淺談鋼結(jié)構(gòu)在某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

徐 暉

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長沙 410011）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑日益驅(qū)多，其在城市發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，是城市發(fā)展的縮影。由于高層建筑自重大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸也相應(yīng)較大，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到高層建筑整體的施工質(zhì)量，因此需給予高度重視。本文著重闡述某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)選型

某高層建筑工程共43層，其中地上40層，地下3層，總建筑面積13萬m2，建筑物總高度167m?？拐鹪O(shè)防烈度為6度。

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的類型，按材料區(qū)分有全鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)3種類型，根據(jù)工程條件和特點(diǎn)，結(jié)合建筑使用功能、荷載情況、材料供應(yīng)等因素，本工程采用了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式如下：地下3層至地上3層均采用框架-筒體結(jié)構(gòu)，第4層為梁式轉(zhuǎn)換層，層高3.5m，梁截面尺寸最大為1200mm×3500mm，板厚190mm，5層以上采用剪力墻-核芯筒結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)方案為預(yù)應(yīng)力管樁，采用型鋼混凝土柱，±0.000樓面采用鋼筋混凝土樓板及型鋼混凝土梁。

2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，型鋼混凝土梁柱中的型鋼均采用Q345B級鋼材。高強(qiáng)度螺栓采用10.9級扭剪型高強(qiáng)螺栓，表面噴砂處理，摩擦面抗滑移動(dòng)系數(shù)取0.45。

采用實(shí)腹式┼字形為型鋼混凝土柱中型鋼的截面形式，型鋼混凝土柱中的型鋼含鋼率控制在5%左右，而型鋼混凝土梁中的型鋼則采用H型鋼，采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列程序中多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行整體計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理調(diào)整梁柱截面鋼筋及鋼骨大小。本工程若采用鋼筋混凝土柱，則底層柱的截面需要1600mm×1600mm，而采用鋼骨混凝土柱，底層柱的截面僅需要1100mm×1100mm。

鋼板的厚度均不小于6mm，一般為翼緣厚度≥20mm，腹板厚度≥16mm；由于在軋制過程中，較厚的鋼板存在各向異性，常在焊縫附近形成約束，焊接時(shí)易引致層狀撕裂，很難保證焊接質(zhì)量，因此當(dāng)鋼板厚度大于36mm時(shí)，必須按《厚度方向性能鋼板》GB5313中的Z15級來控制鋼材厚度方向的斷面收縮率。同時(shí)，按相關(guān)規(guī)范的要求驗(yàn)算鋼骨的寬厚比。鋼骨混凝土柱的混凝土保護(hù)層厚度取120mm，鋼骨混凝土梁的混凝土保護(hù)層厚度則取100mm。

混凝土與型鋼之間的粘結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力，為避免粘結(jié)滑移，設(shè)計(jì)時(shí)，在構(gòu)件上另設(shè)了剪切連接件（即栓釘），承擔(dān)滑移面上的全部剪力，形成完全剪力連接，使混凝土與型鋼能完全共同工作。

鋼骨混凝土柱采用埋入式柱腳，埋入深度取3倍型鋼柱截面高度，柱腳及上一層的范圍內(nèi)，在鋼骨柱翼緣外側(cè)設(shè)置了栓釘，栓釘直徑≥φ19mm，間距≤200mm，栓釘距翼緣板邊緣＞50mm。

梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證傳力明確，安全可靠，施工方便，確保節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不產(chǎn)生過大的變形。節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼骨部分連接的構(gòu)造按鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)，在梁、柱節(jié)點(diǎn)和主、次梁節(jié)點(diǎn)位置遇鋼筋穿型鋼的情況時(shí)，進(jìn)行了如下處理：柱頭內(nèi)箍筋穿鋼骨梁腹板，采用兩個(gè)U型箍，單面焊接10d；梁縱筋避免穿鋼骨柱翼緣，按1∶6斜率繞開；梁縱筋可直接穿過鋼骨柱腹板，鋼筋采用直螺紋連接。鋼骨柱腹板開孔孔徑＝梁縱筋直徑＋4～6mm；鋼骨柱腹板開孔面積≥25%腹板面積時(shí)，采取措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；鋼骨柱縱橫兩方向至少錯(cuò)開1個(gè)孔徑開孔；要求振搗時(shí)采用小型振搗棒（30mm），并控制混凝土中石子的粒徑≤20mm。

鋼骨的拼接鋼骨柱的長度應(yīng)根據(jù)鋼材的生產(chǎn)和運(yùn)輸長度限制及建筑物層高綜合考慮，本工程鋼骨混凝土柱每3層一節(jié)，型鋼柱上下貫通，在工地現(xiàn)場拼裝，采用全熔透焊縫連接，梁柱之間為剛接，梁翼緣采用全熔透焊縫連接，梁腹板與柱翼緣采用雙面焊縫連接。

3 鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝

鋼結(jié)構(gòu)工程通常由制作和安裝兩部分組成，工程的最終質(zhì)量不僅取決于安裝的質(zhì)量，也與制作質(zhì)量有相當(dāng)大的關(guān)系，因此，構(gòu)件制作過程各環(huán)節(jié)都極其重要。

設(shè)計(jì)要求鋼骨的制作必須采用機(jī)械加工，并由專業(yè)的廠家承擔(dān)。各種材料都必須有合格證。施工中應(yīng)確保施工現(xiàn)場型鋼柱拼接和梁柱節(jié)點(diǎn)連接的焊接質(zhì)量，型鋼鋼板的制孔，應(yīng)采用工廠車床制孔，嚴(yán)禁現(xiàn)場用氧氣切割開孔。

3.1 鋼板對接階段

鋼板對接階段是鋼結(jié)構(gòu)工程的首要環(huán)節(jié)，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效果有著重要的影響，因此在高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)工程中尤需重視鋼板對接的設(shè)計(jì)制作。鋼板對接應(yīng)為整體對接，只在長度方向采用小車式埋弧自動(dòng)焊或者龍門式自動(dòng)埋弧焊完成鋼板的對接。

鋼板焊接坡口則采用龍門刨刨削或用鋼結(jié)構(gòu)萬能坡口切割機(jī)銑削而成，加工后用樣板檢查坡口尺寸。此外，還要采用超聲波對坡口及其兩側(cè)各50mm范圍進(jìn)行檢測，如發(fā)現(xiàn)有裂縫、夾層等缺漏，必須進(jìn)行處理。鋼板對接要在專用工作平臺(tái)上進(jìn)行，嚴(yán)格要求對口錯(cuò)邊小于2mm且不超過鋼板的厚度的1/25。當(dāng)不同厚度的鋼板對接時(shí)，為避免焊接后產(chǎn)生應(yīng)力集中，厚板的接頭附近要做削薄處理，再按普通鋼板對接的要求打坡口。

鋼板的定位點(diǎn)焊采用二氧化碳?xì)獗：?，焊絲選用φ1.2mm的ER50-6焊絲。定位焊縫長度取50mm，焊道間距為150～200mm，并要求填滿弧坑。定位焊縫不得存在缺陷，若發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊上有氣孔、裂紋等缺陷時(shí)，必須清除干凈后重焊。

3.2 下料切割階段

采用數(shù)控多頭火焰切割機(jī)，同時(shí)切割板材的兩邊，使其兩邊均勻受熱，避免造成不易修復(fù)的側(cè)向彎曲，從而確保其邊緣質(zhì)量。此外，需按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注的尺寸確定鋼骨柱腹板和翼緣的下料長度。在進(jìn)行焊接H型鋼的組立及裝配焊接時(shí)，根據(jù)構(gòu)件截面高度、板厚及加勁板數(shù)量等因素，按表1預(yù)留收縮余量。

表1 預(yù)留收縮余量

在下料時(shí)，將翼緣的一端直接切割成滿足要求的坡口，在裝配H型鋼梁時(shí)，就以此端作為裝配時(shí)的基準(zhǔn)端，既避免了二次切割，也能更好地控制質(zhì)量。

3.3 H形鋼梁組立階段

本工程在組立H型鋼之前，首先進(jìn)行了全方位的檢查核實(shí)，確保H型鋼梁的組立滿足設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)規(guī)范的要求，然后將腹板和翼緣上的割渣、毛刺等物清除，并進(jìn)行矯直矯正，再劃定定位線和中心線，采用超聲波對坡口及其兩側(cè)各50mm范圍進(jìn)行檢測，對裂縫、夾層等缺漏進(jìn)行處理。經(jīng)檢驗(yàn)合格后，在翼緣板上標(biāo)出中心線，以其為基準(zhǔn)找出腹板組裝線，在組立機(jī)上組立。

3.4 端頭及鎖口加工階段

本工程的構(gòu)件需現(xiàn)場焊接，所以大多要進(jìn)行鎖口加工，H型鋼加工好，并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，用端頭銑進(jìn)行端頭銑平，此時(shí)要準(zhǔn)確控制構(gòu)件的幾何尺寸，保證端頭平整。并通過鎖口機(jī)完成相關(guān)的鎖口處理，以提高端頭及鎖口的加工質(zhì)量，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效果。

3.5 構(gòu)件組裝階段

構(gòu)件組裝應(yīng)在組裝平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)應(yīng)測量找平。將用于裝配的組裝架及胎模牢固地固定在平臺(tái)上，將合格的型鋼梁柱整齊有序地?cái)[放其上，按照圖紙要求組裝加勁肋等構(gòu)件，然后按照設(shè)計(jì)圖紙放樣梁兩端螺栓孔的位置，標(biāo)出端面銑位置線和孔位檢查線，方便檢查及施工。構(gòu)件組裝時(shí)，注意先組裝內(nèi)部組件，再組裝外部組件。用數(shù)控臥式帶鋸床對H型鋼梁端坡口進(jìn)行再次切割，同時(shí)需嚴(yán)格規(guī)定H形鋼的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本工程要求H型鋼加工時(shí)，彎曲度允許偏差≤L/1000，且≤5mm；扭曲度允許偏差≤H/250，且≤5mm；端部切斜允許的偏差值e≤1.6%H，且≤3mm；翼緣腹板平面度允許偏差值≤2.0mm。這些質(zhì)量要求能夠有效控制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝的整體質(zhì)量，具有舉足輕重的作用，不容忽視。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)安裝階段

本工程采用埋入式剛性柱腳固定，鋼柱整體吊裝就位，將焊接好的柱腳底板通過預(yù)留螺栓臨時(shí)固定在基礎(chǔ)上，調(diào)整校準(zhǔn)后再綁扎柱鋼筋，澆筑混凝土。已完成吊裝的結(jié)構(gòu)要盡快焊接，才能盡早澆筑本層混凝土，從而進(jìn)行上層鋼結(jié)構(gòu)的安裝，加快建筑物的施工速度。

4 結(jié)語

通過對某高層建筑工程鋼結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)施工進(jìn)行分析與探討，可知鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用，需給予高度重視。從鋼板對接階段到鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要細(xì)心、謹(jǐn)慎，確保鋼結(jié)構(gòu)能夠科學(xué)、合理地應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效果，確保高層建筑工程整體的施工質(zhì)量。

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