高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

范榮淑

摘要：文章研究的重點(diǎn)是高層建筑剛結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用，通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)正在施工以及施工完成的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化問題進(jìn)行相關(guān)調(diào)查研究，針對(duì)鋼柱結(jié)構(gòu)、框架梁的制作與安裝進(jìn)行了分析，對(duì)影響高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝的因素進(jìn)行了研究。重點(diǎn)分析了目前高層建筑在所用鋼材、設(shè)計(jì)施工以及施工過程監(jiān)管等方面的問題，并針對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)建過程中存在的問題提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；施工體系；框架梁

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0042-03

自19世紀(jì)80年代美國(guó)芝加哥建成了世界上第一幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑起，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑已具有110余年的歷史。經(jīng)過第二次世界大戰(zhàn)，世界人口激增，地價(jià)也相應(yīng)提高，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)如對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的研究以及施工技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等也日趨完善，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在世界范圍內(nèi)廣泛興起。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在自身重量大、所建柱子占地面積大等各種缺陷，其在高層建筑建設(shè)中的應(yīng)用受到限制。為克服混凝土的弊端，各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的重視程度，高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生，在高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及理論研究也獲得了相應(yīng)的成果，并逐漸應(yīng)用于高層建筑的構(gòu)建中。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平一度成為衡量一個(gè)國(guó)家建筑在科技方面水平的重要標(biāo)志，同時(shí)也體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的材料工業(yè)水平，甚至成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合技術(shù)水平以及建設(shè)部門財(cái)力水平的象征。

1 我國(guó)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

改革開放以來，我國(guó)不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑也隨之不斷發(fā)展起來，到目前為止已有30余年的發(fā)展史。在此期間我國(guó)在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)以及施工方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的自行編制是我國(guó)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中的巨大成果，它的頒布充分彰顯了我國(guó)在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)已逐步完善。目前我國(guó)在此方面已逐漸出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)。

1.1 鋼材生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化

國(guó)內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)已以國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定出了第一套由我國(guó)自行編制的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，即《高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》，該標(biāo)準(zhǔn)與原有的《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》相比具有更高的適用性，并且其中的多種性能指標(biāo)均較國(guó)外同類性產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量保證。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化

自鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入我國(guó)到2003年期間我國(guó)在建以及已建的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑已超過60余幢，本文依照其結(jié)構(gòu)類型對(duì)其進(jìn)行劃分，RC核心筒種類有很多，常見的有SRC框架、鋼框架、矩形框架以及純鋼框架和鋼筋混凝土框架等。其中SRC與鋼框架二者組成的合材約占60.11%。但據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在我國(guó)所擁有的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中混凝土占較大比例。由于我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)尚且沒有進(jìn)行完整的系統(tǒng)性研究，因此《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》尚不能被列入高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建規(guī)范中。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高層建筑的最大寬度以及高度有一定限制，因此在實(shí)際操作中需要考慮到這一規(guī)范，否則，應(yīng)當(dāng)需要進(jìn)行相關(guān)的專項(xiàng)論證以及實(shí)驗(yàn)研究等。相比之下，建設(shè)部制定的第111號(hào)令具有一定的可操作性，如《超限高層建筑抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》以及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》等，這類規(guī)范可用于控制高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且意義重大。一般而言，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多分為兩個(gè)階段，包括設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)階段以及具體施工圖設(shè)計(jì)階段。目前已有的設(shè)計(jì)院均采用國(guó)外的設(shè)計(jì)模式，并借鑒其節(jié)點(diǎn)圖、無構(gòu)件圖以及鋼材表的設(shè)計(jì)方法。

2 高層結(jié)構(gòu)體系

國(guó)內(nèi)在高層結(jié)構(gòu)體系方面尚存在很多規(guī)范制度上的欠缺，特別是在劃分高層建筑、建筑設(shè)計(jì)以及建筑抗震設(shè)計(jì)方面均沒有完整的規(guī)范。一般觀點(diǎn)認(rèn)為，高層建筑總高度應(yīng)超過24米，超高層建筑則應(yīng)超過60米。在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到建筑應(yīng)用功能以及建筑高度差異等，另外考慮到安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、合理等經(jīng)濟(jì)原則。在以上原則的基礎(chǔ)上選擇合適的結(jié)構(gòu)體系（常見的結(jié)構(gòu)體系主要有六類：框架結(jié)構(gòu)體系、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、框筒結(jié)構(gòu)體系以及剪力墻結(jié)構(gòu)體系）。

3 鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝

3.1 鋼柱結(jié)構(gòu)的制作與安裝

鋼柱是高層建筑的重要組成部分，在高層建筑中鋼柱作為主要的豎向構(gòu)件起到?jīng)Q定高層建筑的總高度以及各層高度的作用，同時(shí)在加工制造鋼柱的過程中要求亦較為嚴(yán)格，需要滿足現(xiàn)有的規(guī)范，并且在驗(yàn)收中具有特有的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由于鋼柱需要被分為多節(jié)構(gòu)建，比如，100米高的鋼柱需要被分成8～12節(jié)構(gòu)件。另外在鋼柱生產(chǎn)制作進(jìn)行反樣下料過程中需要考慮到鋼柱的豎向荷載可能導(dǎo)致的壓縮變形以及焊接過程中可能出現(xiàn)的收縮變形等問題，因此在進(jìn)行鋼柱分節(jié)時(shí)需要意識(shí)到鋼柱翻樣下料的長(zhǎng)度并不等同于設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，而是稍短于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要做到精確生產(chǎn)，即便幾毫米的誤差也不可以忽略。焊接收縮變形程度可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出，之后再按實(shí)際加工之后的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，確保其翻樣下料長(zhǎng)度為精確長(zhǎng)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，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)目前大部分部門在連接過程中采用帶襯板的全熔透焊接進(jìn)行連接。即在施工時(shí)先焊接下翼緣之后再焊上翼緣，先對(duì)一個(gè)端點(diǎn)焊定位，再對(duì)另一個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行焊接。除此以外，每節(jié)鋼柱都需要進(jìn)行相應(yīng)編碼，以保證其按照正確次序安裝，原則上上下相鄰兩節(jié)鋼柱的截面即便完全相等也不可以互換位置。

對(duì)方形或矩形鋼柱內(nèi)的加筋板進(jìn)行焊接時(shí)需要按照現(xiàn)行規(guī)范要求，利用熔嘴電焊渣技術(shù)進(jìn)行焊接，在生產(chǎn)制作過程中可以允許其采用槽塞焊接以及在箱板上開孔焊接等其他常見焊接方式。對(duì)鋼柱的標(biāo)高進(jìn)行控制時(shí)主要有兩種控制方式：第一，按照相對(duì)標(biāo)高進(jìn)行制作安裝。要求鋼柱長(zhǎng)度存在的誤差不能超過3毫米，而且不需要考慮堅(jiān)向荷載引起的壓縮變形以及焊縫收縮變形等對(duì)其產(chǎn)生的影響。要求建筑物的總高度達(dá)到各節(jié)柱子制作過程中允許的偏差總和以及鋼柱壓縮變形的總和，滿足以上條件者即為合格。此類制作安裝方式一般用于12層以下的高層建筑以及層高控制要求較低的建筑物的設(shè)計(jì)建造中。第二，按照設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行制作安裝。一般情況下12層以上的高層建筑在層高方面精度要求較高，需要按照土建的標(biāo)準(zhǔn)高度進(jìn)行第一節(jié)鋼柱的安裝。另外要求每節(jié)鋼柱累加尺寸的總和要符合設(shè)計(jì)要求的總尺寸。與前一種安裝方式不同，此種安裝方式需要將豎向荷載作用下引起的壓縮變形和每一節(jié)柱子的接頭產(chǎn)生的收縮變形加到每節(jié)鋼柱的加工長(zhǎng)度中去。

另外，在高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中，對(duì)相鄰的每一節(jié)鋼柱之間相互連接的垂直度均需要進(jìn)行有效的控制，這也是鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容， 在安裝過程中還需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)三維方向出現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)偏差是否在規(guī)范允許值范圍內(nèi)進(jìn)行核對(duì)。在安裝鋼結(jié)構(gòu)過程中控制鋼柱的垂直度與位置時(shí)，第一節(jié)鋼柱安裝時(shí)的安裝控制方法以及重點(diǎn)與第二節(jié)以上的各節(jié)鋼柱有些不相同。在所有鋼柱的安裝中對(duì)第一節(jié)的鋼柱進(jìn)行有效控制最為重要，其中的主要部分是建筑豎向的水平標(biāo)高與建筑結(jié)構(gòu)平面位置與軸線之間的偏差，并主要是經(jīng)過對(duì)定位鋼板與雙螺母的調(diào)節(jié)控制或用千斤頂、楔形鋼墊塊來調(diào)整完成安裝的。

3.2 框架梁的制作與安裝

高層建筑框架梁多使用H型鋼材，鋼柱與框架梁只采用剛性連接，鋼柱需選用貫通型鋼柱，安裝過程中要求在框架梁上下翼的翼緣處于鋼柱內(nèi)設(shè)定橫向加勁肋。另外要按照框架梁正確的設(shè)計(jì)編號(hào)進(jìn)行就位。在工廠制造框架梁的過程中，需要在框架梁所在的位置設(shè)定懸臂梁、鋼柱與懸臂梁。上下翼緣的連接主要通過剖口熔透焊縫進(jìn)行，腹板則采用貼角焊縫進(jìn)行連接。另外框架梁需要鋼柱的懸臂梁進(jìn)行連接，這樣可以借助板全熔透的焊縫進(jìn)行上下翼緣之間的連接，腹板的連接則主要選擇高強(qiáng)螺栓的方式進(jìn)行。這樣可以確?？蚣芰汉弯撝B接處的節(jié)點(diǎn)域具有較好的延展性、可靠性以及樓層層高的精確性。因?yàn)殇摻罨炷僚c鋼結(jié)構(gòu)相比在施工過程中允許出現(xiàn)的偏差范圍較大，連接框架梁和鋼筋混凝土剪力墻或者鋼筋混凝土筒壁時(shí)，可在腹板的連接板上開一橢圓形孔，該孔的長(zhǎng)軸尺寸需要限制在2dO以下（dO為螺栓孔徑），另外還應(yīng)確保其在孔邊距的要求范圍內(nèi)。

開孔位置的精確程度在采用高強(qiáng)螺栓群進(jìn)行連接時(shí)具有十分重要的意義。目前開孔的制作多采用多軸數(shù)控鉆孔和模板制孔，相比之下前者精度相對(duì)較高，而后者精度則較低，所以在實(shí)踐中多優(yōu)先考慮采用前者進(jìn)行。一般而言，當(dāng)采用模板進(jìn)行制孔時(shí)，首先要保證模板的精確程度，以便滿足高強(qiáng)螺栓在組裝孔以及工地安裝孔過程中對(duì)精度的要求。施工過程中若存在孔位局部的偏差，只可以借助鉸刀進(jìn)行擴(kuò)孔，而不可以借助其他工具。氣割擴(kuò)孔嚴(yán)禁使用，若出現(xiàn)使用氣割擴(kuò)孔者，應(yīng)按照重大質(zhì)量事故處罰條例進(jìn)行處理。

3.3 影響高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝的因素

影響高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝的因素有很多，其中自然條件對(duì)安裝的影響很大，一般情況下，一旦自然條件出現(xiàn)較為劇烈的變化，包括雨天、冬季寒冷的天氣以及夏季常出現(xiàn)的六級(jí)以上的大風(fēng)均會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如焊接根部出現(xiàn)嚴(yán)重的根部收縮、裂縫或者夾有殘?jiān)?。焊接質(zhì)量嚴(yán)重受損時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的安全事故，給施工人員的生命安全造成威脅。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用及建議

近些年，我國(guó)高層建筑的數(shù)量越來越多，這類建筑群的出現(xiàn)對(duì)減少我國(guó)建筑占地面積具有較大作用，特別是對(duì)我國(guó)這樣人口較多的國(guó)家來說，發(fā)展高層建筑無疑是解決我國(guó)建筑占地面積增多、人均土地減少的重要舉措。在我國(guó)，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑主要用作寫字樓、酒店亦或大跨度的商業(yè)地產(chǎn)等，這些高層建筑多集中于繁華城市中心，多為一些被稱為 “都市綜合體”的項(xiàng)目所應(yīng)用。這類高層鋼結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)應(yīng)用中的投影建筑面積通常較小，這導(dǎo)致安裝過程中容易受到工序場(chǎng)地小構(gòu)件多、工序長(zhǎng)協(xié)調(diào)復(fù)雜等的影響，另外現(xiàn)場(chǎng)鋼構(gòu)件的堆放位置也會(huì)受到一定的限制。研究顯示，鋼結(jié)構(gòu)的安裝中最普遍的特點(diǎn)是存在較多立體交叉作業(yè)施工情況，即在安裝過程中鋼框架需要與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)界面的施工在同一時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，這使得兩者在作業(yè)過程中互相干擾的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，干擾較重時(shí)甚至需要工序間歇時(shí)間，這也不同程度地影響到了高層建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝的進(jìn)度以及施工的流水節(jié)拍。一般鋼梁在安裝的時(shí)候主要是經(jīng)限位的連接板及高強(qiáng)螺栓經(jīng)過多次矯正并經(jīng)過對(duì)高強(qiáng)螺栓的初擰和終擰來固定，從而達(dá)到對(duì)鋼梁與梁柱連接點(diǎn)的軸線位置與垂直度進(jìn)行有效控制的目的。為解決以上問題，建議在最初的吊裝中，以安裝就位的鋼梁尚需要進(jìn)行持續(xù)的矯正以及調(diào)整，以確保安裝鋼梁框架的位置與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求相符合。在對(duì)其進(jìn)行矯正時(shí)可借助千斤頂和倒鏈進(jìn)行反復(fù)矯正，這樣可以保證鋼梁軸線的位置與其垂直度平行，以保證鋼梁的安裝質(zhì)量。另外在進(jìn)行鋼梁吊裝的過程中可借助連接板完成與鋼柱牛腿以及鋼梁腹板之間的連接，可以以一塊小鋼板或用高強(qiáng)度螺栓連接與兩端焊口處的鋼梁上翼緣板以及牛腿進(jìn)行臨時(shí)的點(diǎn)焊定位。在設(shè)計(jì)對(duì)鋼梁進(jìn)行吊點(diǎn)的耳板時(shí)，建議在梁跨的四分之一處進(jìn)行設(shè)置。采用以上方法不僅可以提高安裝速度和質(zhì)量，而鋼結(jié)構(gòu)安裝過程的安全與質(zhì)量也得到了相應(yīng)保證。

5 結(jié)語

目前，應(yīng)用于高層建筑的框架結(jié)構(gòu)種類繁多，質(zhì)量大多層次不齊，鋼結(jié)構(gòu)作為一種抗性極強(qiáng)的材料在高層建筑中的應(yīng)用得到了建筑界人士的廣泛關(guān)注。與其他常用的的建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在使用功能、施工環(huán)節(jié)以及工程經(jīng)濟(jì)等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，是一種具有綜合性優(yōu)勢(shì)的建筑用材，特別是在應(yīng)用于大型商業(yè)類工程時(shí)其所體現(xiàn)出的合理的大跨度空間感，因此可適當(dāng)在造型和空間方面追求創(chuàng)新，與常用建材相比更給人一種耳目一新的感覺。更重要的是鋼材具有高強(qiáng)度這一顯著優(yōu)勢(shì)，用于建筑物的構(gòu)建中不僅應(yīng)用起來靈活方便，而且能夠使建筑結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定。綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)是一種特別適用于高層建筑建造的材料，值得進(jìn)行大力推廣應(yīng)用。同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用不僅有助于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，還是各國(guó)綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，我國(guó)現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)水平標(biāo)志著我國(guó)在高層建筑開發(fā)與建設(shè)方面已邁入了鋼結(jié)構(gòu)的體系時(shí)代，這在無形中為我國(guó)的建筑行業(yè)帶來嶄新的突破。

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（責(zé)任編輯：吳 濤）