超高层钢结构安装技术的应用分析

超高层钢结构安装技术的应用分析

康海洋

广州宝贤华瀚建筑工程设计有限公司510000

摘要：随着我国城市化进程的加快，以及建筑技术的发展，我国高层、超高层建筑数量出现了爆发式增长的态势，钢结构也在高层建筑的施工中得到了更加广泛的应用，高层建筑的钢结构安装是一项极为复杂的工程，我们在施工过程中必须掌握其施工要点，并严格按照相关规范执行操作，保证钢结构的施工安全。本文结合笔者多年的施工经验，对超高层建筑中钢结构安装技术要点进行了探讨。

关键词：超高层建筑钢结构技术应用

引言

高层钢结构建筑在国外已有120多年的历史了。随着地价的上涨和人口的迅速增长，以及对高层及超高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高，使高层和超高层建筑迅猛发展。我国的高层与超高层钢结构建筑自改革开放以来已有30年的历史，并在设计和施工中积累了不少经验。

钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来越大，在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑；同时高强度钢材应运而生，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。

一、高层钢结构施工技术优缺点

1.1高层钢结构优点

1.1.1空间感强由于钢结构的抗压、抗侧弯强度很大,是混凝土强度的1.5倍,因此钢结构所占用的建筑空间就要远远小于混凝土所占用的空间,这样就增大了使用空间。

1.1.2施工速度快钢结构的构件都是经过工厂精密制作后才能在现场进行安装。与普通混凝土建筑相比,在施工中避免了脚手架的大量搭设,同时利用压型钢板代替混凝土楼板,还有钢结构的安装与混凝土的施工可交叉进行,这样就提高了工程进度。

1.1.3低成本、较环保钢铁具有重复利用的特性,因此钢结构同样可回收再生利用,比其他建筑材料的成本较低,而且不会产生大量的建筑垃圾,对环境更环保。

1.2高层钢结构缺点

1.2.1耐高温性差如果在发生火灾的情况下,钢材的导热系数比钢筋混凝土的导热系数大得多,其耐高温性比钢筋混凝土的结构低得多,随温度持续升高,钢结构的屈服强度与弹性模量将急剧下降。若钢结构处于温度300℃～500℃的环境中时,其强度下降40%至50%。若温度超过550℃,钢结构就会完全丧失刚度和强度,变形快速增大,拉力与承载能力完全丢失,导致钢结构倒塌。因此,在建筑设计钢结构的过程中钢结构防火措施是非常重要的一个环节。

1.2.2耐腐性差由于钢材本身具有易氧化的特性,这样就决定了钢结构的表面容易生成氧化铁锈,且锈蚀会引起应力集中,影响钢结构的安全,导致钢结构提前受损,因此,做好高层钢结构的有效防腐工作才能有效保证其使用年限。

二、高层、超高层建筑结构体系

对于高层及超高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑抗震设计规范、建筑防火设计规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过24m为高层建筑，建筑总高度超过60m为超高层建筑。

对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构体系、框—筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

高层和超高层建筑在结构设计中除采用钢筋混凝土结构（代号RC）外，还采用型钢混凝土结构（代号SRC），钢管混凝土结构（代号CFS）和全钢结构（代号S或SS）。

东南科技研发中心，建筑高度100m，柱网为8.4m，抗震设防烈度为6度，采用框架—剪力墙或框—筒结构体系较为经济合理，这种结构体系的剪力墙或筒体是很好的抗侧力构件，常常承担了大部分的风载和地震荷载产生的水平侧力，总体刚度大，侧移小，且满足玻璃幕墙的外装饰要求。

三、高层、超高层建筑结构设计材料的选用

高层及超高层建筑结构设计材料多选用钢结构，因为钢结构有很多优点。但其缺点是导热系数大，耐火性差。随着冶金技术的提高，耐火钢的研究成功并投入生产，为钢结构的进一步发展创造了条件。

目前，宝钢投入生产的B400RNQ和B490RNQ两种型号的耐火钢，其物理力学指标、化学性能及抗冲击韧性和可焊性，都能达到结构钢的要求。普通钢材当达到600℃的高温时已完全丧失承载能力，宝钢生产的这两个品种钢材当达到600℃时其屈服强度还有150～220Mpa.一般高层和超高层建筑当采用框—剪、框—筒结构体系时的经济性统计为：钢结构造价=钢材费用（约占40%）+制作安装费用（约占30%）+防火涂料费用（约占30%），防火涂料所占总造价的比重较大。如果使用高强度耐火钢虽价格略有上升，但防火涂料价格有较大幅度下降，可望部分抵消由此带来的成本上升，而且可靠度及安全性有了一定的保障。

四、全钢结构的建筑的应用

4.1工程简述

苏州现代传媒广场由办公楼、演播楼、酒店楼、商业楼、M形屋架五个部分组成。其中办公楼42层，混凝土核心筒外框架钢结构，屋顶有碗状网壳钢结构、门庭为巨型桁架钢结构以及中庭弧形屋面钢梁结构；酒店楼38层，为劲性钢柱的钢筋混凝土框架结构，屋顶有碗状网壳钢结构和中庭弧形屋面钢结构；演播楼8层框架钢结构；商业楼5层，为劲性钢柱钢筋混凝土框架结构，屋顶为30m跨实腹梁钢结构；在演播楼和商业楼之间，有M形屋架，M形屋架跨度23m，由直径500×16钢管弯曲而成，上部标高为43m，U形底部标高为26m。地下室3层为劲性钢柱框架结构。

4.2钢结构工程的特点

特点一：钢结构体量大，构件截面形式多，种类多。该工程钢结构重量达40000多吨，其中演播楼用钢量达9722吨，属大型工程。本工程构件截面有圆管形、H形、十字形、箱形等；构件种类有铸钢形、钢棒、索、O型弯管、弧形H形钢等。几乎汇集了钢结构所有形式和种类，充分体现钢结构之特长。

特点二：结构多样性。本工程有四大功能不一的单体组成：办公楼、演播楼、酒店楼、商业楼、M形屋架五个部分组成。群多的结构体系集中在一个工程中较少见。

特点三：异型结构多、外观独特。M型屋架：通过钢管的弯弧和节点的转折，形似凉晒的丝绸。屋顶碗状网壳：通过钢管的弯扭，形成上方下圆的网壳结构，有一丝古韵在里面。传统与现代结合的建筑，外形漂亮美观。而U形的M型管子屋架，中庭弧形H型钢屋架、屋顶弯扭钢管网壳，把映该工程异形构件特殊性。

4.3钢结构工程的安装难点

难点一：M型屋架底标高21m，上点标高45.5m，上部钢棒、铸钢件、圆管三铰构造，下部U型圆管与上部相连，空间索结构重934吨。安装时下部U型钢管分段对接准度，难度较大，上部三铰构造与U型管连接难度大，整个U型构造在施工中稳定性难度大。只有地面组装，整体安装。

难点二：办公楼中庭弧形屋面长度为54m，重220吨。空中安装弧形对接精度、焊接弯型控制难，弧形整体结构质量控制难。采用节间组装，以节间为主，逐间滑移。

难点三：办公楼中庭巨型桁架，由H型钢组成结构式，四层空间大桁架，重2300吨。散件安装量大，斜撑多，高屋焊接对接精度难度大，脚手搭设量大。构件工厂预拼装，现场搭设临时支撑分段安装，四层平面形成后，逐层往上安装，五、六层桁架安装焊接完毕后，拆除临时支撑。

四、未来钢结构在建筑中的作用

近几年来，随着我国改革开放政策的实行和推进，我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展。钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。一大批有实力的钢结构安装企业承担了国内重点大型钢结构工程安装，新技术、新工艺、新设备层出不穷，其施工安装水平达到了国际先进水平。

目前，我国的钢结构产业已进入跨越式发展的新阶段。钢结构建筑规模越来越大、跨度越来越大、造型越来越新颖独特，有很大的发展潜力。以前我国的钢结构发展缓慢主要是因为钢结构造价高以及钢材产量有限。今非昔比，钢结构施工速度快，施工污染小，重量轻，这些优势让它成为未来的发展趋势。钢结构建筑发展的同时，还推动了新型钢结构制造业的发展，钢结构生产规模从几百万吨发展到2000万吨以上。由此可见，钢结构建筑行业是一个正在蒸蒸日上、向着更高阶段发展的朝阳行业。

最后，我们应该加强钢结构在节能减排、绿色环保方面的宣传，并且开发新型的围护体系。与混凝土结构相比，钢结构在这方面的优势非常明显，更适应国家实现低碳经济和可持续发展的战略要求。这要我们从多方面、深层次进行宣传，使社会和用户都能意识到这一点。

结束语

许多高层或超高层建筑屋面的钢结构造型复杂,常出现大跨度、长悬臂等情况,屋面顶部的风荷载较大,牵涉的荷载组合工况较多,结构设计难度较大。在设计中应根据其体量及与主体的关系,采用多种以上的软件及算法进行设计及复核。屋面钢结构与主体结构连接受限较多,节点多数出现较大的拉、压、剪的荷载组合,对节点要求较高。规范或图集中所列的柱脚节点并不一定能完全适用,应根据实际受荷情况进行节点设计,使其能够满足规范及受荷要求。

参考文献:

[1]孙成疆.当前钢结构设计软件的情况及自主开发软件的发展趋势.钢结构.2013.05

[2]郝燕春.大型钢网架安装技术.山西建筑.2016.07

[3]赵西安.现代高层建筑结构设计（上、下册）.北京：科学出版社.2013.09