高层建筑的钢结构设计与施工
随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快，我国高层建筑建设持续空前发展。钢结构体系因其本身所具有的自重轻、强度高、施工快等优点，本文将对高层建筑的钢结构设计与施工进行讨论研究。1.钢结构的适用条件
判断结构是否适合用钢结构，主要是钢结构和钢筋混凝土结构之间的选择。对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外。事实上，钢结构特别适用于重型工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度建筑的屋盖结构、大跨度桥梁、多层和高层建筑的骨架、塔桅结构、容器和大直径管道等壳体结构、移动式结构、轻型结构以及在地震区抗震要求较高的工程结构。
2.1 高层建筑钢结构的主要特点
1）钢材强度较高、重量较轻，是一种相当理想的弹塑性材料。
2）钢结构采用多个构件进行组装后形成。构件主要是由单根型钢或者是由型钢通过焊接及螺栓连接后进行组装而成的，通常都是在工厂加工成型后运送到安装现场进行安装的。其中的材料包括型钢与钢板都是由钢铁厂按合同直接供货。
3）由于钢材自身的特性，其在一定的条件下将表现出隐脆性，尤其是对高层建筑而言，在设计时要予以充分的考虑。
4）由于普通钢材的耐腐蚀性能较差，同时钢结构的耐火能力通常较差，因此在设计时对其防护要进行同步设计。
2.2 高层建筑钢结构设计的主要内容
2.2.1 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。
2.2.2 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。
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。
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。
2.2.3 确保设计理念的先进性
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。
3.高层建筑钢架构的施工工艺分析
3.1 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。
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。
3.2 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。
3.3 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。
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。
3.4 高层建筑钢结构构造的几个技术要求
3.4.1 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）对于梁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；当只在一个方向和梁刚性连接时，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。
钢结构工程具有跨度大、施工速度快以及造价低的特点，在很多的建筑主体工程中被采用。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。
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