高層裝配式鋼結構建筑設計關鍵技術分析

司振威

（中國五冶集團有限公司，四川 成都 610023）

0 引言

裝配式鋼結構建筑在環保、節能、高效、工廠化生產等方面具有明顯優勢，鋼結構建筑具有極強的可塑性，適應當前建筑樣式多樣化的需求[1-6]。裝配式鋼結構建筑系統是內部系統、鋼結構、設備和管道及圍護結構和諧統一的系統，在高層建筑設計中，一定要把握住其結構設計的關鍵技術。

1 裝配式鋼結構的優缺點

1.1 優點

（1）輕質、高強。

（2）構件布置靈活。在空間布置方面，裝配式鋼結構建筑相對于傳統磚混或框架結構更為自由、靈活，模數化的構件尺寸使用戶可以更加自由布置，同時不影響結構的可靠性。

（3）結構可靠性高。鋼結構材料重量輕、強度高、延性好，抗震性能與抗沖擊性能優異。

（4）施工效率高、周期短，整個施工效率可以得到有效提升。

（5）產業化適應性強。與混凝士結構建筑相比，鋼結構建筑更容易實現設計的標準化、構配件生產的工廠化、現場施工的裝配化、完整建筑產品供應的社會化。鋼結構工廠制作質量可靠，尺寸精確，安裝方便。可引入數控機床、計算機等控制設備，提高預制構件的安裝精度。

（6）經濟效益和環境效益突出。

1.2 缺點

（1）相對于裝配式混凝土結構，裝配式鋼結構外墻體系較復雜。

（2）防火問題、防腐問題需格外重視。

（3）精度要求更高。

2 高層建筑裝配式鋼結構類型

2.1 鋼框架結構

特點：建筑平面根據需要分隔，布置靈活；框架結構的梁、柱構件易于標準化，是裝配式鋼結構建筑的主要結構類型。采用輕質隔墻，大大降低房屋自重，節省材料。框架桿件類型少，且大部分采用型材，安裝制造都很簡單，施工速度快。

2.2 鋼框架-支撐結構

鋼框架—支撐結構體系的基礎是框架結構體系，通過在房屋的橫向、縱向布置一定數量的豎向支撐而形成的一種結構體系，在高層鋼結構建筑中應用比較廣泛。

2.3 鋼框架-筒體結構

鋼框架—筒體結構，是指由一個或多個筒體作承重結構的高層建筑體系。大疆天空之城大廈采用的就是束筒結構，既滿足建筑的采光要求，同時使結構的重心下移，利于結構的穩定性。

2.4 巨型框架結構

巨型框架結構是以巨型框架（主框架）為結構主體，并在其間設置小型框架（次框架）所組成的結構體系。

3 高層建筑鋼結構構件設計要點

主要受力構件按照其功能和構造特點可分為承重構件和抗側力構件兩大類。

（1）承重構件包括梁、柱（一般梁、柱和框架梁、柱）；

（2）抗側力構件包括框架梁、框架柱、中心支撐和偏心支撐、抗震剪力墻等。高層建筑鋼結構構件的主要特點是：構件的截面尺寸較大、鋼板厚度較大 。

3.1 高層建筑鋼結構設計一般步驟

（1）計算各種荷載作用下各構件的內力（即作用效應計算）；

（2）進行內力組合；

（3）試選構件截面（形式和尺寸）；

（4）構件截面驗算；

（5）檢驗是否滿足構造要求。

3.2 框架柱設計

對于僅沿一個方向與梁剛性連接的框架柱，宜采用H形截面，并將柱腹板置于剛接框架平面內。對于在相互垂直的兩個方向均與梁剛性連接的框架柱，宜采用箱形截面或十字形截面。箱形截面框架柱角部的拼裝焊縫，應采用部分熔透的V形或U形焊縫，其焊縫厚度不應小于板厚的1/3，且不應小于14mm；對于抗震設防結構，焊縫厚度不應小于板厚的1/2；當鋼梁與柱剛性連接時，H 形截面框架柱與腹板的連接焊縫和箱形截面框架柱的角部拼裝焊縫，在鋼梁上、下翼緣的上、下各500mm的區段內，應采用坡口全熔透焊縫，以保證地震時該范圍柱段進入塑性狀態時不破壞。

3.3 中心支撐設計

類型：十字交叉（X形）支撐、單斜桿支撐、人字形或V形支撐、K形支撐等形式。支撐斜桿宜采用雙軸對稱截面。通常，當樓房超過12層時，宜采用軋制H型鋼，其兩端與框架剛性連接；當樓房不超過12層時，可采用單軸對稱截面，但應注意采取防止屈曲措施。

3.4 鋼板剪力墻設計

（1）鋼板剪力墻是用鋼板或帶加勁肋的鋼板制成。

（2）鋼板剪力墻嵌置于鋼框架的梁、柱框格內。

（3）鋼板剪力墻與鋼框架的連接構造，應能保證鋼板剪力墻僅參與承擔水平剪力，而不參與承擔重力荷載及柱壓縮變形引起的壓力。

3.5 鋼梁設計

3.5.1 梁的截面形式及強度

一般采用H型鋼。當高度受限、跨度大、受荷大時，可選用箱形截面。對于墻梁等維護構件，可采用槽形等截面形式。梁的強度主要包括抗彎強度和抗剪強度，其計算公式見《鋼結構設計規范》（GBJ 50017）。

3.5.2 梁的構造要求

（1）變截面框架梁的截面變化，宜改變梁翼緣的寬度和厚度，而保持梁的腹板高度不變；

（2）當梁的上翼緣采用抗剪連接件與組合樓板相連時，可不驗算組合梁的整體穩定，但仍應根據條件在其下翼緣設置隅撐；

（3）框架梁的端部以及有集中荷載作用點等可能出現塑性鉸的部位梁的受壓翼緣應設置側向支撐（7度及以上抗震設防的結構，上、下翼緣均應該設置側向支撐），且實腹鋼梁相鄰側向支撐點之間的長細比應滿足規范要求；

（4）焊接梁的翼緣一般用一層鋼板組成；當跨度大，采用兩層鋼板時，外內層厚度比宜為0.5~1.0，外層斷點應符合《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）要求。

4 高層建筑鋼結構連接節點設計

4.1 鋼柱柱腳節點

鋼柱柱腳形式主要為：端承式柱腳和埋入式柱腳。端承式柱腳，軸力通過柱底板傳遞至混凝土基礎，柱腳剪力主要通過柱底板與下部混凝土之間的摩擦力承擔，過大的剪力墻抗剪鍵承擔，彎矩通過混凝土承壓和地腳螺栓抗拉組合實現；埋入式柱腳，軸力與端承式一致，剪力墻埋入端鋼柱傳遞至混凝土基礎，彎矩通過埋入鋼柱側面的抗剪栓釘傳遞至混凝土基礎。

端承式柱腳簡化做法的優勢：加工簡單，施工方便，減少了錨栓的套絲長度，省略了錨栓支架，與土建穿插施工，先施工錨栓然后綁扎面筋，面筋施工完后利用定位板安裝錨栓。

《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）中規定埋入式柱腳的埋置深度不應小于3倍型鋼柱截面高度，同時《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（ECS 159:2004）中第7.3.2條規定埋入式柱腳底板埋入基礎的深度宜為柱截面高度的2~3倍。

埋入式柱腳施工要點：墊層施工完成后綁扎底板鋼筋，澆筑第一次混凝土。施工順序對鋼結構施工效率要求很高，在承臺面筋施工前鋼柱吊裝就位，鋼構件存在深化設計、加工制作、運輸吊裝等工序，要求鋼結構啟動迅速，特別是二次深化工作對項目進程的影響，技術人員要充分認識施工流程，合理制定施工計劃。

4.2 梁柱節點

梁柱節點依據《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 159:2004）規定，主要有以下3種做法。

（1）帶短梁內隔板式連接。

適用范圍：能焊接內隔板的鋼柱，對于圓管柱，一般要求管徑不小于800mm，對于箱型柱，一般要求壁厚大于16mm（壁厚大于16mm以上才建議采用電渣焊，因電渣焊的線能量輸出過大，構件容易變形過大）。

優點：與鋼柱的焊縫在加工廠完成，焊接質量可靠，現場安裝工作量較少，安裝就位采用腹板螺栓固定。鋼梁牛腿分段位置在塑性鉸范圍之外，塑性鉸范圍大約為梁跨度的1/10跨長和2倍梁高范圍。

（2）內隔板式連接。

適用范圍：適用范圍同帶短梁內隔板式連接。

優點：鋼梁每側一條焊縫，構件整體性好。采用全焊接節點，節約高強螺栓數量。鋼柱和鋼梁完美分開，不會因鋼柱加工費高于鋼梁導致制作成本的上升，同時，運輸過程中減小了構件尺寸和不規則程度，運輸較為方便；如果鋼柱兩側鋼梁不等高，采用鋼梁腹板加腋形式，鋼梁深化量差效果顯著。

（3）外隔板式連接。

適用范圍：無法采用內隔板的鋼柱或根據項目需要。

優點：在加工外隔板時，鋼管柱內部依然可以做內隔板，節點重量大；壓型鋼板鋪設鋼柱不再包邊，施工方便；外隔板毛重和凈重差距很大，深化量差比較大。

4.3 剛接節點

剛接節點通常分為栓焊連接節點、全焊連接節點和全栓連接節點。現在最常見的是栓焊連接節點，全焊連接節點常用在懸挑梁端部節點或與鋼管等類似的封閉截面桿件，全栓連接節點在民用建筑鋼結構中很少采用，其中比較重要的原因是民用建筑鋼結構用鋼板比較厚，而高強螺栓連接做到等強連接需要用到的高強螺栓數量比較多，高強螺栓孔對桿件削弱大。

（1）栓焊連接。

以H 型鋼為例，栓焊連接上下翼緣為焊接，腹板為高強螺栓連接。在受力過程中，梁作為受彎構件，上下翼緣受拉壓，腹板主要受剪，加之腹板鋼材較薄，所用高強螺栓數量較少，等強連接容易實現。

栓焊連接施工順序：對高強螺栓初擰至設計預拉力的60%，再行施焊，焊后對螺栓終擰。不過一般翼緣焊接對腹板影響不大，施工現場可以考慮直接先栓后焊。

（2）全焊連接。

全焊連接在H型鋼對接時采用馬板固定上翼緣，對于斜支撐全焊連接，可以在腹板上設置安裝螺栓，用安裝螺栓固定，焊接上下翼緣后，拆除安裝螺栓及連接板，焊接腹板焊縫。

全焊連接箱型截面一般采用上翼緣或腹板面開焊接操作人孔，臨時連接采用腹板內側連接板，安裝螺栓固定。

（3）全栓連接。

高強螺栓要做到等強連接需要的高強螺栓數量較多（鋼板厚度薄的情況下可以實現），在超高層項目中，樓層外建筑小懸挑鋼梁會采用全螺栓連接來達到剛接的效果。超高層中，不建議采用全栓節點，該節點對壓型鋼板鋪設施工存在碰撞。

4.4 梁鉸接節點

鉸接節點通常用在非懸挑主次梁連接位置，根據構造做法，主要分為以下3種形式。

（1）連接形式一（如圖1所示）。

圖1 連接形式一

優點：雙面連接板，工程量大，對稱不產生扭矩，安裝方便。

缺點：主梁翼緣要求較寬，不然不滿足螺栓穿孔；另外高強螺栓使用數量多。

（2）連接形式二（如圖2所示）。

圖2 連接形式二

優點：安裝容易，不受主梁翼緣寬度影響。

缺點：單剪板節點受力較差，對主梁扭矩較大，應注意成品保護。

（3）連接形式三（如圖3所示）。

圖3 連接形式三

優點：對主梁扭矩較小。

缺點：安裝困難，主梁翼緣要求較寬。

以上3種梁連接形式，不推薦使用第三種，因第三種連接節點安裝不便，應慎用。

5 結束語

裝配式鋼結構重量輕、強度高、結構可靠性高、施工效率高、產業化適應性強、經濟效益和環境效益突出，但其防火和防腐問題需要引起重視，其對設計、制造、施工的技術水平有更高的精準度要求。當樓房超過12層時，中心支撐設計宜采用軋制H型鋼，當不超過12層時，可采用單軸對稱截面類型鋼。鋼柱柱腳形式主要為端承式柱腳和埋入式柱腳；梁柱節點主要包括帶短梁內隔板式連接、內隔板式連接和外隔板式連接。超高層建筑中剛接節點不建議采用全栓節點。