高層建筑結構體系的制作與安裝

摘要：隨著建筑科學技術的發展，近20年來又推出了第五種結構類型，即全新的鋼－混凝土組合結構。該種新型建筑結構，充分發揮了鋼材和混凝土的材料特性及優點，按其組合方式又可分為：鋼管混凝土結構、鋼－混凝土組合梁、外包鋼組合結構和勁性鋼筋混凝土結構等四種。它們的共同特點是：施工簡便、工期短、結構性能好且大大節約建筑材料。

關鍵詞：高層建筑 鋼砼 體系 制作

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。

鋼－混凝土組合結構之一的鋼管混凝土（即鋼管砼－CFST），就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構件。它具有承載力高、抗震性能好、節約鋼材和施工簡捷等突出優點，因而在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應用。其推廣與發展的速度十分迅猛，并將成為二十一世紀高層和超高層建筑群最為實用和主要的結構形式。

一、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。

二、鋼管砼的結構特點

鋼管砼在高層建筑工程中，主要是作為受壓管柱的建筑構件使用，與鋼梁和梁柱節點等共同構成建筑物的框架結構體系。

鋼管砼柱因其結構特征，同時具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內部充填混凝土材料，因鋼管壁對管內混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內混凝土的脆性破壞。實驗和理論分析證明，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向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應力狀態。三向受壓的混凝土抗壓強度大大提高，同時塑性增大，其物理性能上發生了質的變化，由原來的脆性材料轉變為塑性材料。正是這種結構力學性質的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點，并作為新型的第五種建筑組合結構顯示出巨大的生命力和發展前景。

在高層建筑中，鋼管砼的特征與優勢如下：

1、鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當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，有利于結構抗震，相當于設防烈度下降一級；

4、鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應降低了地基基礎造價；

5、鋼管壁薄便于選材、制造與現場焊接，是施工最為快捷的建筑結構；

6、鋼管砼柱內的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優于鋼柱，從而比鋼柱可節省耐火涂料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高強度混凝土安全可靠地推廣應用。

由于上述各項優點，采用鋼管砼柱時可節省大量的建筑材料，且素混凝土無須振搗，施工方便，工期短。根據計算，與鋼筋混凝土柱相比，可節約混凝土60~70%，同時降低造價。若與全鋼結構的鋼柱相比，則可節約鋼材50%，其工程造價也可降低45%。

在高層建筑設計中，鋼管砼柱可以僅控制長細比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結構鋼柱存在的局部失穩的缺點。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設計可以減少60%以上。

三、制作與安裝

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：

（1）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。

（2）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。

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。

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。