钢结构具有强度高、抗震性能好、施工速度快等优点,因而广泛用于高层和超高层建筑。其缺点是用钢量大、造价高、防火要求高。
用于高层建筑的钢结构体系有:框架体系、框架剪力墙体系、框筒体系、组合筒体系、交错钢桁架体系等。筒体体系抗侧力的性好,高度很大的钢结构高层建筑多采用框架筒体系和组合筒体系。如110层、高411m的美国纽约世界贸易中心即框筒体系,外部为钢柱框筒,内部为钢框架。109层、高405m的美国芝加哥的西尔斯大厦即组合筒体系,44层(其中地下室一层)、高153.2lm的上海新锦江饭店属于框架剪力墙体系,在中间部位以钢板和钢支撑组成抗侧力结构。14层的上海金沙江大酒店即钢框架体系。
此外,近年来在高层建筑中还发展了一种钢——混凝土的组合结构。常用的有:组合框筒体系(外部为钢筋混凝土框筒,内部为钢框架)、混凝土核心筒支撑体系(核心为钢筋混凝土筒体,周围为钢框架)、组合钢框架体系(用混凝土包围钢柱和钢梁,并采用钢筋混凝土楼板)、墙板支撑的钢框架体系(用与钢框架有效连接的钢筋混凝土墙板等作为钢框架的支撑)等。
混凝上核心筒支撑体系施工时,中间的钢筋混凝土筒体与周围的钢框架同时进行施工。钢筋混凝土筒体用滑动模板、爬模、大模板等进行浇筑。一般比周围的钢框架超前3~5层,在现浇的钢筋混凝土筒体上预埋钢板或预留孔洞,以便与钢框架连接。周围的钢框架吊装与一般的钢结构高层建筑相同。
组合钢框架体系的施工,先吊装钢框架,然后在柱、梁周围组装模板、浇筑混凝土,钢框架的吊装业与一般的钢框架高层建筑相同。
一、钢结构安装前的准备工作
★ 1、 钢结构构件的预检和配套
钢结构构件在出厂前,制造厂应根据制造规范、规定和设计图纸的要求进行产品检验,填写质量报告和实际偏差值。在钢结构构件交付结构吊装单位后,结构吊装单位再在制造厂质量报告的基础上,根据构件种类分类,再进行复检或抽检。
钢结构吊装单位对钢构件预检的项目,主要是与施工安装质量和工效直接有关的项目,如:外形几何尺寸、螺孔大小和间距、预埋件位置、焊缝剖口、节点摩擦面、构件数量规格等。构件的内在制作质量以制造厂质量报告为准。至于构件预检的数量,一般是关键构件全部检查,其他构件抽查10%~20%,预检时应记录一切预检的数据。
★ 2、钢柱基础检查
第一节钢柱直接安装在钢筋混凝土柱基底板上。钢结构的安装质量和工效同柱基的定位轴线、基准标高直接有关。安装单位对柱基的预检重点是:定位轴线间距、柱基面标高和地脚螺栓预埋位置。其偏差要满足规范要求。
(1)检查定位轴线
定位轴线从基础施工起就应重视,先要做好控制桩。待基础浇筑混凝土后再根据控制桩将定位轴线引渡到桩基钢筋混凝土底板面上,然后预检定位线是否同原定位线重合、封闭,每根定位轴线的总尺寸误差值是否超过控制数,纵横定位轴线是否垂直、平行。定位轴线预检是在弹过线的基础上进行,预检是由业主、土建、安装三方联合进行,对检查数据要统一认可鉴定证明。
(2)检查柱间距
柱间距检查是在定位轴线认可的前提下进行,采用标准尺实测柱距(应是通过计算调整过的标准尺)。柱距偏差值应严格控制在±3mm范围内。因为定位轴线的交叉点是柱基中心点,是钢柱安装的基淮点,钢柱竖向间距以此为准,框架钢梁的连接螺孔的孔洞直径一般比高强螺栓直径大1.5mm~2.0mm,如柱距过大或过小,直接影响整个竖向框架梁的安装连接和钢柱的垂直,安装中还会有安装误差。
(3)检查单独柱基中心线
检查单独柱基的中心线同定位轴线之间的误差,调整柱基中心线使其同定位轴线重合,然后以柱基中心线为依据,检查地脚螺栓的预埋位置。
(4)检查柱基地脚螺栓
柱基地脚螺栓检查内容为:
1)检查螺栓长度。螺拴的螺纹长度应保证钢拄安装后螺母拧紧的需要;
2)检查螺栓垂直度。如误差超过规定必须矫直,矫直方法可用冷校法或火焰热校法。检查螺纹是否损坏,检查合格后在螺纹部分涂上油,盖好帽套加以保护;
3)检查螺栓间距。实测独立柱地脚螺栓组间的偏差值,绘制平面图表明偏差数值和偏差方向。与地脚螺栓相对应的钢柱安装孔,根据螺栓的检查结果进行调整,如有问题,应事先扩孔,以保证钢柱的顺利安装;
(5)实测基准标高
在柱基中心表面和钢柱底面之间,考虑到施工因素,规定有一定的间隙作为钢柱安装前的标高调整,该间隙我国的规范规定为50mm。基准标高点一般设置在柱基底板的适当位置,四周加以保护,作为整个高层钢结构工程施工阶段的标高的依据。以基准标高点为依据,对钢柱柱基表面进行标高实测,将测得的标高偏差用平面图表示之,作为临时支承际高块调整的依据。
★ 3、 标高块设置及柱底灌浆
为了精确控制钢结构上部结构的标高,在钢柱吊装之前,要根据钢柱预检(实际长度、牛腿间距离、钢柱底板平整度等)结果在柱子基础表面浇筑标高块。标高块用无收缩砂浆,立模浇筑,其强度不宜小于30N/mm2,标高块面须埋设厚度为l6~20mm的钢面板。浇筑标高块之前应凿毛基础表面,以增强粘结。
待第一节钢柱吊装、校正、和锚固螺栓固定后,要进行底层钢柱的柱底灌浆,灌浆前应在钢柱底板四周立模板,用水清洗基础表面,排除多余积水后灌浆。灌浆用砂浆基本上保持自由流动,灌浆从一边进行,连续灌注,灌浆后用湿草包或麻袋等遮盖养护。
★ 4、 钢构件现场堆放
按照安装流水顺序由中转堆场配套运进现场的钢构件,利用现场的装卸机械尽量将其就位到安装机械的回转半径内。由运输造成的构件变形,在施工现场要加以矫正。现场用地虽然紧张,但作结构安装阶段必要的用地还是必须安排的,例如,构件运输道路、地面起重机行走路线,辅助材料堆放,工作棚,部分构件堆放等。一般情况下,结构安装用地面积宜为结构上地面积的1.5倍,否则要顺利进行安装有困难。
★ 5 、安装机械的选择
高层钢结构安装皆用塔式起重机,要求塔式起重机的臂杆长度具有足够的覆盖面;要有足够的起重能力,以满足不同部位构件起吊的要求;钢丝绳容量要满足起吊高度要求;起吊速度要有足够档次,以满是安装需要;多机作业时,臂杆要有足够的高差,以保证各起重机安全运转。各塔式起重机之间应有足够的安全距离,确保臂杆不与塔身相碰。
如用附着式塔式起重机,锚固点应选择钢结构便于加固、有利于形成框架整体结构和有利于玻璃幕墙安装的部位。对锚固点应进行计算。
如用内爬式塔式起重机,爬升位置应满足塔身白由高度和每节柱单元安装高度的要求,塔式起重机所在位置的钢结构,在爬升前应焊接完毕,形成整体。
塔式起重机的具体选择和使用可参考有关施工手册。
★ 6、安装流水段的划分
高层钢结构安装需要按照建筑物平面形状、结构型式、安装机械数量和位置等划分流水段。
平面流水段划分应考虑钢结构安装过程中的整体稳定性和对称性,安装顺序一般由中央向四周扩展,以减少焊接误差。
立面流水段划分,以一节钢柱高度内所有构件作为一个流水段。
二、 钢结构构件安装与校正
钢结构高层建筑的柱子,多为3~4层一节,节与节之间用坡口焊连接。
在吊装第一节钢柱时,应在预埋的地脚螺栓上加设保护套,以免钢柱就位时碰坏地脚螺栓的丝牙。钢柱吊装前,应预先在地面上把操作挂篮、爬梯等固定在施工需要的柱子部位上。
钢柱的吊点在吊耳处(柱子在制作时于吊点部位焊有吊耳,吊装完毕再割去)。根据钢柱的重量和起重机的起重量,钢柱的吊装可用双机抬吊或单机吊装(下图)。单机吊装时需在柱子根部垫以垫木,以回转法起吊,严禁柱根拖地。双机抬吊时,钢柱吊离地面后在空中进行回直。
钢柱就位后,先调整标高,再调整位移,最后调整垂直度。柱子要按规范规定的数值进行校正,标准柱子的垂直偏差应校正到零。当上柱与下杆发生扭转错位时,可在连接上下柱的耳板处加垫板进行调整。
为了控制安装误差,对高层钢结构先确定际准柱,所谓标准柱即能控制框架平面轮廓的少数柱子,一般是选择平面转角柱位标准柱。正方形框架取4根转角柱;长方形框架当长边与短边之比大于2时取6根柱;多边形框架则取抓标注作为标准柱。
一般取标准柱的柱基中心线作为基准点,用激光经纬仪以基准点为依据对基准柱的垂直度机进行观测。在激光仪测量时,为了纠正由于钢结构震动产生的误差和仪器安装误差,机械误差等,激光以每测一次转动90o,在目标上共测4个激光点,以这4个激光点的相互交点位准测量安装误差(下图)。
为使激光束通过,在激光仪上方的金属或混凝土楼板上皆需固定或埋设一个小钢管。
钢柱标高的调整,每安装一节的钢柱后,对柱顶进行一次标高实测,标高误差超过6mm时,需要进行调整,一般用低碳钢板垫到规定要求。如误差过大,不宜一次调整,可先调整一部分,待下一次在调整,否则一次调整过大会影响支撑的安装和钢梁表面的标高。中间框架柱的标高宜稍高些,因为框架安装工期长,结构自重不断增大,中间柱承受的荷载较大,基础沉降也大。
钢柱轴线位移的校正,以下一节钢柱顶部的实际柱中心线为准,安装钢柱的底部对准下节钢柱的中心线即可。校正位移时应注意钢柱的扭转,钢柱扭转对框架安装不利。
钢梁在吊装前,应于柱子牛腿处检查标高和柱子间距,主梁吊装前,应在梁上装好扶手杆和扶手绳,待主梁吊装就位后,将扶手绳与钢柱系牢,以保证施工人员的安全。
一般在钢梁的上翼缘处开孔,作为吊点。吊点位置取决于钢梁的跨度。为加快吊装速度,对重量较小的次梁和其它小梁,多利用多头吊索一次吊装数根。
有时将梁、柱在地面组装成排架进行整体吊装,以减少高空作业,既能保证工程质量有能加快工程进度。
安装框架主梁时,要根据焊缝收缩量预留焊缝变形量。安装主梁时对柱子垂直度的监测,除监测安装主梁的柱子的两端垂直度变化外,还要监测相邻与主梁连接的各根柱子的垂直度变化情况,保证柱子除预留焊缝收缩之外,各项偏差均符合规范要求。
安装楼层压型钢板时,先在梁上画出压型钢板铺钢的位置线。铺放时要对正相邻俩排压型钢板的端头坡形槽口,以便使现浇层中的钢筋能顺利通过。
在每一节柱子的全部构件安装、焊接、拴接完成并验收合格后,才能从地面引测上一节柱子的定位轴线。
三、钢结构构件的连接施工
钢构件的现场连接是钢结构施工中的重要问题,对连接的基本要求是:提供设计要求的约束条件,应有足够的强度和规定的延性,制作和施工简便。
目前钢结构的现场连接,主要是用高强度螺栓和电焊连接。钢柱多为坡口电焊连接。梁与柱、梁与梁的连接视约束要求而定,有的用高强度螺栓,有的则坡口焊和高强度螺栓共用。
四、 安全施工措施
钢结构高层和超高层建筑施工,安全问题十分突出,应该采用有力措施保证安全施工:
★ 1、在柱、梁安装后而未设置浇筑楼板用的压型钢板时,为便于柱子螺栓等施工的方便需在钢梁上铺设适当数最的走道板。
★ 2、钢结构吊装时,为防止人员、物料和工具坠落或飞出造成安全事故,需铺设安全网。安全网分为平网和竖网(下图)。
安全平网设置在粱面以上2m处,当楼层高腹小于4.5m,时,安全平网可隔层设置。安全平网要求在建筑平面内铺满。
安全竖网铺设在建筑物外围,防止人和物飞出造成安全事故。竖网铺设的高度一般为俩节柱的高度。
★ 3、为便于接柱施工,在接柱处要设操作平台。平台固定在下节柱的顶部。
★ 4、钢结构施工需要许多设备,如电焊机、空压机、氧气瓶、乙炔瓶等,这些设备需随着结构安装而逐渐升高。为此,需在刚安装的钢梁上设置存放设备用的平台。设置平台的钢梁,不能只投入少量临时螺栓,而需将紧固螺栓全部投入并加以拧紧。
★ 5、为便于施工登高,吊装柱子前要先将登高钢梯固定在钢柱上。为便于进行柱梁节点紧固高强度螺栓和焊接,需在柱梁节点下方安装挂篮脚手。
★ 6、施工用的电动机械和设备均须接地,绝对不允许使用破损的电线和电缆,严防设备漏电。施工用电器和机械的电缆,须集中在一起,并随楼层的施工而逐节升高,每层楼面须分别设置配电箱,供每层楼面施工用电需要。
★ 7、高空施工,当风速为10m/秒时,如未采取措施吊装工作应该停止,当风速达到15m/秒时,所有工作均须停止。
★ 8、由于现场焊接为明火作业,因此,施工时还应该注意防火,提供必要的灭火设备和消防人员。