高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

王德敬

摘要:本文簡要介紹了高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系,并結(jié)合“科技研發(fā)中心”超高層全鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝及鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的翻樣、下料、制作等各個重要環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制和材料選用提供一些粗淺的意見。對于支撐體系,消能減震裝置不在此文內(nèi)介紹。

關(guān)鍵詞:超高層;智能大樓;節(jié)點(diǎn)域;MST組合梁

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在國外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結(jié)構(gòu)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(jià)的上漲和人口的迅速增長,以及對高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的研究日趨完善、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和施工技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑;同時高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生,在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計(jì)建造可說是同步前進(jìn)。

1 高層及超高層結(jié)構(gòu)體系

對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)范沒有一個統(tǒng)一規(guī)定,一般認(rèn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(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RC)外,還采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(代號SRC),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(代號CFS)和全鋼結(jié)構(gòu)(代號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 材料的選用

鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)大,耐火性差。隨著冶金技術(shù)的提高,耐火鋼的研究成功并投入生產(chǎn),為鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

目前寶鋼投入生產(chǎn)的有B400RNQ和B490RNQ兩種型號的耐火鋼,其物理力學(xué)指標(biāo)、化學(xué)性能及抗沖擊韌性和可焊性,都能達(dá)到結(jié)構(gòu)鋼的要求。普通鋼材當(dāng)達(dá)到600℃的高溫時已完全喪失承載能力,寶鋼生產(chǎn)的這兩個品種鋼材當(dāng)達(dá)到600℃時其屈服強(qiáng)度還有150～220Mpa。

一般高層和超高層建筑當(dāng)采用框-剪、框-筒結(jié)構(gòu)體系時的經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)計(jì)為:鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)=鋼材費(fèi)用(約占40%)+制作安裝費(fèi)用(約占30%)+防火涂料費(fèi)用(約占30%),防火涂料所占總造價(jià)的比重較大。如果使用高強(qiáng)度耐火鋼雖價(jià)格略有上升,但防火涂料價(jià)格有較大幅度下降,可望部分抵消由此帶來的成本上升,而且可靠度及安全性有了一定的保障。

3 制作與安裝

3.1 統(tǒng)一測量儀器和鋼尺量具

建造一幢超高層大樓,涉及到土建、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻和各類設(shè)備的安裝,使用的測量儀器和使用的鋼尺必須由國家法定的同一計(jì)量部門由同一標(biāo)準(zhǔn)鑒定。高層、超高層建筑施工周期較長,尚需定期對測量儀器和鋼尺量具進(jìn)行定期校驗(yàn)以保證建筑物各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)定的指標(biāo)。一般以土建部門的測量儀器和鋼尺量具為準(zhǔn)。

3.2 定位軸線、標(biāo)高和地腳螺栓

鋼柱的定位軸線可根據(jù)場地的寬窄,在建筑物外部或內(nèi)部設(shè)置控制軸線。本工程高度在100m,設(shè)置二個控制樁,以供架設(shè)經(jīng)緯儀或激光儀控制樁的位置,要求以能滿足通視、可視為原則。

鋼柱的長度以滿足起重量的大小和運(yùn)輸?shù)目赡苄?一般為2～3層為一節(jié),對每一節(jié)柱子安裝不得使用下一節(jié)柱子的定位軸線,應(yīng)從地面控制軸線引到高空,以保證每節(jié)柱子安裝正確無誤,避免產(chǎn)生累積誤差。

柱腳與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的連接,一般采用埋入式剛性柱腳,地腳螺栓是在安裝就位第一節(jié)鋼柱時,控制平面尺寸和標(biāo)高的臨時固定措施。

3.3 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度不等于設(shè)計(jì)長度,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也不允許互換,要求對每節(jié)鋼柱應(yīng)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(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: 按相對標(biāo)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(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。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)鋼柱加工長度中去。

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

3.4 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,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?？蚣芰号c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,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(yīng)保證孔邊距的要求。

框架梁的翻樣下料長度同樣不等于設(shè)計(jì)長度,需考慮焊接收縮變形。焊接收縮變形可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算再按實(shí)際加工之后校核,確定其翻樣下料的精確長度?？蚣芰荷舷乱砭壍倪B接可采用高強(qiáng)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(diǎn)焊定位,再焊另一端。腹板則采用高強(qiáng)度螺栓連接,要充分理解設(shè)計(jì)時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,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,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。

4 樓蓋的設(shè)計(jì)

高層、超高層建筑的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度,是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側(cè)力構(gòu)件,同時使鋼柱與各豎向構(gòu)件(剪力墻或筒體)起到變形協(xié)調(diào)作用。

一般鋼結(jié)構(gòu)建筑物的樓板和屋蓋,都采用軋制的壓型鋼板加現(xiàn)澆鋼筋混凝土(簡稱鋼承混凝土)樓板和屋蓋,厚度一般不小于150mm。目前在設(shè)計(jì)鋼承混凝土樓板和屋蓋時沒有考慮鋼承混凝土樓板和屋蓋與鋼梁共同作用。主要是對于板底呈波形的計(jì)算原理不甚了解或認(rèn)為計(jì)算繁瑣,就按平板計(jì)算,這樣既不安全又增加了鋼梁的用鋼量。

如果采用鋼梁與鋼承混凝土樓板共同作用,簡稱MST組合梁,只要計(jì)算正確,配筋合理,栓釘可靠,則可以節(jié)約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右,而且不需對鋼梁進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。