高層建筑鋼砼結(jié)構(gòu)體系理論的簡(jiǎn)要介紹

摘要：全新的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)作為第五種新型建筑結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性和優(yōu)點(diǎn)，由于該結(jié)構(gòu)在超高層建筑中自重大，柱子所占的建筑面積比率比較大，在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑。本文介紹高強(qiáng)度鋼材的特性，研究了在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論，并討論了制作與安裝。

關(guān)鍵詞：高層建筑 鋼砼 體系 制作

鋼管混凝土（即鋼管砼－CFST）是鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)之一，它是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構(gòu)件，由于承載力高、抗震性能好、節(jié)約鋼材和施工簡(jiǎn)捷等方面的優(yōu)點(diǎn)，在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用。鋼管混凝土發(fā)展的速度迅速，它將成為二十一世紀(jì)高層和超高層建筑群最為實(shí)用和主要的結(jié)構(gòu)形式。按照其組合方式又可分為：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼－混凝土組合梁、外包鋼組合結(jié)構(gòu)和勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等四種。它們的共同特點(diǎn)是：施工簡(jiǎn)便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好且大大節(jié)約建筑材料。

1 高層及超高層結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于高層及超高層建筑的劃分，建筑設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范沒有一個(gè)統(tǒng)一規(guī)定，一般認(rèn)為建筑總高度超過(guò)24m為高層建筑，建筑總高度超過(guò)60m為超高層建筑。

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度以經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的設(shè)計(jì)原則，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系，一般分為六大類：框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框—筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系。

高層和超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（代號(hào)RC）外，還采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)（代號(hào)SRC），鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（代號(hào)CFS）和全鋼結(jié)構(gòu)（代號(hào)S或SS）。

東南科技研發(fā)中心，建筑高度100m，柱網(wǎng)為8.4m，抗震設(shè)防烈度為6度，采用框架—剪力墻或框—筒結(jié)構(gòu)體系較為經(jīng)濟(jì)合理，這種結(jié)構(gòu)體系的剪力墻或筒體是很好的抗側(cè)力構(gòu)件，常常承擔(dān)了大部分的風(fēng)載和地震荷載產(chǎn)生的水平側(cè)力，總體剛度大，側(cè)移小，且滿足玻璃幕墻的外裝飾要求。

2 鋼管砼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼管砼在高層建筑工程中，主要是作為受壓管柱的建筑構(gòu)件使用，與鋼梁和梁柱節(jié)點(diǎn)等共同構(gòu)成建筑物的框架結(jié)構(gòu)體系。

鋼管砼柱因其結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質(zhì)。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內(nèi)部充填混凝土材料，因鋼管壁對(duì)管內(nèi)混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內(nèi)混凝土的脆性破壞。實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，鋼管混凝土在軸向壓力作用下，鋼管的軸向和徑向受壓而環(huán)向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的混凝土抗壓強(qiáng)度大大提高，同時(shí)塑性增大，其物理性能上發(fā)生了質(zhì)的變化，由原來(lái)的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧稀Ｕ沁@種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點(diǎn)，并作為新型的第五種建筑組合結(jié)構(gòu)顯示出巨大的生命力和發(fā)展前景。

在高層建筑中，鋼管砼的特征與優(yōu)勢(shì)如下：

①鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當(dāng)于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上；

②鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上，輪廓尺寸也比鋼柱小，擴(kuò)大了建筑物的使用空間和面積；

③柱子截面減小，自重減小，有利于結(jié)構(gòu)抗震，相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一級(jí)；

④鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應(yīng)降低了地基基礎(chǔ)造價(jià)；

⑤鋼管壁薄便于選材、制造與現(xiàn)場(chǎng)焊接，是施工最為快捷的建筑結(jié)構(gòu)；

⑥鋼管砼柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優(yōu)于鋼柱，從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上；

⑦鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性，利于剛剛問世的C60～80高強(qiáng)度混凝土安全可靠地推廣應(yīng)用。

由于上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，采用鋼管砼柱時(shí)可節(jié)省大量的建筑材料，且素混凝土無(wú)須振搗，施工方便，工期短。根據(jù)計(jì)算，與鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土60~70%，同時(shí)降低造價(jià)。若與全鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱相比，則可節(jié)約鋼材50%，其工程造價(jià)也可降低45%。

在高層建筑設(shè)計(jì)中，鋼管砼柱可以僅控制長(zhǎng)細(xì)比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的局部失穩(wěn)的缺點(diǎn)。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設(shè)計(jì)可以減少60%以上。

3 制作與安裝

3.1 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(gòu)件，在加工制造中必須滿足現(xiàn)行規(guī)范的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

100m高的超高層鋼柱一般分為8～12節(jié)構(gòu)件，鋼柱在翻樣下料制作過(guò)程中應(yīng)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(zhǎng)度不等于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，即使只有幾毫米也不能忽略不計(jì)。而且上下兩節(jié)鋼柱截面完全相等時(shí)也不允許互換，要求對(duì)每節(jié)鋼柱應(yīng)編號(hào)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(yīng)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、槽塞焊等形式。

鋼柱標(biāo)高的控制一般有二種方式：①按相對(duì)標(biāo)高制作安裝。鋼柱的長(zhǎng)度誤差不得超過(guò)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(dá)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(yán)格的建筑物。②按設(shè)計(jì)標(biāo)高制作安裝。一般在12層以上，精度要求較高的層高，應(yīng)按土建的標(biāo)高安裝第一節(jié)鋼柱底面標(biāo)高，每節(jié)鋼柱的累加尺寸總和應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求的總尺寸。每一節(jié)柱子的接頭產(chǎn)生的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形應(yīng)加到每節(jié)鋼柱加工長(zhǎng)度中去。

無(wú)論采用何種安裝方式，都應(yīng)在翻樣下料制作過(guò)程中充分表達(dá)出來(lái)，并應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求的總高度。

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(nèi)設(shè)置橫向加勁肋。

框架梁應(yīng)按設(shè)計(jì)編號(hào)正確就位。

為保證框架梁與鋼柱連接處的節(jié)點(diǎn)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(shí)，在框架梁所在位置設(shè)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(qiáng)螺栓連接。

由于鋼筋混凝土施工允許偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)的精度要求，當(dāng)框架梁與鋼筋混凝土剪力墻或鋼筋混凝土筒壁連接時(shí)，腹板的連接板可開橢圓孔，橢圓孔的長(zhǎng)向尺寸不得大于2d0（d0為螺栓孔徑），并應(yīng)保證孔邊距的要求。

腹板則采用高強(qiáng)度螺栓連接，要充分理解設(shè)計(jì)時(shí)采用摩擦型還是承壓型高強(qiáng)螺栓。采用摩擦型高強(qiáng)螺栓的摩擦系數(shù)應(yīng)選用合理。

采用高強(qiáng)螺栓群連接時(shí)，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(yīng)優(yōu)先考慮采用后者。當(dāng)采用模板制孔時(shí)，應(yīng)保證模板的精度，以確保高強(qiáng)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(kuò)孔。嚴(yán)禁使用氣割擴(kuò)孔，若用氣割擴(kuò)孔，則應(yīng)按重大質(zhì)量事故處理。

高強(qiáng)螺栓群應(yīng)同一方向插入螺栓孔內(nèi)，高強(qiáng)螺栓群的擰緊順序應(yīng)由中心按幅射方向逐層向外擴(kuò)展，初擰和終擰都得按預(yù)先設(shè)定的鮮明色彩在螺帽頭上加以表示。