超高层建筑工程中钢结构安装与连接施工技术

马学义

（临夏州盛河城投工程管理咨询有限责任公司，甘肃 临夏）

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好等特性，在高层和超高层建筑中被广泛应用。在钢结构施工中，钢构件的制作、安装和连接是施工单位需要重点把控的三个关键点。安装方面，对于不同位置、不同类型的钢构件，安装方法存在明显差异，需要施工人员熟练掌握各类钢构件的安装技术。对于钢构件相接部位，可采取焊接方式或者是高强螺栓进行连接。其中，钢构件焊接的要求更高、技术更加复杂，除了做好焊前检查与预热外，焊接过程中的焊接速度的控制，焊接完成后的保温措施等，也是需要重点关注的技术要点。

1 工程概况

某公寓楼建筑总高度178.4 m，建筑总面积126 780.2 m2，共有43 层，其中地下3 层，地上40 层，标准层高4.2 m。该建筑有内部混凝土核心筒和外部钢框架组成，建筑工程等级为特级，设计使用年限50 年，建筑抗震设防烈度为8 度。本工程钢结构部分共计使用各类钢材1.25×104t，核心筒钢结构由18 根H 型钢柱构成，外侧框架柱由20 根圆管柱和10 根箱型柱构成。本工程钢结构部分具有构件截面大、节点种类多、焊接工程量大、作业空间狭小等特点，对钢结构的安装与连接施工提出了较高要求。

2 钢结构安装工艺

2.1 锚栓与预埋件的安装

本工程中锚栓多为成组设置，对布置精度要求较高，埋设方法上选用“支架法”埋设。在锚栓埋设前，安装人员要依据施工图纸做好放线定位，确定轴线、标高，并且经复核无误后方可安装。锚栓安装完毕后，采取必要的保护措施，用油纸包裹锚栓后再套上塑料管，在后期浇筑混凝土时撤去塑料套管。

钢梁预埋件由锚筋、锚板焊接而成，锚筋为HRB335 级钢筋，钢板为Q345B 钢，埋设在内筒剪力墙上，起到连接内筒与外框钢梁的作用，预埋件连接节点如图1 所示。

图1 埋件连接节点示意图

钢梁预埋件的安装方法为：现场安装人员使用全站仪、钢尺对预埋件进行定位，标记处埋件位置后开始安装。将埋件放入指定位置并固定后，清理表面灰尘、油垢，再次核对埋件的标高、轴线，复测无误后将埋件与钢筋连接[1]。

2.2 核心筒钢柱的安装

核心筒部分共有18 根H 型钢柱，其中最大的尺寸为H1 000×600×50×30。安装方式上，采用塔吊安装，最大起重量13 t，回转半径60 m，可以满足核心筒钢柱的吊装需要。安装流程如下：

（1）现场安装人员仔细检查钢丝绳、卡环等吊装工具是否满足施工要求，并检查缆风绳、防坠器、临时支撑件等是否布置到位。

（2）经检查无误后，对钢柱连接处的坡口进行清洁处理，保证坡口光滑平整、无污垢。如果有毛刺的需要打磨，为下一步的焊接创造良好条件。

（3）考虑到核心筒为独立设置，在后续的其他构件安装时可能会对其稳定性造成影响，因此在钢柱吊装后还要在顶部设置临时水平支撑，在后期混凝土浇筑完毕后即可拆除。

2.3 外框钢柱与钢梁的安装

外框钢柱由20 根圆管柱和10 根箱型柱构成。其中，圆管柱截面有φ1 200×40 mm 和φ900×20 mm两种规格，箱型柱截面有1 200 mm×800 mm×30 mm 和1 000 mm×800 mm×30 mm 两种规格。采用分区安装方法，将外框钢柱部分分成4 个区域，首先吊装第一区域内的钢柱，然后安装主框架梁，钢柱与梁焊接固定后，可以得到一个稳定体系，并吊装第一区域内次梁，完成第一区域外框钢柱与钢梁的施工[2]。按照相同的顺序，依次完成第二、三、四区域外框钢柱与钢梁的安装。在整体施工完成后，进行检查校正，保证标高、垂直度等均符合施工标准。

2.4 幕墙钢结构的安装

本工程10 层以上采用瀑布幕墙。幕墙钢结构中的钢板梁采用镶嵌式安装，用垂直运输的方式，首先在地面完成钢板梁的现场拼接，然后由塔吊从地面提升至一定高度后放置到指定位置。幕墙钢结构的安装流程如下：现场安装钢板梁托架平台和卷扬机提升架，将钢板梁放置在托架上，利用上层平台的卷扬机吊升钢板梁。采用双点吊方式，匀速将钢板梁从地面吊起，按照先垂直、后平转的顺序，将钢板梁移动到指定位置后，由塔吊操作手和现场施工人员配合完成钢板梁的高精度安装。现场使用的提升系统如图2所示。

图2 提升系统示意图

幕墙钢结构吊装时，采取以下控制措施：

（1）标高控制。以塔楼各层的标高控制线为基准，使用水准仪控制每个节点的标高，要求实际安装高度与标高之间的误差控制在10 mm 以内[3]。

（2）吊杆倾斜度和垂直度控制。这两项指标主要影响钢板梁的吊装精度。采用双点起吊的情况下，要求吊杆倾斜度控制在1%以内，钢板梁吊升到指定位置后，现场安装人员需要仔细核对轴线是否对准，钢板梁与吊杆的销轴是否固定牢固，经检查无误后方可松开吊索，继续下一步的吊装作业。

3 钢结构连接施工技术

3.1 钢结构焊接特点与难点

本工程钢结构连接形式以焊接为主，焊接施工具有以下特点：其一是钢板多为中厚板，平均厚度为40 mm，焊接过程中需要加强技术控制，否则容易出现钢板变形、层状撕裂等问题；其二是需要高空、临边作业，存在一定的安全隐患，对安全防护工作提出了较高要求；其三是焊接方式多样，有平焊、横焊、斜立焊等多种焊缝，对施焊人员的专业水平有严格要求。

3.2 钢结构焊接准备工作

焊接准备阶段的工作内容有：

（1）焊接设备的选型与检验。根据焊接部位的不同，现场主要使用3 种焊接设备。第一种是用于圆钢管柱、H 型钢柱等柱间对接焊接，以及框架主梁与钢珠节点焊接的二氧化碳焊机；第二种是用于预埋件焊接、桁架杆件焊接的交流弧焊机；第三种是用于栓钉补焊的栓钉焊机。除此之外，还要碳弧气刨抢、空压机、焊条烘箱等焊接施工的配套设备。现场施工人员需要对照设备清单，仔细核对各项设备的型号、规格、数量等是否符合要求。

（2）焊接工艺的确定。本工程中钢结构部分所用材料以Q235 钢和Q345 钢为主，焊接方式有手工电弧焊（SMAW）、二氧化碳气体保护焊（GMAW）两种方式，焊材直径、焊接位置等具体要求见表1。

表1 焊接方法及焊接参数

本工程中钢结构焊接主要涉及4 类接头焊缝形式，分别是横焊接头、平焊接头、立焊接头和仰焊接头。其中，平焊接头数量最多，这里以平焊为例，焊缝形式如图3 所示。

图3 平焊示意图

为保证焊接质量，施工准备阶段需要对焊接工艺参数作出明确规定，主要参数包括焊接方法、焊丝直径、保护气体类型和流量，以及焊接电流、电压与焊接速度等[4]。以平焊为例，不同位置的焊接参数要求如表2 所示。

表2 平焊焊接参数

3.3 焊接技术要点

施焊人员检查焊材、清理坡口，要求引弧板、垫板的材质与焊接木材保持一致。判断焊接环境，风速、湿度是否适宜焊接作业，室外高空作业是否有相应防风措施，作业平台下方是否铺设防火布等。对于箱型柱或圆形柱，应当安排2 名焊工分别在对称面同时焊接，并且每道焊缝之间的最小距离不得低于50 mm；对于H 型钢，则按照从下往上的顺序，下翼缘焊接完毕后再进行上翼缘的焊接，并且H 型钢的两端错开焊接，可以防止焊接收缩应力太大而出现钢材变形的问题。本次钢结构焊接施工中，重点加强以下技术要点的管理：

（1）焊前预热。对于厚度超过20 mm 的钢板，在低温环境（0 ℃以下）施焊时需要采取预热措施；对于厚度不足15 mm 的钢板，在气温低于-5 ℃时采取预热措施。以坡口为界，向两侧划出100 mm 作为预热范围。预热方式为火焰加热，预热温度控制在120～140 ℃。为保证预热效果，可在预热时利用红外测温仪密切观测坡口附近的温度变化情况。不同钢材、不同板厚的预热温度见表3。

表3 焊前预热温度参考（单位：℃）

（2）焊后保温。在钢材焊接完毕后需要采取适当的保温处理，其目的是降低残余应力带来的破坏影响，同时预防延迟裂纹的产生。本工程中采取石棉保温方式，要求石棉布的宽度超出预热坡口边界至少300 mm。保温温度控制在200 ℃左右，保温时间不低于120 min。

4 结论

在高层及超高层建筑的施工中，钢结构的安装与连接是决定建筑整体质量的关键内容之一。施工单位必须要树立精细化的管理理念，分别从锚栓、埋件、外框钢柱、幕墙钢结构等方面采取严格的质量管控措施，保证钢结构安装可靠。同时，对于需要焊接固定的钢构件，也必须提前选好焊材与焊接设备，做好焊前预热、焊中管理、焊后保温等一系列工作，这样才能最大程度上保证焊接强度，让钢结构的整体稳定性达到建筑工程的施工标准，充分发挥钢结构的应用优势。