高层建筑钢构造操作施工技术研讨

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摘要：本文结合作者实践经验，就某高层建筑钢结构采用《高层建筑钢结构安装的施工方法》专利技术进行现场安装，施工方便，安全可靠，质量、进度易于保证，施工效果良好。

关键词：高层建筑；钢结构，钢构件制作；吊装

1工程概述

某高层建筑主楼地下3层，地上30层，檐高108.800m，总建筑面积102392m2。建筑结构为内筒外框，内筒为钢筋混凝土（内设暗钢柱和钢梁）；外框柱为型钢混凝土组合柱；楼板结构为压型钢板组合楼盖，外框架梁和楼层梁均为钢梁(如图1)。

图1：钢结构示意图

（a）立面；（b）平面

本工程钢构件总重量为4700t，全部采用国产钢材。节点形式为柱与柱接头全熔透焊接（图2a），外钢框架梁与外框钢柱间的连接均为全熔透坡口焊缝（图2b）。楼层梁与外框钢柱、核心筒为铰接，梁腹板采用10.9级摩擦高强螺栓连接（摩擦面采用喷砂处理，抗滑移值为0.50）。楼层梁上铺设厚0.75mm镀锌压型钢板（波高50mm），其与钢筋混凝土共同作用，形成120mm厚的组合楼盖。

本工程钢结构安装采用《高层建筑钢结构安装的施工方法》专利技术，专利证书号：第87429号（以下简称《工法》）。

图2：钢结构连接构造

（a）上下钢柱连接；（b）钢柱和钢梁连接

2钢构件制造控制和安装机械

（1）根据《工法》要求，焊接连接的钢柱加工放样以柱顶为基准，长度用负公差（－5～＋1）mm控制。焊接连接的钢梁制作长度用正公差（－1～＋5）mm控制。

（2）本工程边柱中心东西向最大距离为45.4m，南北向最大距离为42m，构件最重为10.9t。根据工程需要，在核心筒内布置1台H3/36B内爬式塔吊、楼北侧选用50m臂长MC300作为整个办公楼钢构件的吊装机械。现场构件卸车整理用另一台塔吊。

3钢结构安装准备工作

3.1流水段的划分

主楼外围23根柱，标准层每3个层高为1个标准节。从±0.000到楼顶标高每根柱分成10个柱节，标准柱节长度为11.17。安装过程中以每节柱作为1个竖向流水段，每个竖向流水段内构件的吊装顺序为钢柱→主梁→次梁→小梁→压型钢板。具体如下：①柱→下层主梁→中层主梁→上层主梁，②→下层次梁→下层压型钢板，③→中层次梁→中层压型钢板，④→上层次梁→上层压型钢板。

3.2编制安装顺序图表

安装前编制柱、主梁、次梁安装顺序图表。安装顺序图中标明每个构件的平面位置、安装顺序号和构件名称等。安装顺序表中反映出每个构件的安装顺序号、构件名称、构件所在图纸号、安装用高强螺栓及连接板规格数量、构件重量、构件外形简单描述等。图3为主梁安装顺序图。

图3：主梁安装顺序图

3.3构件进场顺序

第1节柱按构件安装顺序进场，以后各节柱子按安装顺序相反的次序进场。为防止构件混乱，要求不是本节柱的构件不得运进现场。构件堆放按安装顺序排列，以减少主吊车垂直运输吊次。

3.4构件进场验收

构件进场后，安装单位要对构件数量、外观等进行检查（包括构件几何尺寸、连接板零件的位置、角度、螺栓直径及位置，焊缝的坡口，节点的摩擦面，附件的数量及规格等），每根构件一张表格。

3.5编构件安装号和标高控制线

用鲜明的颜色编构件安装号，指出方位。柱设置标高基准线，选最长的柱设定一个标高控制线，每根柱在地面以柱顶为基准，设置柱安装用的标高控制线，至少两个面，并注意和下柱的标高控制线方位一致。梁的两端不对称时或有空洞的梁，还应标出方向。

4测量工艺

（1）钢结构安装前要对建筑物的定位轴线进行复验，柱中心距长度偏差应小于2，封闭夹角偏差小于6″。

（2）钢结构安装平面控制网采用内控法。随楼层增加，平面控制网不断上投测。

（3）用设计标高安装，每安装一节柱复核一次标高。

（4）必须在柱顶柱和主梁的焊缝焊完后，再将下一节柱的定位轴线引至高空，进行柱的定位轴线放线。每安装一根柱子均独立进行校正。

（5）在安装柱和柱、柱和核心简之间的主梁时用经纬仪对柱子进行跟踪监测，产生偏差要再校正一次。第二次校正比第一次校正更为重要，除按轴线要求，还要考虑焊缝收缩的预留量，并适当考虑温度变化对高层钢结构产生的影响。

（6）钢柱安装时均以当时经纬仪的垂直平面进行测量校正，这样环境温度变化将会使柱子顶部产生一个位移值。这些偏差在安装柱间的主梁时可用外力强制复位，使柱顶回到设计位置，固定结构的几何形状。此时柱子断面内可产生3~4MPa的温度应力，比校正构件加工偏差与安装累积差时产生的内应力小得多。

（7）为使每节柱子均能按设计标高安装，可将上柱和下柱临时连接板高强螺栓孔径由22mm扩大到26mm。由于各种焊缝收缩量不一致，加上柱加工时长度偏差，一节柱安装后柱顶标高往往超过规范允许值（±5mm），利用临时连接板上孔径的裕量，可将每节柱子产生的标高差调整到±5mm内。上柱和下柱靠四面的临时连接板支撑，其空隙在焊接时进行处理。

（8）钢柱的垂直偏差、倾斜偏差和标高偏差，必须在焊接工作全部结束后做最后测量记录。

5钢结构柱梁的安装

5.1钢柱吊装

按安装顺序图逐件安装钢柱，吊点设在柱连接耳板螺栓孔的位置，采用专用吊索吊装。

柱吊装前准备好校正用的垫板和钢楔，并将临时高强螺栓等拴牢在柱底连接耳板处。垂直起吊至安装位置后，拧紧临时连接板的M22大六角头高强螺栓，达到0.6kN•m扭矩。对正时先调标高，然后调整上下柱接头错边（扭转），最后由2台经纬仪从两个不同方向校正柱子垂直度，最终偏差控制在±2mm内。

柱-柱临时接头用高强螺栓，在调整标高和垂直度后紧固。安装过程中，一节柱全部构件的重量和施工附加荷载均由柱的临时接头承担，不用缆风绳，不用支撑。

5.2钢梁吊装

钢梁吊装前须将核心简周边的外架提升到待施工楼层。下部不能影响该层压型钢板安装。测量核心简预埋件的位置标高线并放线，利用角钢设置梁的临时支承点。在地面上将节点板及高强螺栓的工具袋带绑在梁两端（距梁端不大于1m），按各层钢梁吊装顺序安装。为提高塔吊的垂直运输效率，一次串吊2~3根梁。顺序为下层主梁→中层主梁→上层主梁。为加快起吊速度，可用2副吊索。

梁起吊就位，用撬棍、冲钉（或冲头）调整构件的准确位置，螺栓孔全部对正后放入高强螺栓临时固定。待主梁全部吊装完毕后，进行高强螺栓的初拧和终拧。安装时应预留经试验确定的焊缝收缩量（2~3mm）。安装主梁时用3台经纬仪跟踪检查柱垂直度和倾斜度。若安装过程中柱发生较大偏差，应重新校正。

6高强螺栓安装

本工程钢结构现场安装使用的高强螺栓为10.9S扭剪型高强螺栓，规格为M20、M22两种。

6.1准备工作

高强螺栓摩擦面采用喷砂法处理，抗滑移系数μ=0.50（钢材Q345B）。加工摩擦面时同时加工抗滑移系数试验的试件，以钢构件同等条件运到工地，在安装前复验抗滑移系数。

6.2高强螺栓安装

钢梁吊装就位后每个节点用2只过镗冲对齐节点板上的上下螺栓孔，使螺栓能从孔内自由穿入，对余下的螺栓孔直接安装高强螺栓，用扳手拧紧后，拔出过镗冲，再安装该处高强螺栓。

由于扭剪型高强螺栓是利用螺尾梅花头切口的扭断力矩来控制紧固钮矩的，所以用专用扳手进行终拧时，螺母须处于转动状态，即在螺母转动一定角度后扭断切口，才能起控制终拧扭矩的作用；否则由于初拧扭矩达到或超过切口扭断扭矩或出现其他不正常情况，终拧时螺母不再转动切口即被拧断失去了控制作用，螺栓紧固状态成为未知，会造成安全隐患。

6.3高强螺栓的终拧顺序

先拧上层梁，再拧下层梁，最后拧中层梁，每个节点处的高强螺栓须按由中央向四周的顺序进行终拧。

7钢结构现场焊接

现场焊接采用手工电弧焊，主要部位是柱与柱、梁与柱以及部分梁与梁的焊接。

7.1焊接设备与焊接材料

本工程选用交直流ZXEI-500电焊机，焊条为低氢型焊条（E5016），焊条使用前先在350℃的烘干箱内烘焙1h，然后在100℃的恒温箱内保存，焊条领用时存放在保温筒内，随用随取，超过4h后仍未用完须重新烘焙，烘焙次数不得超过2次。

7.2焊接环境、温度的选择

焊接前对所焊部位坡口、垫板、引弧板等进行检查。焊接环境温度不低于0℃，否则需进行焊前预热焊后后热处理。雨天施工须设置防雨设施；风力达5m/s时应设防风棚，否则禁止焊接作业。

7.3焊接顺序

每个竖向流水段（1节柱子）内焊缝的焊接顺序为上层：主梁→压型钢板支托→压型钢板点焊；下层：主梁→压型钢板支托→压型钢板点焊；中层；主梁→压型钢板支托→压型钢板点焊；柱柱接头焊缝（上层压型钢板已铺完）；其他焊缝。

根据试验可知：厚度为30mm的钢板用焊缝等强连接时，会产生2~3mm的收缩，因此在编制钢结构焊接顺序的同时要编制焊缝预留焊接收缩量。钢结构的焊接顺序是从建筑物平面的中心往四周扩展焊接，采用这种焊接顺序可使焊缝焊完后产生的焊接收缩变形和残余应力减到最小。

7.4焊接工艺

每个柱与柱的接头焊缝由两个焊工在对面同时进行焊接。不同位置的焊缝和不同直径的焊条，要设专人随时调整电流。

（1）清理坡口，用气割炬清理。

（2）打底：用Ø4焊条将垫板和钢柱母材焊牢，焊完后进行清渣，起始焊接时焊接电流应稍高，保证焊缝和母材的熔深熔透。

（3）焊第一遍：用Ø5或Ø6焊条，两人在对面同时按逆时针方向施焊，焊完4遍再在另一面焊8遍进行焊接，直至焊完一个柱接头。

（4）每一遍焊完后均认真清渣，焊缝焊至厚度为15mm（或母材厚度的1/2以上）可以停息。

（5）为使焊缝美观，用Ø4焊条焊装饰焊缝。

7.5焊接检验

焊缝焊完后，施焊焊工要打上操作者钢印。焊后24h进行超声波探伤检查。对不合格的焊缝要制定返修工艺，由焊接技术高的焊工按返修工艺返修合格。

7.6常见问题处理

（1）有时因调整柱的标高造成间隙增大，上柱和下柱靠临时耳板支承。为使柱接头焊缝有良好的质量，可用Ø4焊条焊满间隙并将药皮清理干净后，再按正常焊接工艺施焊。

（2）由于各种因素的影响，柱位置校至正确后，会造成梁头紧靠柱面达不到梁上下翼缘设计要求焊透而留出的间隙（8mm），此时可先用气割垂直切一条5mm宽的间隙，再在柱面上靠一块3mm厚的钢板以保护柱面，用气割切割斜面，最后用角向砂轮磨光。

柱与梁的焊接有上下两条，应先焊下翼缘焊缝，再焊上翼缘焊缝。柱和主梁的连接者，在一根梁的两头不同时进行焊接，即应待梁一头焊接完冷却收缩完成后，再焊另一头，这是一项为减少结构因焊缝收缩收起的变形和残余应力的工艺措施。

8压型钢板安装和栓钉焊

本工程使用的压型钢板，既是楼板的组成部分又是现浇楼板的永久性模板，由于它满铺在钢梁上又用电焊点焊牢固，故又可以作为安装人员的脚手板。

本工程平面复杂，压型钢板规格多，故应编制平面布置图，排出施工顺序。在地面按图纸要求编号，割缺口，再按不同部位进行分区，这样可免去高空水平运输和加工工作，加快安装速度，保证安装质量和安全施工。

压型钢板和钢结构要同步安装，注意若有悬臂梁时，压型钢板要和楼层其他梁在一个平面内，过高则压型板与梁不密贴，过低压型板檐头会出现缝隙。

栓钉焊分普通栓钉焊接和穿透栓钉焊接两种。施焊前，应根据试验确定焊接工艺参数。

9结束语

本工程钢结构采用《高层建筑钢结构安装的施工方法》专利技术进行现场安装，施工方便，安全可靠，质量，进度容易保证，其主要特点如下：

（1）以柱顶为基准，控制每节柱的柱顶在同一标高上，可控制高层建筑钢结构的标高。

（2）每节柱的轴线均从地面引上，可保证定位同步线准确；每节柱均调整标高，不用构件厂处理安装造成的标高偏差。

（3）焊接连接的钢柱制作长度采用负公差，钢梁制作长度采用正公差。

（4）柱-柱接头临时连接板的高强螺栓孔比螺栓杆扩大3-5mm，可调整柱标高，不用缆风绳或支撑，操作方便，效果良好。

（5）编制构件的安装顺序图及表，在现场施工时可以不用图纸，做到上百种构件型号、上万个构件、几十种高强螺栓正确无误配套安装，现场安装秩序井然。

（6）构件安装位置校正正确后直接放入高强螺栓，在保证工程质量的前提下，简化了施工，加快了进度。

（7）适当考虑温度对高层钢结构安装的影响，简化了柱子校正工序。