浅谈高层建筑钢结构设计

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　　摘要：钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来越大，在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑；同时高强度钢材应运而生，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。
　　关键词：高层钢结构 设计与施工
　　前言
　　钢结构应用于高层建筑已有数十年的历史。首先采用钢结构建造高层建筑的是美国，战后经过经济恢复，高层钢结构工程建设再度兴起，随着炼钢技术和成型制造工艺的发展，给钢结构工程的应用带来新的活力：工程建设日益增加，相应又推动了钢结构设计与施工技术的不断进步积完善
　　1 高层及超高层结构体系
　　对于高层及超高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑抗震设计规范、建筑防火设计规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过24m为高层建筑，建筑总高度超过60m为超高层建筑。
　　对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框-筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。
　　高层和超高层建筑在结构设计中除采用钢筋混凝土结构外，还采用型钢混凝土结构，钢管混凝土结构和全钢结构。
　　2该如何判断结构是否适合用钢结构
　　钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。
　　3结构选型与结构布置
　　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。
　　运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
　　钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。
　　其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。
　　结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落。
　　结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀。力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。
　　柱间抗侧支撑的分布应均匀。其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。 否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。
　　4 钢结构设计的主要内容
　　焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守，焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345，Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50。
　　焊接设计中不得任意加大焊缝。 焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。
　　栓接: 铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用，通螺栓抗剪性能差， 可在次要结构部位使用，高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同，高强螺栓最小规格M12。 常用M16~M30。 超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。
　　自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。 国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。
　　连接板: 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm。 然后验算净截面抗剪等。
　　梁腹板: 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。
　　节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。
　　节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
　　5 钢结构制作与安装
　　5.1 钢柱的安装
　　钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件，在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。
　　100m高的超高层钢柱一般分为8～12节构件，钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊缝的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形，所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度，即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换，要求对每节钢柱应编号予以区别，正确安装就位。
　　矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊，不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。
　　钢柱标高的控制一般有二种方式：
　　(1)按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm，不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形，建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格，这种制作安装一般在12层以下，层高控制不十分严格的建筑物。
　　(2)按设计标高制作安装。一般在12层以上，精度要求较高的层高，应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高，每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。
　　5.2 框架梁的制作与安装
　　高层、超高层框架梁一般采用H型钢，框架梁与钢柱宜采用刚性连接，钢柱为贯通型，在框架梁的上下翼缘处在钢柱内设置横向加劲肋。
　　框架梁应按设计编号正确就位。
　　为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性，在工厂制造时，在框架梁所在位置设置悬臂梁(短牛腿)，悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接采用剖口熔透焊缝，腹板采用贴角焊缝。框架梁与钢柱的悬臂梁（短牛腿）连接，上下翼缘的连接采用衬板(兼引弧板)全熔透焊缝，腹板采用高强螺栓连接。
　　由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求，当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时，腹板的连接板可开椭圆孔，椭圆孔的长向尺寸不得大于2d0（d0为螺栓孔径），并应保证孔边距的要求。
　　框架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度，需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算再按实际加工之后校核，确定其翻样下料的精确长度。
　　框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接，目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘，先一端点焊定位，再焊另一端。
　　腹板则采用高强度螺栓连接，要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。
　　采用高强螺栓群连接时，孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多轴数控钻孔，前者精度低，后者精度高，应优先考虑采用后者。当采用模板制孔时，应保证模板的精度，以确保高强螺栓的组装孔和工地安装孔的精度要求。如果孔位局部偏差，只允许使用铰刀扩孔。严禁使用气割扩孔，若用气割扩孔，则应按重大质量事故处理。
　　6 结语
　　总之，我国正在大力发展钢结构高层民用建筑，我们应及时组织考察总结已建成的钢结构工程的经验，满足住宅在适用性能、环境性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求，形成完善的建筑体系。但愿我国的钢结构高层民用建筑能够经得住历史的考验

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