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摘要：本文从高层建筑钢结构的特点入手，通过对钢结构的特点、设计内容、施工工艺等进行方面入手，对高层建筑钢结构的设计内容及施工工艺进行了重点论述。
关键词：高层建筑；钢结构；设计；施工工艺
一、高层建筑钢结构的主要特点
（一）自重轻、强度高
采用钢结构承重骨架， 比钢筋混凝土结构轻1/3以上。结构自重轻，可以减少运输和吊装费用，基础的负载也相应减少，在地质条件较差地区，可以降低基础造价。
（二）抗震性能好
钢材的弹塑性性能好， 地震作用下具有良好的延性。自重轻也显著减少地震作用，一般可减少40%左右
（三）有效使用面积高
构件断面小，所占面积小；同时还可适当降低建筑层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比，可相应增加建筑使用面积约4%。
（四）建造速度快
构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构相比. 一般可缩短建设周期约1/4～1/3。
（五）防火性能差
无耐火防护的钢构件，其平均耐火时限约15min左右，明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必须用专门的防火涂料防护，以满足防火规范的要求。
二、高层建筑钢结构设计的主要内容
（一）方案设计
除了要考虑建筑的使用功能以及施工工艺性能外，还必须因地制宜，对方案的总体进行设计。对于高层建筑钢结构而言，建筑承受的主要载荷是以风载及地震作用为主，这与以承受竖向载荷为主的一般建筑物不同，其设计的一个主要目的就是要减少侧移，防止出现扭转现象，避免在建筑中出现薄弱层面及薄弱环节。
高层建筑的抗侧力结构体系的设计还需要考虑到建筑物的高度。同时，在进行结构布置时要与建筑师进行共同的设计，确保钢结构具有相当的侧向刚度与承载能力，并使载荷能够在平面及立面上均匀分布。之后，在对结构体系确定的基础上再对柱网尺寸及楼盖的结构体系进行确认，最终保证设计方案的经济合理。
（二）构件设计
对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到以下几点。
1.要结合具体工程的实际情况对构件的结构形式进行创新，采用新的连接方式，形成新的连接方法与高效截面。例如，在建筑地基条件较好时，可以采用插入式柱脚、采用T型钢代替双角钢进行焊接组合截面，这样可以有效地减少涂料使用，对于防锈有较好的作用。
2.结构的力学计算要达到相当的可靠性。在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。
3.对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态（这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算），对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。这主要是因为钢结构都是空间工作，同时构件间的连接点都是半刚性的，结构间的应力状态相当复杂，再精确的计算模型都不可能完全反映出真实的受力情况，其间的差距是不可避免的。因此，进行设计时要根据概念以及经验对结果加以适当的调整和估算，这样才能使计算结果合理化。
4.要根据结构的外围环境进行具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化。
三、高层建筑钢架构的施工工艺分析
（一）焊接工艺
由于型材的种类以及型材材质的多样性，焊接时存在一定的特殊性，所以要从焊前预处理、焊接工艺以及焊后处理等几个方面加以保证。
1.焊前预处理。①应认真做好焊前的各项准备工作；②根据焊缝接头的不同形式，选择适当的焊接方法；③根据焊缝接头的坡形以及焊接的技术要求，正确安装引弧板、引出板以及背面衬板等辅助焊接工具；④根据具体的焊接环境选择合理的预热处理工艺。
2.施焊工艺。除了选择合适的焊接电流及焊条直径外，还必须注意焊接中的相关工艺。例如，应该在起焊点前面的15～20mm处的焊缝隙内的焊接母材上引燃电弧，之后将电弧拉长并回到起焊点，预热片刻之后再压短电弧，将熔池熔透并填满到一定的厚度，然后将焊条向前移动，直到形成一个完整的焊缝；若接头有全熔透要求，尤其是在V形、X形、K形坡口间的对接或者是T形接头时，背面第一层焊缝往往容易出现不能焊透、夹渣或者是裂缝等焊接缺陷，这时要进行彻底的清根之后再进行焊接。
3.焊后处理。焊后处理主要是为了保证焊缝不出现凹陷、超高、气孔、咬边、未熔合以及裂纹等现象。同时，还应该采用超声波无损探伤，尤其是要对受力点进行充分检查。
（二）组装工艺
1.结构相对简单、批量较小零部件的组装可按照图纸在平台上划出各组装零件的装配定位线，实现各组装构件间的装配。
2.H型钢结构的组装。首先要按照图纸制作出组装胎模，通常用一块翼缘板作为定位的基准面，然后利用腹板从另一个侧向增加水平推力，这样就能够依靠翼缘板及腹板的自重，使其固定于工作位置上。
3.箱形结构组装。首先应根据图纸的要求，在箱形结构的盖板、腹板以及隔板的组装面上用粉线弹出组装线。然后以下盖板以及某一侧腹板作为基准面，按照粉线安装好腹板、隔板。在安装的过程中，通常采用从一个方向进行安装，在定位中部的隔板后再对腹板进行定位，然后采用对称的顺序进行定位点焊。
（三）安装与检测
1.钢结构成品的检验。结构成品的检验主要包括构件的成品检验以及针对工厂预组装的检验。在对各个项目进行检验的过程中，应该按照相关的国家和行业标准、设计的要求以及钢结构的使用状态来进行检验。检验的主要内容包括构件的外形尺寸、构件间连接的位置与变形量以及构件部位连接的细节等。尤其是对于大型的钢结构件，为了保证其总体的安装精度，在工厂的组装完成后要按照《钢结构工程施工质量验收规范》及相关的技术文件进行检验，并组织验收。
2.构件的运输。运输是钢结构构件施工中的一个重要环节，要根据构件的形状、重量和运输条件、安装现场的条件，合理选择总体制造+拆成单元运输、总体制造+总体运输、分段制造+分段运输的形式。在运输过程中，要避免装卸车、运输及起吊过程中造成的变形问题，因此要采取必要的临时加固支撑措施。在运输前要了解沿线公路、桥梁、电力设施以及地下管线等的具体情况，确保运输过程中没有障碍。
3.施工测量。钢结构安装之前要对施工对象进行测量，其工作的好坏直接关系到整个钢结构安装质量的好坏以及安装进程的顺利与否。测量过程中要做好下面几项工作：对设计图纸进行进一步的确认与审核；对测量定位所依据的测点进行再次校测；对测量器具进行调校；确定科学的测量方案，并做好数据准备；高层建筑钢结构的测量验线以及在安装阶段的测量放线。
4.钢结构拼装。拼装工作主要是由于现场起吊设备以及运输中的条件限制使构件在长度及重量上发生一些改变，在施工现场必须要对之进行二次拼装。
四、结语
钢结构工程具有跨度大、施工速度快以及造价低的特点，在很多的建筑主体工程中被采用。因此，在钢结构的设计及施工过程中，要从结构的质量以及安全性方面出发，同时兼顾经济效益及施工进度，这样才能实现钢结构的质量、安全及使用效能综合性能的最佳。
关键词：高层建筑；钢结构；设计；施工工艺
一、高层建筑钢结构的主要特点
（一）自重轻、强度高
采用钢结构承重骨架， 比钢筋混凝土结构轻1/3以上。结构自重轻，可以减少运输和吊装费用，基础的负载也相应减少，在地质条件较差地区，可以降低基础造价。
（二）抗震性能好
钢材的弹塑性性能好， 地震作用下具有良好的延性。自重轻也显著减少地震作用，一般可减少40%左右
（三）有效使用面积高
构件断面小，所占面积小；同时还可适当降低建筑层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比，可相应增加建筑使用面积约4%。
（四）建造速度快
构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构相比. 一般可缩短建设周期约1/4～1/3。
（五）防火性能差
无耐火防护的钢构件，其平均耐火时限约15min左右，明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必须用专门的防火涂料防护，以满足防火规范的要求。
二、高层建筑钢结构设计的主要内容
（一）方案设计
除了要考虑建筑的使用功能以及施工工艺性能外，还必须因地制宜，对方案的总体进行设计。对于高层建筑钢结构而言，建筑承受的主要载荷是以风载及地震作用为主，这与以承受竖向载荷为主的一般建筑物不同，其设计的一个主要目的就是要减少侧移，防止出现扭转现象，避免在建筑中出现薄弱层面及薄弱环节。
高层建筑的抗侧力结构体系的设计还需要考虑到建筑物的高度。同时，在进行结构布置时要与建筑师进行共同的设计，确保钢结构具有相当的侧向刚度与承载能力，并使载荷能够在平面及立面上均匀分布。之后，在对结构体系确定的基础上再对柱网尺寸及楼盖的结构体系进行确认，最终保证设计方案的经济合理。
（二）构件设计
对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到以下几点。
1.要结合具体工程的实际情况对构件的结构形式进行创新，采用新的连接方式，形成新的连接方法与高效截面。例如，在建筑地基条件较好时，可以采用插入式柱脚、采用T型钢代替双角钢进行焊接组合截面，这样可以有效地减少涂料使用，对于防锈有较好的作用。
2.结构的力学计算要达到相当的可靠性。在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。
3.对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态（这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算），对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。这主要是因为钢结构都是空间工作，同时构件间的连接点都是半刚性的，结构间的应力状态相当复杂，再精确的计算模型都不可能完全反映出真实的受力情况，其间的差距是不可避免的。因此，进行设计时要根据概念以及经验对结果加以适当的调整和估算，这样才能使计算结果合理化。
4.要根据结构的外围环境进行具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化。
三、高层建筑钢架构的施工工艺分析
（一）焊接工艺
由于型材的种类以及型材材质的多样性，焊接时存在一定的特殊性，所以要从焊前预处理、焊接工艺以及焊后处理等几个方面加以保证。
1.焊前预处理。①应认真做好焊前的各项准备工作；②根据焊缝接头的不同形式，选择适当的焊接方法；③根据焊缝接头的坡形以及焊接的技术要求，正确安装引弧板、引出板以及背面衬板等辅助焊接工具；④根据具体的焊接环境选择合理的预热处理工艺。
2.施焊工艺。除了选择合适的焊接电流及焊条直径外，还必须注意焊接中的相关工艺。例如，应该在起焊点前面的15～20mm处的焊缝隙内的焊接母材上引燃电弧，之后将电弧拉长并回到起焊点，预热片刻之后再压短电弧，将熔池熔透并填满到一定的厚度，然后将焊条向前移动，直到形成一个完整的焊缝；若接头有全熔透要求，尤其是在V形、X形、K形坡口间的对接或者是T形接头时，背面第一层焊缝往往容易出现不能焊透、夹渣或者是裂缝等焊接缺陷，这时要进行彻底的清根之后再进行焊接。
3.焊后处理。焊后处理主要是为了保证焊缝不出现凹陷、超高、气孔、咬边、未熔合以及裂纹等现象。同时，还应该采用超声波无损探伤，尤其是要对受力点进行充分检查。
（二）组装工艺
1.结构相对简单、批量较小零部件的组装可按照图纸在平台上划出各组装零件的装配定位线，实现各组装构件间的装配。
2.H型钢结构的组装。首先要按照图纸制作出组装胎模，通常用一块翼缘板作为定位的基准面，然后利用腹板从另一个侧向增加水平推力，这样就能够依靠翼缘板及腹板的自重，使其固定于工作位置上。
3.箱形结构组装。首先应根据图纸的要求，在箱形结构的盖板、腹板以及隔板的组装面上用粉线弹出组装线。然后以下盖板以及某一侧腹板作为基准面，按照粉线安装好腹板、隔板。在安装的过程中，通常采用从一个方向进行安装，在定位中部的隔板后再对腹板进行定位，然后采用对称的顺序进行定位点焊。
（三）安装与检测
1.钢结构成品的检验。结构成品的检验主要包括构件的成品检验以及针对工厂预组装的检验。在对各个项目进行检验的过程中，应该按照相关的国家和行业标准、设计的要求以及钢结构的使用状态来进行检验。检验的主要内容包括构件的外形尺寸、构件间连接的位置与变形量以及构件部位连接的细节等。尤其是对于大型的钢结构件，为了保证其总体的安装精度，在工厂的组装完成后要按照《钢结构工程施工质量验收规范》及相关的技术文件进行检验，并组织验收。
2.构件的运输。运输是钢结构构件施工中的一个重要环节，要根据构件的形状、重量和运输条件、安装现场的条件，合理选择总体制造+拆成单元运输、总体制造+总体运输、分段制造+分段运输的形式。在运输过程中，要避免装卸车、运输及起吊过程中造成的变形问题，因此要采取必要的临时加固支撑措施。在运输前要了解沿线公路、桥梁、电力设施以及地下管线等的具体情况，确保运输过程中没有障碍。
3.施工测量。钢结构安装之前要对施工对象进行测量，其工作的好坏直接关系到整个钢结构安装质量的好坏以及安装进程的顺利与否。测量过程中要做好下面几项工作：对设计图纸进行进一步的确认与审核；对测量定位所依据的测点进行再次校测；对测量器具进行调校；确定科学的测量方案，并做好数据准备；高层建筑钢结构的测量验线以及在安装阶段的测量放线。
4.钢结构拼装。拼装工作主要是由于现场起吊设备以及运输中的条件限制使构件在长度及重量上发生一些改变，在施工现场必须要对之进行二次拼装。
四、结语
钢结构工程具有跨度大、施工速度快以及造价低的特点，在很多的建筑主体工程中被采用。因此，在钢结构的设计及施工过程中，要从结构的质量以及安全性方面出发，同时兼顾经济效益及施工进度，这样才能实现钢结构的质量、安全及使用效能综合性能的最佳。