高層建筑鋼結構設計存在的問題及應對策略

許偉

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

建筑空間集約化和施工高效環保是建筑行業的總體發展目標。在此背景下，建筑鋼結構得到了較快發展。建筑鋼結構在工業廠房、公共建筑以及民用住宅小區等方面都具有較廣的應用。相比傳統鋼筋混凝土建筑結構來說，建筑鋼結構不僅具有較高的抗震能力、較低的成本還具有較好的外觀優勢。此外，建筑鋼結構的大部分結構建造環節都在預制場加工完成，在建筑施工現場主要是吊裝和裝配工作，不僅提高了施工效率還達到了環保要求。但隨著建筑使用需求的不斷增加，建筑鋼結構設計暴露出一些問題，這些問題對建筑鋼結構設計的可持續發展有一定制約作用。基于此，本文針對具體問題開展深入分析研判，并提出了解決問題的具體措施，對建筑鋼結構的發展具有一定的積極促進作用。

2 高層建筑鋼結構的優點

高層建筑鋼結構在結構設計方面、施工方面以及使用方面都具有較大優勢。其優點主要有以下幾方面：第一，建筑鋼結構可以彌補傳統鋼筋混凝土建筑結構的不足，它易于分割的優勢更是大大提高了施工效率。第二，建筑鋼結構施工中會用到輕質墻板等綠色環保材料，可以充分降低不可再生能源的消耗。第三，鋼結構建造使用的型鋼型號基本都是國標型號，可以有效實現技術集成化，進一步提高了建筑鋼結構建造設計水平和實用性能。第四，鋼構材料的工業集成化程度高，同時也是一種可再生材料，滿足建筑節能環保的基本要求。第五，建筑鋼結構整體質量較輕，可以減少地基處理的投入費用。第六，建筑鋼結構具有較好的經濟效益和社會效益[1]。

3 高層建筑鋼結構設計原則

高層建筑鋼結構設計的基本原則包括優化原則和整體原則。優化原則指的是在建筑鋼結構設計中避免選擇建筑規范中要求的最小界面，但是在保證質量和安全的前提下要選擇既有一定剛度又較薄的截面。舉個例子，比如，建筑鋼結構設計中明確指出在選擇受力構件時，不能選擇厚度低于4 cm的鋼板，同樣在選擇鋼管的時候也不能選擇厚度低于3 cm的鋼管；建筑鋼結構中的角鋼構件的連接方式如果設計為螺栓連接，在設計過程中應高度關注截面開螺栓孔對截面受力造成削弱的影響。整體性原則是指建筑鋼結構的設計環節要與結構環節進行有機結合，不能先進行建筑設計再進行結構設計，導致建筑設計與結構設計脫節。

建筑鋼結構規范中對不同類型結構最大允許高度確定時，除了對結構受力等理論進行充分考慮，還結合了我國經濟整體發展水平、施工綜合水平以及建筑相關的科研投入和科研能力等多方面進行綜合研判。這些規范內容嚴謹可靠且與我國現行的土木工程設計規范體系相吻合。但在高層建筑結構的實際操作中往往會超出規范規定的高度，比如，我國某鋼混結構體系大廈，其建筑高度實際上已經達到了420 m，再比如，某混凝土結構高層建筑，其建筑高度已經到了320 m，均已經超過了規范要求控制的最高高度。出現在這種實際施工高度已經超過規范高度情況時，在論證階段就要求高層建筑設計者對高層建筑高度設計持科學謹慎的態度，根據當地建筑地震等級等多種因素綜合驗算其實際高度是否仍然滿足承載力等多方面要求。確保將因建筑高度超過規范要求后，不會發生建筑變形或者結構無法正常使用的情況出現。近年來，我國建筑空間集約化理念發展迅速，大部分城市的高層建筑的建筑高度都在增加，但是伴隨高層建筑高度增加，一些建筑參數變化卻沒有引起高層建筑鋼結構設計者的重視，如一些沒有達到規范規定的安全指標參數、材料性能參數等并沒有引起建筑設計者的重視[2]。

4 高層建筑鋼結構設計中凸顯的主要問題

4.1 鋼結構防火防腐蝕設計欠缺

建筑鋼結構外側墻體常年暴露在風吹日曬的環境，所以鋼結構外墻存在被腐蝕或者發生火災的風險，如果問題嚴重還會對建筑使用者的安全造成不利影響，甚至部分鋼結構建筑的耐火等級根本沒有達到規范要求的最低標準，導致建筑結構遭受火災帶來的損害，造成了嚴重的經濟損失。但是在鋼結構項目的實際設計過程中，對鋼結構的防腐設計和防火設計并沒有給予足夠的關注，也沒有將鋼結構防火設計和防腐蝕設計作為一個單獨模塊進行分析研究，這就造成了鋼結構建筑受腐蝕或者受火災影響的風險。此外，部分建筑鋼結構設計項目并沒有進行全方位的建筑結構防火設計，導致部分鋼結構表面出現自然現象，或者外層鋼結構保溫材料在高溫日曬情況下出現保溫材料燃燒的情況。基于此，科學有效提升建筑鋼結構防火防腐蝕處理措施，可以顯著提升建筑鋼結構綜合性運行效能。

4.2 鋼結構物理節點處理欠穩妥

建筑鋼結構設計過程中涉及較多且較為復雜的物理節點，如果在設計過程中沒有對這些復雜的物理節點進行科學合理的處理，則會對建筑鋼結構整體穩定性和使用安全性造成較大隱患。之所以物理節點處理不到位會造成較大安全隱患，是因為鋼結構建筑的物理節點處承受著上部結構的重力，部分重要節點幾乎承受了大部分建筑結構重量。即便處理復雜物理節點問題如此重要，但是在鋼結構總體設計過程中，建筑鋼結構物理節點問題還是沒有得到應有的重視，為鋼結構后續的安全穩定運行埋下了較大的安全隱患。

5 高層建筑鋼結構設計問題解決對策

5.1 鋼結構抗火抗腐蝕設計策略

在全面提升優化建筑鋼結構設計的同時，要對建筑防腐蝕防火設計給予重點關注，保證鋼結構建筑防火設計和防腐蝕設計滿足相應的等級。建筑設計人員在選擇鋼結構表面耐火涂層時，要選擇燃點較高的涂層材料，有效提升鋼結構建筑的防火性能。在提升鋼結構建筑防火性能的同時，也要采取積極有效的措施提升建筑鋼結構的防腐蝕能力。鋼結構的腐蝕過程并不是一蹴而就的，而是長年累月的作用過程，雖然鋼結構腐蝕過程緩慢，但是其對建筑鋼結構的危害較大。而建筑鋼結構的防腐策略也側重在防腐蝕涂料的選擇上。為了更好地消除鋼結構材料被腐蝕的風險，可在建筑鋼結構材料表面覆蓋防腐性能較好的涂層。此外，鋼結構材料在經過防火設計和反腐蝕設計處理后，還需要控制鋼結構表面沒有焊渣殘留、沒有油漬殘留以及鋼毛刺等，而且鋼結構設計中還要提出殘存污漬的處理措施。

5.2 加強對鋼結構受力體系以及細部節點的設計

當鋼結構設計方案敲定以后，第一項首要任務就是計算鋼結構受力體系和計算并完善鋼結構節點受力情況。現階段，鋼結構受力體系多采用桿系結構。桿系結構主要指梁體、拱件、框架以及桁架，這種結構對鋼材的強度要求較高，而且要求鋼材的截面尺寸要小。這種桿系結構可以在生產車間生產之后運輸到施工現場進行安裝，桿系結構之間的約束力較小。所以鋼結構設計的重點是保證結構節點之間連接的緊固性。而鋼結構建筑的細部節點設計所涉及的內容計算較為復雜且必須要細化到每個節點。在設計過程中要注重強柱弱梁的基本設計策略。所謂強柱弱梁設計注重的是鋼結構設計中的結構柱和梁體的整體性，要求鋼結構建筑受到較大荷載時，塑性鉸出現在結構梁上而不是出現在結構柱上。只有這樣，才能確保鋼結構建筑在使用過程中不會因結構柱受到極限破壞而出現坍塌損壞，而且在較大荷載作用后，整個鋼結構建筑還可以較快地恢復到初始狀態。相關規范也規定了類似內容，即在進行強柱弱梁設計時，首先計算和分析強柱弱梁的彈塑性，當計算和分析結果滿足要求時才可以使用。

6 案例分析

6.1 工程概況

以某高層鋼結構建筑為研究背景，介紹高層鋼結構建筑設計的基本要點。某高層鋼結構建筑的總體建筑面積為1.1×105m2，建筑總高度為95.8 m，該高層鋼結構建筑地上為27層，地下2層，高層結構建筑形式為高層鋼框架剪力墻結構，該高層鋼結構的抗震設防烈度為6度。

6.2 結構體系的選擇

案例項目中，結構體系為鋼框架剪力墻結構，該結構體系的受力特點兼顧了鋼結構和剪力墻結構的優點。鋼框架剪力墻體系剛度大、結構側面積小且具有較好的抗震性能，鋼框架剪力墻在實際工程中應用也越來越廣泛。鋼框架剪力墻結構中的鋼結構因其具有較高的強度且較小的剛度，主要承受豎向荷載；而鋼框架剪力墻結構中的剪力墻結構具有較大的承載能力和較大的剛度，可以使得建筑結構獲取足夠的抗側滑剛度，可以滿足結構層間位移限值，也就是說鋼框架剪力墻結構的水平荷載主要由剪力墻來承擔。

6.3 鋼結構框架剪力墻的結構剛度和承載能力設計

鋼結構框架剪力墻結構布置應遵循均勻、分散、對稱以及周邊布置的基本原則。鋼框架結構布置應盡可能對稱且均勻，其目的是縮短結構抗側剛度中與結構水平荷載合二者合力作用線的有效距離，同時也是為縮短鋼結構重心之間的距離用來減小結構出現扭轉的概率。在鋼結構框架剪力墻結構中，當剪力墻的數量增多時，鋼框架結構的體積和剛度也會增加。但隨著剪力墻數量的增加，鋼框架剪力墻結構的自振周期就會變小，繼而導致結構整體的水平地震力作用加大；如果剪力墻數量減少，則鋼框架結構的整體剛度會降低，水平地震力作用也會降低?；诖耍阡摻Y構設計過程中要根據建筑結構的基本特點來綜合確定建筑的設計防烈度、建筑整體高度以及裝修等級，再確定鋼框架剪力墻結構所允許的最大位移限值，繼而科學合理地確定剪力墻數量，保證建筑結構的經濟型和適用性原則。

6.4 鋼結構框架剪力墻的節點設計

鋼結構節點位置的設計形式通常有焊接和螺栓連接兩種形式。高層鋼結構建筑的梁體和柱體節點焊接形式通常采用諸如翼緣坡口焊等高強度焊機模式，其焊接質量不低于二級。對于鋼結構H形鋼梁和建筑結構鋼腹板的焊接形式可以采用角焊的焊接形式。而對于鋼結構建筑中使用的方鋼管（厚度＜16 mm）的焊接可以采用熔嘴電渣焊焊接形式。高層鋼結構建筑結構梁和結構柱節點處的梁腹板的連接通常采用螺栓連接，螺栓連接的設計采用的是高強度摩擦性螺栓，每個螺栓抗剪承載力設計值與摩擦面的個數和摩擦面的抗滑移系數相關，鋼結構梁體和柱體的節點采用雙剪連接模式，所謂雙剪連接模式就是兩個摩擦面共同作用。與雙剪模式對應的是單剪模式，即一個摩擦面起作用。當進行鋼結構梁腹板設計驗算時，應驗算螺栓孔位處的腹板凈截面的抗剪強度，如果高強度螺栓采用的是承壓性螺栓好需要對螺栓孔局部承壓能力進行驗算。

7 結語

建筑行業迅猛發展給建筑鋼結構設計帶來較大機遇的同時，也給建筑鋼結構設計帶來了較大挑戰。鋼結構設計人員需要對設計過程中出現的問題進行科學合理的分析，在分析結果的基礎上，采取行之有效的解決措施。此外，鋼結構建筑設計所涉及的知識體系更新較快，所以相關從業人員要不斷學習理論知識，并將理論知識與實踐經驗相結合，將鋼結構設計的優勢發揮到極致，有效提升工程建設的整體質量。