樓層，作為鋼柱安裝施工的吊裝單元，根據(jù)鋼柱構(gòu)件截面的尺寸大小，設(shè)置臨時(shí)固定鋼柱運(yùn)輸?shù)闹武摿?，?duì)鋼柱的連接坡口進(jìn)行清理，保證連接坡口的清潔，避免后續(xù)鋼柱焊接不牢固；按照單根鋼柱的長(zhǎng)度規(guī)定，布設(shè)鋼柱的分布位置，形成整體穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)單元；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行測(cè)量，與預(yù)期安裝結(jié)果對(duì)比，及時(shí)校正鋼柱安裝的偏差，最終核查無誤后，焊接鋼柱結(jié)構(gòu)，并拆除之前安裝的臨時(shí)固定措施。

2.4 建筑瀑布幕墻鋼結(jié)構(gòu)安裝施工設(shè)計(jì)

在上述鋼柱構(gòu)件安裝設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)高層建筑瀑布幕墻的鋼結(jié)構(gòu)安裝施工進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。通常情況下，瀑布幕墻位于建筑塔樓的外側(cè)，與鋼架連接，其鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的難度相對(duì)較大，各個(gè)樓層間采用吊桿體系，與鋼結(jié)構(gòu)的銷軸建立連接，進(jìn)而作用于鋼管混凝土柱上。瀑布幕墻在安裝中，需要一定數(shù)量的牽引裝置，需要計(jì)算牽引裝置中輪滑組的拉力值，計(jì)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(shù)；m為牽引裝置滑輪組的工作繩數(shù)，段；n為牽引裝置滑輪個(gè)數(shù)，個(gè)；Q為牽引裝置滑輪組的計(jì)算荷載，kN。

在瀑布幕墻牽引裝置拉力值計(jì)算后，采用倒裝法，將瀑布幕墻鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的垂直運(yùn)輸。根據(jù)具體的高層建筑瀑布幕墻及鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)定提升托架分布的樓層位置，在托架上鋪設(shè)安全網(wǎng)與木模板，并在托架周圍設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)欄桿。具體施工流程如圖2所示。

圖2 瀑布幕墻鋼結(jié)構(gòu)安裝施工流程圖

首先進(jìn)行安裝前的準(zhǔn)備工作；根據(jù)樓層建筑結(jié)構(gòu)，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(shí)際情況，不斷調(diào)節(jié)鋼結(jié)構(gòu)鋼板梁的基礎(chǔ)標(biāo)高與平直度；通過焊接的方式固定瀑布幕墻的鋼結(jié)構(gòu)；對(duì)安裝施工結(jié)束的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量校正處理，完成鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工操作。

3 施工效果分析

應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝對(duì)建筑樓層的地震力進(jìn)行修正處理。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際施工情況，不斷調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的應(yīng)力狀態(tài)，降低鋼結(jié)構(gòu)安裝施工順序?qū)φw建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。采用加載法，建立鋼結(jié)構(gòu)安裝施工模型，將鋼結(jié)構(gòu)安裝施工過程中的形態(tài)變化與受力情況，輸入到該模型中，進(jìn)而獲取鋼結(jié)構(gòu)受力、變形與實(shí)際施工中的差距。利用鋼結(jié)構(gòu)安裝施工分段加載法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的位移情況進(jìn)行計(jì)算，獲取鋼結(jié)構(gòu)的豎向位移值參數(shù)，計(jì)算公式為：

式（3）中：δi為建筑鋼結(jié)構(gòu)豎向位移值參數(shù)；i，j為鋼結(jié)構(gòu)安裝施工模型中的施工層。通過鋼結(jié)構(gòu)的豎向位移值參數(shù)，判斷鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的結(jié)構(gòu)剛度與荷載?；诎惭b施工中平面應(yīng)力單元、梁?jiǎn)卧榷喾N單元定義形式，本文采用平面應(yīng)力單元建立鋼結(jié)構(gòu)兩端彎矩，釋放鋼結(jié)構(gòu)支撐單元。利用單元約束的方式，限制鋼結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)的彈性連接，設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)單元邊界約束條件與荷載自由度，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)平面剛度，通過鋼結(jié)構(gòu)端部偏移的具體情況，獲取高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工所用的荷載。利用有限元分析軟件，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中鋼結(jié)構(gòu)安裝施工進(jìn)行模擬操作，基于具體的施工方案，設(shè)置模擬施工階段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)處理。

在上述實(shí)驗(yàn)步驟的基礎(chǔ)上，通過有限元分析軟件，自動(dòng)計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)施工安裝后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的荷載組合與支座反力，并與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知，本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝，在施工后，鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的支座反力與重力荷載均大于傳統(tǒng)施工工藝，證明本文設(shè)計(jì)的施工工藝的性能效果更加具有優(yōu)勢(shì)。

表3 兩種鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝對(duì)比 kN

4 結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)與普通建筑結(jié)構(gòu)之間存在一定的差異性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝的要求也不同。為了改善傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工工藝在鋼結(jié)構(gòu)使用性能方面的不足，本文進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過本文的設(shè)計(jì)，有效地提高了高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，降低了鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用下出現(xiàn)豎向變形的概率，全方位地優(yōu)化了鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的質(zhì)量與水平。