試析高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

寇繁榮

中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國(guó)·陜西 西安 710054

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市人口逐漸增加，城市土地資源壓力越來(lái)越大，促進(jìn)了高層建筑的大量涌現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)，自身質(zhì)量較輕，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度較好，在高層建筑中發(fā)揮了極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。而且使用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，提升了高層建筑的施工效率，降低了施工成本，為建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力支持。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，彈塑性較好，而且施工環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化，施工速度快，成本少，對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)主要是結(jié)合設(shè)計(jì)要求，在工廠(chǎng)預(yù)制構(gòu)件，然后運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，施工環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化，能夠?qū)Υ笮徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行制作，并可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[1]。此外，在鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中產(chǎn)生的邊角料可以循環(huán)利用，減少污染排放，節(jié)約施工成本，強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)力度。鋼結(jié)構(gòu)空間比較大，可以結(jié)合實(shí)際施工需求進(jìn)行改造、擴(kuò)張，便于移動(dòng)。但是，鋼結(jié)構(gòu)具有一定的易脆性，且抗腐蝕能力不高，耐火效果差等缺陷，所以在對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要采取針對(duì)性的防護(hù)措施，提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

3.1 方案設(shè)計(jì)

在對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)多方面的因素進(jìn)行綜合性考量，如建筑物的使用功能、施工工藝性能、設(shè)計(jì)方案總體合理性等[2]。高層建筑的主要載荷來(lái)自風(fēng)力和地震，因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意減少側(cè)移，避免發(fā)生扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，增加建筑物的整體強(qiáng)度，減少薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)建筑物的高度進(jìn)行合理把握，提升其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的整體效能。

3.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

要結(jié)合具體的施工要求，對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式實(shí)施創(chuàng)新，使用新型的連接方式，提升截面效能；保障結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的精準(zhǔn)性，并實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)施科學(xué)判斷、校核，盡量減少計(jì)算誤差；要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況，對(duì)構(gòu)件截面、連接點(diǎn)承載力開(kāi)展適時(shí)調(diào)整；優(yōu)化結(jié)構(gòu)外圍環(huán)境設(shè)計(jì)，如果吊裝設(shè)備能力較大，可以增加拼裝結(jié)構(gòu)規(guī)模，提升安裝施工速度，控制施工成本，提升經(jīng)濟(jì)效益[3]。

3.3 先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要注意樹(shù)立先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，為建筑物的改進(jìn)與優(yōu)化預(yù)留空間，因此在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往使用平面結(jié)構(gòu)比較多，空間結(jié)構(gòu)使用較少。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 鋼構(gòu)件的焊接

由于鋼構(gòu)件的材料類(lèi)型、材質(zhì)等存在一定的差異性，因此在具體的焊接時(shí)，要結(jié)合具體情況靈活使用焊接工藝：①預(yù)處理環(huán)節(jié)，要對(duì)焊接工作之前的各項(xiàng)工作做好準(zhǔn)備，為焊接工藝的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)；結(jié)合焊縫接頭的不同，選擇針對(duì)性的焊接方式；結(jié)合接頭坡形的具體情況，并按照焊接技術(shù)的具體要求，對(duì)引弧板、引出板、背面襯板等進(jìn)行保準(zhǔn)性安裝，以便對(duì)焊接工藝提供輔助；對(duì)焊接場(chǎng)地的具體環(huán)境進(jìn)行考察和測(cè)量，并結(jié)合測(cè)量結(jié)果選擇合適的預(yù)熱處理工藝。②施焊工藝的應(yīng)用。要結(jié)合具體的施工要求，對(duì)焊接電流大小、焊條直徑大小進(jìn)行合理選擇，并對(duì)焊接相關(guān)工藝進(jìn)行合理使用[4]。③完成焊接工藝之后，需要進(jìn)行焊后處理，避免焊縫出現(xiàn)凹陷、氣孔、裂縫等問(wèn)題。此外可以利用超聲波無(wú)損探傷技術(shù)對(duì)受力點(diǎn)實(shí)施全面檢查。

4.2 鋼構(gòu)件的組裝工藝

鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同，要選擇合適的組裝工藝技術(shù)。①如果鋼結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，體積較小的零部件，可以按照設(shè)計(jì)圖紙的要求，在組裝平臺(tái)上彈出裝配定位線(xiàn)，方便對(duì)不同零件進(jìn)行組裝，達(dá)到對(duì)不同組件進(jìn)行裝配的目的。②針對(duì)H型鋼結(jié)構(gòu)，要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)要求和數(shù)據(jù)，組裝標(biāo)準(zhǔn)性的胎模，通常情況下基準(zhǔn)面使用翼緣板進(jìn)行制作，施工人員要使用腹板在另一面施加側(cè)向推力，并保障推力的水平方向延伸，然后利用這兩種板塊的自重，使其全面固定在工作位置上。③針對(duì)箱形結(jié)構(gòu)的組裝，主要是按照設(shè)計(jì)圖紙的要求，掌握精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在相應(yīng)位置彈出組裝線(xiàn)，其彈線(xiàn)位置一般在結(jié)構(gòu)主體的蓋板、腹板、隔板面上。把蓋板、側(cè)腹板設(shè)置為基準(zhǔn)面，并按照彈線(xiàn)對(duì)隔板、腹板進(jìn)行安裝[5]。在這一環(huán)節(jié)中，要對(duì)安裝順序和流程進(jìn)行精準(zhǔn)掌握，往往需要從一個(gè)方向出發(fā)對(duì)其實(shí)施安裝，將腹板定位在中部隔板，然后對(duì)其對(duì)稱(chēng)位置實(shí)施定位焊接。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝與檢測(cè)

①在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝之前，需要對(duì)其成品進(jìn)行全面檢測(cè)，確保其符合標(biāo)準(zhǔn)要求，才能進(jìn)行安裝施工。其中檢測(cè)環(huán)節(jié)有對(duì)構(gòu)件成品、工廠(chǎng)預(yù)組裝等的檢查。在具體的檢查過(guò)程中，要嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)要求，并依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范性檢測(cè)，而且在檢查之前，工作人員要明確設(shè)計(jì)要求，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的使用情況全面掌握。具體的檢測(cè)內(nèi)容有：尺寸大小、連接部位、變形量等。尤其是要對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度進(jìn)行全面檢測(cè)，并按照國(guó)家相關(guān)文件要求對(duì)其實(shí)施規(guī)范性質(zhì)量驗(yàn)收。

②鋼構(gòu)件的運(yùn)輸。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件需要在工廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。在設(shè)計(jì)運(yùn)輸方案之前，要對(duì)鋼構(gòu)件的形狀、重量、大小、運(yùn)輸條件、安裝要求等進(jìn)行全面了解，從而制定具有可行性和合理性的運(yùn)輸方案。其中主要的運(yùn)輸形式有：總體制造+單元運(yùn)輸、總體制造+總體運(yùn)輸、分段制造+分段運(yùn)輸?shù)?。在運(yùn)輸過(guò)程中，要加強(qiáng)加固防護(hù)措施，防止裝卸車(chē)、運(yùn)輸、起吊過(guò)程中出現(xiàn)變形現(xiàn)象，影響其使用[6]。運(yùn)輸人員還需要對(duì)運(yùn)輸沿線(xiàn)的公路、橋梁等情況進(jìn)行調(diào)查，以免運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)意外情況。

③施工測(cè)量。施工測(cè)量是鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的重要基礎(chǔ)和前提，只有保障施工測(cè)量的精準(zhǔn)性，才能確保整體安裝質(zhì)量，促進(jìn)安裝操作的有序開(kāi)展。在測(cè)量過(guò)程中，要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)展深入研究和分析，并對(duì)具體的數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)意圖等進(jìn)行全面確認(rèn)，多方審核，確保其合理性與可行性；對(duì)測(cè)點(diǎn)實(shí)施重復(fù)性校測(cè)，保障測(cè)量定位的精準(zhǔn)性；對(duì)測(cè)量器具進(jìn)行檢測(cè)、校正和調(diào)整，確保其測(cè)量精度，避免引起較大的測(cè)量誤差；制定合理可行的測(cè)量計(jì)劃，并對(duì)各方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集、整理，為測(cè)量工作的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)依據(jù)；測(cè)量驗(yàn)線(xiàn)、測(cè)量放線(xiàn)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)性。

④由于一些大型鋼結(jié)構(gòu)難以運(yùn)輸，往往會(huì)對(duì)其進(jìn)行拆分，使其各個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度、大小、重量符合起吊設(shè)備、運(yùn)輸條件的要求，因此施工現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行二次拼裝。

4.4 抗震工藝

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中，需要強(qiáng)化對(duì)抗震工藝的合理使用，提升高層建筑的抗震性能，強(qiáng)化整體建筑物的穩(wěn)定性和可靠性。建筑抗震構(gòu)造主要包含以下方面：

①柱腳施工工藝，主要有兩種形式：埋入式柱腳，把鋼柱預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)梁中，利用柱腳底板、錨栓等，把鋼柱上部的軸向力傳遞到柱腳，以此提升柱腳的抗彎性能，強(qiáng)化其抗剪強(qiáng)度，提升整體鋼結(jié)構(gòu)的彈性要求；外包式柱腳，把鋼筋混凝土外包在鋼柱表面，并通過(guò)柱腳底板、錨栓將其軸向力傳遞到柱腳基礎(chǔ)上[7]。

②梁、柱連接節(jié)點(diǎn)，兩者的連接方式主要是柱貫通方式；利用箱截面把兩個(gè)互相垂直的梁剛性連接到柱上；利用工字型截面實(shí)現(xiàn)柱與梁的剛性連接；使用全焊接方式對(duì)懸臂梁段與柱進(jìn)行連接。

4.5 防腐防火工藝

由于鋼結(jié)構(gòu)的防火防腐能力不好，一旦出現(xiàn)腐蝕、火災(zāi)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的垮塌。因此，可以在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹絕熱材料，也可以涂抹吸熱材料，一旦發(fā)生火災(zāi)可以把鋼材與火進(jìn)行有效隔離，提升鋼材的耐火極限，增加鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的有效應(yīng)用，發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)作用，提升了施工速度，減少了施工成本，增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在具體的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要結(jié)合施工要求，采取合理的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、強(qiáng)化施工安全性，有效克服鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷問(wèn)題，促進(jìn)高層建筑施工質(zhì)量和施工效率的全面提升。