高層建筑鋼結構的發(fā)展與應用

陳曉千

摘 要：本文簡要介紹了高層、超高層建筑的結構體系，通過對國內(nèi)已建和在建的高層建筑鋼結構國產(chǎn)化問題的調(diào)研，分析了在鋼材、設計、施工和監(jiān)理等方面國產(chǎn)化所面臨的主要問題，為高層建筑鋼結構的發(fā)展提出了一些建議。

關鍵詞：高層；鋼結構；發(fā)展；體系；施工

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(zhàn)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(fā)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(fā)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(zhì)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。

超高層建筑的發(fā)展體現(xiàn)了發(fā)達國家的建筑科技水平、材料工業(yè)水平和綜合技術水平，也是建設部門財力雄厚的象證。

1 我國的高層與超高層鋼結構建筑的發(fā)展

我國的高層與超高層鋼結構建筑自改革開放以來已有20年的歷史，并在設計和施工中積累了不少經(jīng)驗，已有我國自行編制的《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》JGJ99-98。

1.1 鋼材的國產(chǎn)化

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)根據(jù)我國高層建筑鋼結構設計標準的要求，制定我國第一部高層建筑鋼結構的鋼材標準《高層建筑結構用鋼板》(YB4104-2000)，比目前仍在實施的《低合金高強度結構鋼》(GB|T1591-94)又前進了一步，其性能指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

1.2 鋼結構設計國產(chǎn)化

截止2003年3月，我國已建和在建的高層建筑鋼結構有60余幢，按其結構類型劃分，鋼框架RC核心筒占4314%，SRC框架-RC核心筒占1617%，二者合材6011%;鋼框架-支撐體系占1813%;巨型框架占813%;純鋼框架占617%，筒體和鋼管混凝土結構各占313%。統(tǒng)計表明，目前我國高層建筑鋼結構以混合結構為主。鑒于我國對混合結構尚未進行系統(tǒng)的研究，所以《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)暫不列入這種結構類型是合理的。國家標準《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(1GJ99-98)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)等有關高層建筑最大高度和最大高寬比的規(guī)定，在一般情況下，應遵守規(guī)范的規(guī)定，否則應進行專項論證或試驗研究。

建設部第111號令《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》和建質(zhì)[2003]46號文《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，對加強高層建筑鋼結構設計質(zhì)量控制意義重大，具有可操作性。

鋼結構設計分兩個階段，即設計圖階段和施工詳圖階段。現(xiàn)在有的設計院完全采取國外設計模式，無構件圖、節(jié)點圖和鋼材表等，對工程招投標和施工詳圖設計帶來不便。因此，建議有關部門對此做出具體規(guī)定。關于節(jié)點設計問題，國內(nèi)應多做一些理論和試驗研究工作，比如柱梁同鋼性節(jié)點塑性較外移和防止焊接節(jié)點的層狀撕裂等。由干鋼結構的阻尼比較低，在研發(fā)各種耗能支撐和節(jié)點的破震悄能體系方面，國際上研究和應用較多，國內(nèi)應加快進行此方面的研究。

2 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(guī)范、建筑抗震設計規(guī)范、建筑防火設計規(guī)范沒有一個統(tǒng)一規(guī)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開烈度以經(jīng)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。

3 鋼結構制作與安裝

3.1 鋼柱的安裝

鋼柱是高層、超高層建筑決定層高和建筑總高度的主要堅向構件，在加工制造中必須滿足現(xiàn)行規(guī)范的驗收標準。100m高的超高層鋼柱一般分為8-12節(jié)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(jié)鋼柱截面完全相等時也不允許互換，要求對每節(jié)鋼柱應編號予以區(qū)別，正確安裝就位。矩形或方形鋼柱內(nèi)的加勁板的焊接應按現(xiàn)行規(guī)范要求采用熔嘴電渣焊，不允許采用其他如在箱板上開孔、槽塞悍等形式。

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堅向荷載引起的壓縮變形，建筑物的總高度只要達到各節(jié)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(jié)銅柱底面標高.每節(jié)鋼柱的累加尺寸總和應符合設計要求的總尺寸。每一節(jié)柱子的接頭產(chǎn)生的收縮變形和堅向荷載作用下引起的壓縮變形應加到每節(jié)鋼柱加工長度中去。

3.2 框架梁的制作與安裝

高層、超高層框架梁一般采用H型鋼，框架梁與鋼柱直采用剛性連接，鋼柱為貫通型，在框架梁的上下翼緣處在鋼柱內(nèi)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(jié)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。

由于鋼筋程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2dO(dO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(jīng)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。

腹板貝IJ采用高強度螺栓

連接，要充分理解設計肘采用摩棒型還是承壓型高強螺栓。采用摩擦型高強螺栓的摩擦系數(shù)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(shù)控鉆孔，前者精度低，后者精度高，應優(yōu)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。如果孔位局部扁差，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(zhì)量事故處理。