高層建筑的結構體系

王德敬

摘要:本文簡要介紹了高層、超高層建筑的結構體系,并結合“科技研發中心”超高層全鋼結構的制作與安裝及鋼結構主要構件的翻樣、下料、制作等各個重要環節的質量控制和材料選用提供一些粗淺的意見。對于支撐體系,消能減震裝置不在此文內介紹。

關鍵詞:超高層;智能大樓;節點域;MST組合梁

高層鋼結構建筑在國外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結構高層建筑在美國芝加哥拔地而起,到了二次世界大戰后由于地價的上漲和人口的迅速增長,以及對高層及超高層建筑的結構體系的研究日趨完善、計算技術的發展和施工技術水平的不斷提高,使高層和超高層建筑迅猛發展。鋼筋混凝土結構在超高層建筑中由于自重大,柱子所占的建筑面積比率越來越大,在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結構受到質疑;同時高強度鋼材應運而生,在超高層建筑中采用部分鋼結構或全鋼結構的理論研究與設計建造可說是同步前進。

1 高層及超高層結構體系

對于高層及超高層建筑的劃分,建筑設計規范、建筑抗震設計規范、建筑防火設計規范沒有一個統一規定,一般認為建筑總高度超過24m為高層建筑,建筑總高度超過60m為超高層建筑。

對于結構設計來講,按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場地的抗震設防烈度以經濟、合理、安全、可靠的設計原則,選擇相應的結構體系,一般分為六大類:框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系、框-筒結構體系、筒中筒結構體系、束筒結構體系。

高層和超高層建筑在結構設計中除采用鋼筋混凝土結構(代號RC)外,還采用型鋼混凝土結構(代號SRC),鋼管混凝土結構(代號CFS)和全鋼結構(代號S或SS)。

東南科技研發中心,建筑高度100m,柱網為8.4m,抗震設防烈度為6度,采用框架-剪力墻或框-筒結構體系較為經濟合理,這種結構體系的剪力墻或筒體是很好的抗側力構件,常常承擔了大部分的風載和地震荷載產生的水平側力,總體剛度大,側移小,且滿足玻璃幕墻的外裝飾要求。

2 材料的選用

鋼結構有很多優點,但其缺點是導熱系數大,耐火性差。隨著冶金技術的提高,耐火鋼的研究成功并投入生產,為鋼結構的進一步發展創造了條件。

目前寶鋼投入生產的有B400RNQ和B490RNQ兩種型號的耐火鋼,其物理力學指標、化學性能及抗沖擊韌性和可焊性,都能達到結構鋼的要求。普通鋼材當達到600℃的高溫時已完全喪失承載能力,寶鋼生產的這兩個品種鋼材當達到600℃時其屈服強度還有150～220Mpa。

一般高層和超高層建筑當采用框-剪、框-筒結構體系時的經濟性統計為:鋼結構造價=鋼材費用(約占40%)+制作安裝費用(約占30%)+防火涂料費用(約占30%),防火涂料所占總造價的比重較大。如果使用高強度耐火鋼雖價格略有上升,但防火涂料價格有較大幅度下降,可望部分抵消由此帶來的成本上升,而且可靠度及安全性有了一定的保障。

3 制作與安裝

3.1 統一測量儀器和鋼尺量具

建造一幢超高層大樓,涉及到土建、鋼結構、玻璃幕墻和各類設備的安裝,使用的測量儀器和使用的鋼尺必須由國家法定的同一計量部門由同一標準鑒定。高層、超高層建筑施工周期較長,尚需定期對測量儀器和鋼尺量具進行定期校驗以保證建筑物各項指標符合規定的指標。一般以土建部門的測量儀器和鋼尺量具為準。

3.2 定位軸線、標高和地腳螺栓

鋼柱的定位軸線可根據場地的寬窄,在建筑物外部或內部設置控制軸線。本工程高度在100m,設置二個控制樁,以供架設經緯儀或激光儀控制樁的位置,要求以能滿足通視、可視為原則。

鋼柱的長度以滿足起重量的大小和運輸的可能性,一般為2～3層為一節,對每一節柱子安裝不得使用下一節柱子的定位軸線,應從地面控制軸線引到高空,以保證每節柱子安裝正確無誤,避免產生累積誤差。

柱腳與鋼筋混凝土基礎的連接,一般采用埋入式剛性柱腳,地腳螺栓是在安裝就位第一節鋼柱時,控制平面尺寸和標高的臨時固定措施。

3.3 鋼柱的制作與安裝

鋼柱是高層、超高層建筑決定層高和建筑總高度的主要豎向構件,在加工制造中必須滿足現行規范的驗收標準。

100m高的超高層鋼柱一般分為8～12節構件,鋼柱在翻樣下料制作過程中應考慮焊縫的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形,所以鋼柱的翻樣下料長度不等于設計長度,即使只有幾毫米也不能忽略不計。而且上下兩節鋼柱截面完全相等時也不允許互換,要求對每節鋼柱應編號予以區別,正確安裝就位。

矩形或方形鋼柱內的加勁板的焊接應按現行規范要求采用熔嘴電渣焊,不允許采用其他如在箱板上開孔、槽塞焊等形式。

鋼柱標高的控制一般有二種方式: 按相對標高制作安裝。鋼柱的長度誤差不得超過3mm,不考慮焊縫收縮變形和豎向荷載引起的壓縮變形,建筑物的總高度只要達到各節柱子制作允許偏差總和及鋼柱壓縮變形總和就算合格,這種制作安裝一般在12層以下,層高控制不十分嚴格的建筑物。按設計標高制作安裝。一般在12層以上,精度要求較高的層高,應按土建的標高安裝第一節鋼柱底面標高,每節鋼柱的累加尺寸總和應符合設計要求的總尺寸。每一節柱子的接頭產生的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形應加到每節鋼柱加工長度中去。

無論采用何種安裝方式,都應在翻樣下料制作過程中充分表達出來,并應符合設計要求的總高度。

3.4 框架梁的制作與安裝

高層、超高層框架梁一般采用H型鋼,框架梁與鋼柱宜采用剛性連接,鋼柱為貫通型,在框架梁的上下翼緣處在鋼柱內設置橫向加勁肋。

框架梁應按設計編號正確就位。為保證框架梁與鋼柱連接處的節點域有較好的延性以及連接可靠性和樓層層高的精確性,在工廠制造時,在框架梁所在位置設置懸臂梁(短牛腿),懸臂梁上下翼緣與鋼柱的連接采用剖口熔透焊縫,腹板采用貼角焊縫。框架梁與鋼柱的懸臂梁(短牛腿)連接,上下翼緣的連接采用襯板(兼引弧板)全熔透焊縫,腹板采用高強螺栓連接。由于鋼筋混凝土施工允許偏差遠遠大于鋼結構的精度要求,當框架梁與鋼筋混凝土剪力墻或鋼筋混凝土筒壁連接時,腹板的連接板可開橢圓孔,橢圓孔的長向尺寸不得大于2d0(d0為螺栓孔徑),并應保證孔邊距的要求。

框架梁的翻樣下料長度同樣不等于設計長度,需考慮焊接收縮變形。焊接收縮變形可用經驗公式計算再按實際加工之后校核,確定其翻樣下料的精確長度。框架梁上下翼緣的連接可采用高強螺栓連接或焊接連接,目前大部分采用帶襯板的全熔透焊接連接。施工時先焊下翼緣再焊上翼緣,先一端點焊定位,再焊另一端。腹板則采用高強度螺栓連接,要充分理解設計時采用摩擦型還是承壓型高強螺栓。采用摩擦型高強螺栓的摩擦系數應選用合理。采用高強螺栓群連接時,孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多軸數控鉆孔,前者精度低,后者精度高,應優先考慮采用后者。當采用模板制孔時,應保證模板的精度,以確保高強螺栓的組裝孔和工地安裝孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允許使用鉸刀擴孔。嚴禁使用氣割擴孔,若用氣割擴孔,則應按重大質量事故處理。高強螺栓群應同一方向插入螺栓孔內,高強螺栓群的擰緊順序應由中心按幅射方向逐層向外擴展,初擰和終擰都得按預先設定的鮮明色彩在螺帽頭上加以表示。

4 樓蓋的設計

高層、超高層建筑的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度,是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側力構件,同時使鋼柱與各豎向構件(剪力墻或筒體)起到變形協調作用。

一般鋼結構建筑物的樓板和屋蓋,都采用軋制的壓型鋼板加現澆鋼筋混凝土(簡稱鋼承混凝土)樓板和屋蓋,厚度一般不小于150mm。目前在設計鋼承混凝土樓板和屋蓋時沒有考慮鋼承混凝土樓板和屋蓋與鋼梁共同作用。主要是對于板底呈波形的計算原理不甚了解或認為計算繁瑣,就按平板計算,這樣既不安全又增加了鋼梁的用鋼量。

如果采用鋼梁與鋼承混凝土樓板共同作用,簡稱MST組合梁,只要計算正確,配筋合理,栓釘可靠,則可以節約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右,而且不需對鋼梁進行穩定驗算。