浅谈超高层建筑钢结构安装的关键技术

随着我国社会主义市场经济的不断发展，广大人民群众的生活水平获得了极大的提高，对于衣食住行都方面都有了较高层次的要求，特别是在生产和生活所需要的环境方面表现的尤为明显。相关资料也表明，良好的生产和生活环境，有助于人们获得心理上的满足感，从而更好地投入到生产和生活当中去。超高层建筑一方面可以满足人们日益增长的生产生活需求，另一方面也有效地解决了当前紧张的土地资源形势，因此可以说，对于社会经济的发展和人们生活水平的提高都是有着非常显著的促进作用的。在超高层建筑施工过程中，钢结构的加工与安装绝对是其中非常重要的一个环节。做好钢结构施工相关工作，不仅可以使超高层建筑的工程质量获得提升，同时也可以更好地保障广大人民群众的生命和财产安全，充分地发挥他们的主观能动性，以创造性思维来推动我国社会主义建设。

该项目总建筑面积224830㎡，其中地上178030㎡、地下46800㎡。地下3层，地上由超高层塔楼和周边裙房组成。T1塔楼为超高层办公楼，地上51层，结构高度233.1m；T2塔楼为超高层商业，地上37层，结构高度140.1m；商业裙房及剧院地上3～4层，结构最大高度23m。本项目地下室连为一体，地上沿塔楼周边设置抗震缝，将地上部分分为1#塔楼、2#塔楼、商业裙房、剧院四个独立的结构单体。其结构示意图如下：

图1 结构示意图

图2 基本技术指标

该项目的建筑主要功能为办公、剧场、配套商业及地下停车场。

本项目钢结构体量大，其主要分布于地下室、1#塔楼、2#塔楼和剧院屋盖，其中地下室采用混凝土框架—剪力墙结构体系，地下3层；1#塔楼采用钢管混凝土框架柱—核心筒结构体系，地上51层，结构高度233.1m，钢结构贯穿至顶，核心筒为H型钢骨柱，外框为圆管钢柱，32～33层为加强层钢桁架；2#塔楼采用框架—剪力墙结构体系，地上37层，结构高度140.1m，核心筒H型钢骨柱分布于3层以下、外框H性钢骨柱及十字钢骨柱分布于7层以下；剧院采用框架—剪力墙结构体系，地上3～4层，结构高度23.0m，屋盖为大跨度钢桁架。钢结构材质主要为Q355B、Q355C、Q420GJC等，总用钢量约14637t，其分布如下图示：

图3 某超高层国际广场钢结构分布图

超高层建筑钢结构安装施工相对便捷，钢构件在厂内加工完成运输至施工现场，其安装施工时使用吊装机械按照施工图不同的构件吊装到位即可。结合超高层钢结构安装实践经验分析可知，由于项目体量大、高度高，安装作业中必须制定专项施工方案，精心组织作业，保证安装精度达标、连接牢固，本工程钢结构的安装施工主要包括塔楼、裙房和地下室三部分内容，主要安装构件为钢柱、钢梁和桁架等，具体安装施工关键技术如下：

在进行超高层钢结构安装施工时，施工机械的选择十分的关键，钢结构进场卸货、堆放、搬运、安装等，均要由吊装机械设备来完成。对此，超高层钢结构安装施工前，必须做好实地考察，综合分析项目情况、场地大小及最大构件尺寸、重量等因素合理开展吊装设备选型工作。

以本项目工程T1塔楼地上吊装进行分析：

T1塔楼地上钢柱分节后最大重量8.37t,分别采用两台1# ZSL380（50m臂）、2#M400D（52.5m臂）塔吊吊装。

工况分析：采用2#塔M440D（52.5m臂）动臂塔进行吊装作业，构件安装时最大作业半径42m，构件堆场在47.5m范围内，该工况下塔吊起重性能9.3t＞8.37t，满足吊装要求。

采用1#塔ZSL380（50m臂）动臂塔进行吊装作业，构件安装时最大作业半径29m，构件堆场在30m范围内，该工况下塔吊起重性能10.3t＞8.37t，满足吊装要求。

图4 ZSL380(R=50m吊臂)、M440D(R=52.5m吊臂)塔吊布置图

图5 塔吊M440D(R=52.5m吊臂)性能参数图

图6 塔吊ZSL380(R=50m吊臂)性能参数图

T1塔楼钢梁最大重量7.62t，分布在F2层，利用2#M400D（52.5m臂）塔吊吊装。塔吊在50m作业半径时起重量为8.5t，钢梁安装位置、堆放位置均在50m范围内，故满足吊装要求。

（1）钢结构吊装施工方法。超高层钢结构安装施工方法众多，不同施工方法均有其优缺点，可适用于不同规格、部位的钢构件安装作业。①高空散装法：小拼单位、散件在设计位置总拼，整个工艺流程相对复杂，一般无须使用大型起重设备。②分条（块）安装法：地面拼装后吊装至高空，对各单元上、下弦杆、腹杆等进行连接，高空作业量较小。③高空滑移法：通过滑轨的方式进行条状单元拼接。④整体吊装法：地面总拼后吊装就位，拼装质量高、施工速度快。⑤整体提升法：地面整体拼装后，利用起重设备提升至设计位置，效率高、工期短。

上述几种吊装施工方法适用范围各有不同，具体归纳如图7所示。钢结构安装时，需要根据项目情况，综合考虑进度、质量、安全等因素，合理选择吊装方法，同时注意落实吊点设计与验算工作，保证整个施工过程安全可靠。

图7 不同吊装方法适用范围

超高层建筑钢结构安装工艺要考虑各种因素，根据现场实际情况，详细的分析和研究建筑工程的结构特点，考虑各种不利因素，如技术的原因、工程造价的限制以及周围环境的影响等，都是施工时所要考虑的问题。具体有以下几个方面。

一是预埋件的安装。在超高层建筑钢结构预埋件安装的过程中，需要做好以下几个方面的工作，第一，必须要做好预埋锚栓的轴线处理。在钢结构施工的过程中，埋设精度对于工程后期的施工以及整个项目工程的质量都是有着非常重要的影响的，因此在进行钢柱的吊装工作前，必须要做好相关的检测工作，确保正常后方可进行后续施工。第二，进行安全检查。在预埋件安装的过程中，一旦地脚锚栓出现故障，就必须要做好校正或是更换工作，防止对后期的施工造成影响，同时也需要做好螺纹的检查工作，对于出现损伤的螺牙也要按照技术规范进行处理，以此来对锚栓进行妥善的保护。第三，进行标高垫块的妥善安置。在开展混凝土的浇灌工作之前，需要采用焊接的方式来对标高垫块进行固定，保障后期施工的顺利开展。第四，进行标高的调整。施工人员需要对垫块进行妥善的应用，采用多次操作的方式可以有效的进行标高的调整。将四组垫块均匀的放置在钢柱的底部，这样就实现了调整标高工作的最基础动作；待到钢柱被放置在施工规定的区域后，就可以开展后续的进一步调整，直至与施工设计要求的位置一致后，方可进行其他垫块的布置工作。第五，做好分析工作。在预埋件安装的过程中，如果未能按照施工要求进行混凝土材料的浇筑以及振捣措施等工作，都是会导致锚栓的位置出现一定的偏差。施工人员一定要进行妥善的分析，确保减少混凝土浇筑过程中的流动现象，以免引起锚栓出现偏移。在开展混凝土的振捣工作时，也需要确保钢筋不能够与振捣器产生直接的接触，防止锚栓跑位。

二是钢柱安装。

钢柱吊装主要有四步，一是复核钢柱的轴线间距、基面标高、地脚螺栓的位置等信息，调整锚栓杆下螺帽位置，并备好垫铁块；二是吊装钢柱之前，在钢柱上安装登高梯并加以固定，然后缓慢吊起钢柱，至钢柱处于垂直状态后缓慢下落，使锚栓孔对准锚栓杆，并确保钢柱轴线对准十字线，再继续下落到设计标高位置上；三是通过缆风绳上的倒链对钢柱垂直度进行调节，钢柱校正完毕后拧紧锚栓，收紧缆风绳；四是将柱脚垫铁块与柱底板点焊固定，然后移交下道工序施工。

图8 标高校正和垂直度校正

主楼钢结构安装遵循由中间向两侧安装的原则，在安装外框架钢柱前，核心筒必须高出外框三层以上，核心筒混凝土达到设计强度75%以上，塔吊方可爬升。

图9 钢柱吊装示意图

钢柱安装注意事项：

（1）钢柱吊装应按照分区的安装顺序进行，并及时形成稳定的框架体系。

（2）钢柱安装前应焊好安全环并绑上爬梯，清理干净柱身的污物。

（3）吊点设置可以利用钢柱的临时连接耳板，吊点应对称，确保钢柱吊起时保持垂直状。

（4）柱的定位轴线应直接从地面控制线的基准线引上，而不应从下层柱的轴线引上。

（5）结构的楼层标高控制可使用相对标高，钢柱吊装前从基准点引出控制标高，并标识在混凝土基础或钢柱上，以后均使用此标高，确保结构标高符合设计及规范要求。

（6）安装好的钢柱要及时进行初步校正，以便于后续钢柱的安装和校正。

（7）校正时应对垂直度、轴线、标高、焊缝间隙等因素进行综合考虑，每个分项的偏差值要同时符合设计及规范要求。

（8）上下钢柱之间的连接板经校正并焊接完毕后，及时将连接板割掉，表面打磨光滑，并涂上防锈漆，割除时注意不要伤害到母材。

（9）当本层钢柱和框架主梁吊装完成，采取高强螺栓连接完成后，应及时催促土建单位进行钢管柱内混凝土的浇灌。

三是钢梁安装。

钢梁吊装主要有四步，一是吊装前的检查，对钢梁定位轴线、标高、长度、截面尺寸、螺栓孔数量及大小等进行全面复核后才能开始吊装；二是当钢梁到达安装位置时，要利用钢梁两端的溜绳，将其慢慢对准钢柱的牛腿腹板，穿入冲钉与安装螺栓进行临时固定，同时将梁两端打紧校正，确保每个节点上安装的螺栓不少于安装总数孔的1/3；三是调节梁两端的焊接坡口间隙，达到设计和规范规定后，拧紧安装螺栓，并将安全绳连通到两边的钢柱上；四是钢梁安装后与钢柱形成稳定的空间单元时，同时对钢柱与钢梁的安装精度进行复核，复核合格后，终拧各节点上的安装螺栓。

图10 钢梁安装示意图

钢梁的安装顺序为：

（1）同平面钢构件的吊装顺序是由内到外、对称吊装。

（2）立面上钢构件的吊装顺序是由下至上的安装。

（3）构件吊装按施工方案分区进行，吊装顺序为柱、主梁、次梁。

本工程项目根据塔楼地上钢结构施工进度、结构特点、受力形式、安全施工等因素，采取合理的安装顺序，钢梁局部由上向下依次安装。具体流程如下：

（1）先安装核心筒内钢柱，核心筒施工领先外框钢结构六层，首先安装外框角部钢柱；

（2）安装角部钢梁，形成稳定结构；

（3）从角部向中间安装外框钢柱；

（4）安装中间钢柱与核心筒之间的钢梁；

（5）安装外框框架梁；

（6）安装核心筒与外框架间的钢梁；

（7）安装外框悬挑钢梁；

（8）安装外框次梁；

（9）标准层安装完成。

四是桁架层安装。钢结构的桁架一般分布在核心筒周围，由上弦杆、下弦杆、腹杆连接组成。本工程加强层桁架由16榀环桁架、8榀耗能申臂桁架组成。

本次环桁架安装均采用高空散拼，环桁架安装顺序按照下弦杆、上弦杆、竖腹杆、斜腹杆依次安装。

图11 加强层环桁架整体效果图

图12 环带桁架分段形式

环桁架安装流程如下：

（1）安装环桁架层相邻钢柱；

（2）安装环桁架层下钢框梁；

（3）安装环桁架层上钢框梁；

（4）安装环桁架层下弦杆；

（5）安装环桁架层上弦杆；

（6）安装环桁架层腹杆；

（7）安装环桁架层下次梁；

（8）安装环桁架层上次梁；

（9）安装外圈下次梁；

（10）安装外圈上次梁；

（11）完成单榀环桁架的安装，其余环桁架安装流程与此相同。

耗能伸臂连接

（1）耗能伸臂技术的运用

在水平荷载起控制作用的超高层建筑中，设置耗能伸臂可以提高结构的整体工作性能，从而提高结构的抗侧刚度，控制结构的顶部位移，降低核心筒所承担的倾覆力矩。但是耗能伸臂在施工阶段，由于内外筒施工不同步，结构布置不对等原因，会导致施工过程中内、外筒的变形存在一定差异。

在施工阶段，如果提前将内、外筒之间起协调变形作用的耗能伸臂进行固定，会使耗能伸臂上部楼层的竖向荷载大部分被伸臂承受，而无法通过外框柱向下传递，导致原本设计用来主要承受竖向荷载的外框柱严重浪费。相反，平时作为储备，一旦遇到大风、地震等特殊情况才发挥主要抗侧力作用的耗能伸臂提前“服役”。提前“服役”的直接影响是在耗能伸臂构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”，耗能伸臂节点处的焊缝可能被撕裂或因受拉而变形;间接影响是在结构建成后，在还未达到极限荷载状态的情况下就可能失效。基于此条件下，本方案采用耗能伸臂延迟连接来弥补这一缺陷。

（2）耗能伸臂“延迟连接”节点设计

在耗能伸臂与外框柱相连的位置设计了一种开放式连接“铰接+阻尼连接”。该节点由放大装置和粘滞阻尼器组成，放大装置上下两侧通过粘滞阻尼器与耗能伸臂上下弦杆连接，放大装置左右两侧通过铰接方式分别与耗能伸臂、环桁架连接。

图13 延迟连接节点大样图

（3）耗能伸臂连接的施工流程

在耗能伸臂施工过程中，首先对核心筒一侧节点进行焊接，耗能伸臂铰座耳板暂不焊接，待整楼封顶之后，调节耳板位置后再施焊，并连接粘滞阻尼器。随着工程的进展，对节点两侧内、外筒的变形进行监测，根据监测得到的内、外筒变形差值调节铰座耳板位置，使耗能伸臂相连的内、外筒在施工阶段竖向能够相对自由变形，从而达到对伸臂桁架的内力进行释放，待结构封顶且内、外筒的变形差稳定之后，再对外框架一侧的伸臂桁架“延迟连接”节点进行焊接固定。

（4）现场变形监测

在耗能伸臂铰座耳板位置和环桁架竖腹杆铰座耳板上设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始标高。采用全站仪对耗能伸臂节点两侧内、外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内、外筒变形差值调节竖腹杆上铰座耳板位置标高。

延迟连接节点监测点如图下所示：

图14 延迟连接节点监测点

伸臂桁架的安装分为两部分：核心筒内伸臂桁架构件安装和核心筒外伸臂桁架构件安装。由于核心筒领先于外框施工，因此先安装核心筒内伸臂桁架构件，待外框架施工至伸臂桁架层时，再安装外框伸臂桁架构件。

图15加强层耗能伸臂桁架整体效果图

耗能伸臂最大跨度为9383mm，其分段形式见下图：

图16 伸臂桁架分段形式

综合主塔地上钢结构施工进度、结构特点、受力形式、安全施工等因素，采取合理的安装顺序，具体流程如下：

a 复测安装钢柱定位；

b 安装耗能伸臂；

c 安装环桁架层相邻耗能伸臂；

本文以某超高层国际广场工程项目为例，通过对其工程概况、结构特点、安装技术的研究分析，得出以下结论：

（1）通过统计工程钢构件的类型规格，计算各构件的重量和尺寸，选择合适的吊装机械，确定构件卸货堆放地点，划分吊装的区域范围；

（2）通过采用耗能伸臂来提高结构的抗侧刚度，控制结构的顶部位移，降低了核心筒所承担的倾覆力矩；

（3）在耗能伸臂与外框柱相连的位置设计了一种开放式连接“铰接+阻尼连接”，此连接可弥补节点焊缝处撕拉、变形等的缺陷；并采用全站仪对耗能伸臂节点两侧内、外筒的竖向变形进行监测，根据监测得到的内、外筒变形差值调节竖腹杆上铰座耳板位置标高。

（4）针对超高层钢结构现场安装遇到大型节点构造复杂、安装现场狭小高危空间受限、单根超长超重斜向构件无法用缆风绳找正固定等情况，造成构件安装连接固定的困难。要求构件制作单位在制作厂进行构件预拼装，在构件上做好定位标记并焊接定位耳板，并标识相关构件参数，现场安装时可以根据定位耳板快速定位、定向安装，无需缆风找正，快速脱钩，极大地提高了安装精度和速度。

综上所述，超高层建筑安装施工中，钢结构的运用越来越多，钢材弹塑性较好，在抗震性能方面具有显著优势。同时由于采取加工厂集中制作模式，现场施工以吊装、焊接为主，施工速度较快、无污染，具有极大的推广应用价值。在超高层施工过程中，施工单位要注重对工程进行详细分析，结合实际情况选择合适的施工方法，规范落实各项工序，保证项目施工质量可靠、安全性好，真正打造优质工程。