概括：
超高层建筑项目的设计、施工过程相较于普通建筑更为复杂，在施工过程中需要承担更大的风险，因此对安装施工技术及材料提出了更高的要求。钢结构具有强度高、自重轻、施工效率高、可回收利用等诸多优势，随着超高层建筑技术的不断发展，钢结构的应用也越来越广泛。钢结构不仅能满足超高层建筑结构受力性能要求，而且其可回收利用的特性非常符合绿色建筑可持续发展的理念，因此研究超高层建筑钢结构安装技术具有十分重要的现实意义。本文主要以某超高层国际广场项目为例进行分析研究。
关键词：
超高层建筑；钢结构；安装
前言
01
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得到了很大的提高，对衣食住行等方面的要求也越来越高，尤其对生产生活所需的环境要求也越来越高。相关资料也表明，良好的生产生活环境有助于人们获得心理上的满足，从而更好地投入到生产生活中。超高层建筑一方面可以满足人们日益增长的生产生活需要，另一方面可以有效解决当前土地资源紧张的局面，因此可以说对社会经济发展和人民生活水平的提高有着十分显著的促进作用。在超高层建筑的建设过程中，钢结构的加工安装肯定是十分重要的一个环节，搞好钢结构施工，不仅可以提高超高层建筑的工程质量，还可以更好地保障广大人民群众的生命财产安全，充分发挥他们的主观能动性，以创造性思维推动我国社会主义建设。
项目概况
02
项目总建筑面积224830平方米，其中地上178030平方米，地下46800平方米。地下3层，地上由超高层塔楼及周边裙房组成。T1塔楼为超高层办公楼，地上51层，结构高度233.1米；T2塔楼为超高层商业建筑，地上37层，结构高度140.1米；商业裙房及剧场为地上3至4层，最大结构高度23米。本项目地下室连为一体，地面沿塔楼周边设置抗震缝，将地上部分划分为1#塔楼、2#塔楼、商业裙房、剧场四个独立的结构单元。结构示意图如下：
图1 结构图
2.1地上各机组基本技术指标如下：
图2 基本技术指标
2.2 项目功能与目的
项目建筑主要功能为办公、影剧院、配套商业设施及地下停车场。
结构特点
03
本工程钢结构较大，主要分布在地下室、1#塔楼、2#塔楼及剧场屋面。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。钢结构贯穿顶部，核心筒为H型钢柱，外框为圆管钢柱，32-33层为钢筋钢桁架；2#塔楼采用框架-剪力墙结构体系，地上37层，结构高度140.1m。3层以下分布核心筒H型钢柱，7层以下分布外框H型钢柱及十字钢柱； 剧场采用框架-剪力墙结构体系，地上3-4层，结构高度23.0m，大跨度钢桁架屋盖。钢结构材料主要为Q355B、Q355C、Q420GJC等。总用钢量约14637t，其分布如下图所示：
图3 某超高层国际广场钢结构分布
安装施工关键技术
04
超高层建筑钢结构的安装施工相对方便，钢构件在工厂加工后运输至施工现场，安装施工时采用起重机械按施工图纸要求将不同构件吊装到位。结合超高层钢结构安装的实践经验可知，由于本工程体量大、高度高，安装作业时必须制定专门的施工方案，精心组织作业，确保安装精度符合标准、连接牢固。本工程钢结构安装施工主要包括塔楼、裙房、地下室三部分，主要安装构件有钢柱、钢梁、桁架等，安装施工具体关键技术如下：
4.1施工机械的选择
在超高层钢结构安装施工时，施工机械的选择非常关键。钢结构的卸料、堆放、搬运、安装都必须依靠起重机械设备来完成。因此，在超高层钢结构安装施工前，必须进行现场勘察，对项目情况、场地大小、最大构件尺寸及重量进行综合分析，合理选择起重设备。
以本项目T1塔地面吊装为例分析：
T1塔分块后地上钢柱最大重量8.37t，由1#ZSL380（50m臂）、2#M400D（52.5m臂）两台塔机吊装。
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为42m，构件场在47.5m以内，此工况下塔机起重性能为9.3t＞8.37t，满足吊装要求。
吊装作业采用1#塔ZSL380（50m臂）动臂塔，构件安装时最大作业半径29m，构件场在30m以内，此工况下塔机起重性能为10.3t＞8.37t，满足吊装要求。
图4 ZSL380（R=50m 臂架）和M440D（R=52.5m 臂架）塔机布置图
图5 塔机M440D（R=52.5m臂架）性能参数
图6 ZSL380塔机性能参数（R=50m臂架）
T1塔钢梁最大重量7.62t，分布在F2层，采用2#M400D（52.5m臂）塔吊吊装，塔吊起重能力8.5t，作业半径50m，钢梁安装、堆放位置均在50m以内，满足吊装要求。
（1）钢结构吊装施工法。超高层钢结构的安装施工方法很多，不同的施工方法各有优缺点，可适用于不同规格、不同位置的钢构件安装。 ①高空散装法：将小单元、分件在设计位置进行组装，整个过程比较复杂，一般不需要使用大型起重设备。 ②条（块）安装法：地面组装后，吊装至高空，将各单元上下弦、腹板连接起来，高空作业量相对较小。 ③高空滑移法：采用滑轨方式将条状单元拼接起来。 ④整体吊装法：地面组装后，吊装到位，组装质量高，施工速度快。 ⑤整体提升法：地面组装后，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有不同的适用范围，总结如图7所示。钢结构安装时，需要根据工程情况综合考虑进度、质量、安全等因素，合理选择吊装方式，并注意落实吊点设计与核对工作，确保整个施工过程的安全可靠。
图7 不同吊装方式的适用范围
4.2钢构件安装施工工艺
超高层建筑钢结构安装过程要考虑多方面的因素，根据现场实际情况，对建筑工程的结构特点进行详细分析研究，考虑各种不利因素，如技术原因、工程造价限制、周围环境的影响等，这些都是施工时需要考虑的问题，具体有以下几个方面。
首先是预埋件的安装，在超高层钢结构预埋件安装过程中，需要做好以下几个方面，第一，预埋锚栓的轴线一定要加工好，在钢结构施工过程中，预埋精度对后期工程的施工以及整个工程的质量有着非常重要的影响，所以在钢柱吊装之前一定要做好相关的检查，确保后续的施工能够正常进行。第二，进行安全检查，在安装预埋件的过程中，一旦锚栓出现故障，一定要进行纠正或者更换钢结构预埋件施工方案，防止对后期的施工造成影响，同时也要做好螺纹的检查，对于损坏的螺纹也一定要按照技术规范进行处理，做好锚栓的保护工作。第三，妥善放置标高垫块，在浇筑混凝土之前一定要使用焊接的方式将标高垫块固定好，确保后期施工的顺利进行。第四，调整标高。 施工人员需要正确应用垫块，通过多次操作才能有效调整标高。在钢柱底部均匀放置四组垫块，这样就实现了调整标高这个最基本的动作；钢柱放置到施工规定的区域后，可以进一步进行调整，直到位置与施工设计的要求一致，然后再布置其他垫块。第五，做好分析。在预埋件安装过程中，如果不按照施工要求进行混凝土材料的浇注和振捣措施，锚栓的位置就会出现一定的偏差。施工人员必须进行适当的分析，确保减少混凝土浇注过程中的流动现象，避免造成锚栓移位。在进行混凝土振捣时，还必须确保钢筋不能与振捣器直接接触，防止锚栓移动。
第二是钢柱的安装。
钢柱吊装主要有四个步骤，第一是核对钢柱的轴线间距、基底标高、锚栓位置等信息，调整锚杆下螺母位置，准备好垫片。第二是在钢柱吊装前，在钢柱上安装爬梯并固定好。然后慢慢地将钢柱吊起，直到呈垂直状态并慢慢地放下，使锚孔对准锚杆，并确保钢柱轴线对准十字线，然后继续放下到设计标高。第三是通过风绳上的落链调整钢柱的垂直度，钢柱校准后，拧紧锚栓，拉紧风绳。第四是将柱脚铁块点焊在柱底板上，然后转入下一道工序施工。
图8 仰角校正和垂直度校正
主楼钢结构安装遵循从中间向两边安装的原则，在安装外框钢柱前，核心筒须高出外框三层以上，核心筒混凝土须达到设计强度的75%以上，塔吊才可以爬升。
图9 钢柱吊装示意图
钢柱安装注意事项：
（1）钢柱吊装应按照隔墙安装顺序进行，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好梯子，并清除柱上污物。
（3）吊点可利用钢柱临时连接耳板设置，吊点应对称布置，以保证钢柱起吊时保持垂直。
（4）柱定位轴线应直接从地面控制线基准线开始画出，不得从下部柱的轴线开始画出。
（5）可采用相对标高来控制结构的楼面标高。在钢柱吊装前，先从参考点画出控制标高，并标记在混凝土基础或钢柱上。此标高以后将用来确保结构标高符合设计和规范要求。
（6）已安装好的钢柱应及时进行初步校正，以方便后续钢柱的安装与校正。
（7）进行校正时，应综合考虑垂直度、轴线、标高、焊缝间隙等因素，各子项的偏差值应同时满足设计和规范的要求。
（8）上下钢柱间的连接板校正焊接完毕后，应及时切断，表面打磨平整，涂刷防锈漆。切断时应小心，不要损伤母体材料。
（9）本层钢柱、框架主梁吊装并用高强螺栓连接时，应督促土建单位及时在钢管柱内浇注混凝土。
第三是钢梁安装。
钢梁的吊装主要有四个步骤，第一是吊装前的检查，全面复核钢梁的定位轴线、标高、长度、截面尺寸、螺栓孔数量及大小后方可开始吊装。第二，当钢梁到达安装位置后，利用钢梁两端的滑绳，将其慢慢对准钢柱牛腿腹板，插入冲孔销和安装螺栓进行临时固定，同时对梁两端进行紧固和校正，确保每个节点安装的螺栓不少于总安装孔数的1/3。第三，调整梁两端焊接坡口间隙，符合设计及规范要求后，紧固安装螺栓，并将安全绳与两侧钢柱连接。第四，当钢梁安装完毕并与钢柱形成稳定的空间单元后，同时复核钢柱、钢梁的安装精度，复核合格后，最后紧固各节点上的安装螺栓。
图10 钢梁安装示意图
钢梁安装顺序为：
（1）同一平面内钢构件吊装顺序为由内至外、对称进行。
（2）立面钢构件吊装顺序为由下至上。
（3）构件吊装应按施工方案分段进行，吊装顺序为柱、主梁、次梁。
本工程根据塔地面钢结构施工进度、结构特点、受力形式、安全施工等因素，采用合理的安装顺序，自上而下进行钢梁安装。具体流程如下：
（1）先安装核心筒内钢柱。核心筒施工比外框钢结构提前六层。先安装外框角部钢柱。
（2）安装角钢梁，形成稳定的结构；
（3）从角部向中间安装外框架钢柱；
（4）安装中间钢柱与核心筒之间的钢梁；
（5）安装外框架梁；
（6）安装核心管与外框架之间钢梁；
（7）安装外框悬臂钢梁；
（8）安装外框次梁；
（9）标准地板安装完成。
第四是桁架层安装。钢结构桁架一般围绕核心筒分布，由上弦杆、下弦杆、腹杆连接。本工程加强层桁架由16个环桁架和8个吸能臂桁架组成。
本次安装环桁采用高空散拼安装，环桁安装顺序为下弦杆、上弦杆、垂直腹板、斜腹板。
图11 加强层环桁架整体效果
图 12 皮带桁架分段
环形桁架的安装过程如下：
（1）安装环桁架层相邻钢柱；
（2）安装环桁架层下钢框架梁；
（3）在环桁架层上安装钢框架梁；
（4）安装环桁架层下弦杆；
（5）安装环桁架层上弦杆；
（6）安装环桁架腹杆；
（7）安装环桁架层下部横梁；
（8）在环桁架层上安装次梁；
（9）安装外圈下梁；
（10）安装外圈上梁；
（11）完成单环桁架安装。其余环桁架安装步骤相同。
消能臂连接
（1）消能臂延伸技术应用
在水平荷载起控制作用的超高层建筑中，设置吸能悬臂可以改善结构的整体工作性能，从而提高结构侧向刚度，控制结构顶部位移，减少核心筒承受的倾覆力矩。但在吸能悬臂施工阶段，由于内外筒施工不同步，结构布置不对等，施工过程中内外筒的变形会存在一定的差异。
在施工阶段，如果起到协调内外管变形作用的吸能悬臂提前固定，吸能悬臂上部楼层的竖向荷载大部分会由悬臂承担，无法通过外框柱向下传递，导致原设计承受竖向荷载的外框柱严重浪费。相反，通常作为备用，在强风、地震等特殊情况下主要起到抵抗侧向力作用的吸能悬臂却提前“服役”。提前“服役”的直接影响是吸能悬臂构件内部产生不必要的“施工阶段残余应力”，吸能悬臂节点处焊缝可能因受拉而撕裂或变形；间接影响是结构建成后，可能在未达到极限荷载状态就发生破坏。 基于此情况，本方案采用吸能悬臂的延迟连接来弥补这一缺陷。
（2）耗能热潮“延时连接”节点设计
吸能悬臂与外框架柱连接处设计开放式连接“铰接+阻尼连接”，此节点由放大器和粘滞阻尼器组成，放大器的上下两侧通过粘滞阻尼器与吸能悬臂上弦杆连接，放大器的左右两侧分别通过铰接与吸能悬臂及环桁架连接。
图13：延迟连接节点图
（3）消能悬臂连接施工工艺
吸能悬臂施工时，先焊接核心筒一侧节点，吸能悬臂铰座耳板暂时不焊接。待整体建筑封顶后，调整耳板位置后再焊接，连接粘滞阻尼器。随着工程进展，监测节点两侧内外管变形情况，根据监测得到的内外管变形差值调整铰座耳板位置，使吸能悬臂连接的内外管在施工阶段能相对自由地竖向变形，从而释放悬臂桁架的内力。待结构封顶、内外管变形差值稳定后，再对外框一侧的悬臂桁架“延时连接”节点进行焊接固定。
（4）现场变形监测
在环桁的吸能臂架铰座耳板位置、立腹板上的耳板位置设置监测点，并在监测点处做永久标记，记录初始标高。利用全站仪监测吸能臂架节点两侧内外管竖向变形，根据监测得到的内外管变形差异调整立腹板上铰座耳板位置的标高。
延时连接节点监控点如下图所示：
图14 延时连接节点监控点
伸臂桁架安装分为核心筒内伸臂桁架组件安装和核心筒外伸臂桁架组件安装两部分。由于核心筒先于外框施工，因此先安装核心筒内伸臂桁架组件，当外框施工至伸臂桁架层时，再安装外框伸臂桁架组件。
图15 吸能悬臂桁架在加强层整体效果
吸能臂最大跨度为9383mm，其分段形式如下图所示：
图 16 支腿桁架分段
考虑主塔地面钢结构施工进度、结构特点、受力形式、安全施工等因素，采用合理的安装顺序。具体流程如下：
a.重新测量并安装钢柱定位；
b.安装消能臂；
c.安装环桁架层相邻消能支腿；
综上所述
05
本文以某超高层国际广场项目为例，通过对其工程概况、结构特点、安装技术等进行研究分析，得出以下结论：
（1）通过统计工程钢构件种类、规格，计算每件构件的重量、尺寸，选用合适的起重机械，确定构件卸货、堆放位置，划分吊装区域；
（2）通过采用吸能悬臂，提高结构侧向刚度，控制结构顶部位移，减小核心筒承受的倾覆力矩；
（3）吸能臂架与外框立柱连接处设计开放式连接“铰链+阻尼连接”，该连接可弥补节点焊缝处撕裂、变形的缺陷。利用全站仪对吸能臂架节点两侧内外管竖向变形进行监测，根据监测得到的内外管变形差异，调整竖腹板上铰链耳板位置标高。
（4）针对超高层钢结构安装连接难度大、大节点结构复杂、安装场地狭小、高危空间受限，以及单根超长超重斜拉构件无法用电缆、风绳找正固定等问题，要求构件制造单位在制造工厂内对构件进行预拼装，在构件上做好定位标记，焊接定位耳板，标注相关构件参数。现场安装时，可利用定位耳板进行快速定位、定向安装，无需电缆风绳找正、快速解钩，大大提高了安装精度和速度。
综上所述，钢结构在超高层建筑安装施工中应用越来越广泛。钢材具有良好的弹塑性性能，在抗震性能方面具有显著的优势。同时，由于加工厂集中化生产方式，现场施工以吊装焊接为主，施工速度快，无污染，具有很大的推广应用价值。在超高层建设过程中，建设单位应注意对工程进行详细分析，结合实际情况选择合适的施工方法，规范和落实各项工序钢结构预埋件施工方案，确保工程建设质量安全可靠，真正打造精品工程。
