高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設計關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)建筑在環(huán)保、節(jié)能、高效、工廠化生產(chǎn)等方面具有明顯優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)是內(nèi)部系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)、設備和管道及圍護結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一的系統(tǒng)，在高層建筑設計中，一定要把握住其結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵技術(shù)。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

1.1 優(yōu)點

（1）輕質(zhì)、高強。

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

（3）結(jié)構(gòu)可靠性高。鋼結(jié)構(gòu)材料重量輕、強度高、延性好，抗震性能與抗沖擊性能優(yōu)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(chǎn)業(yè)化適應性強。與混凝士結(jié)構(gòu)建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑更容易實現(xiàn)設計的標準化、構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化、現(xiàn)場施工的裝配化、完整建筑產(chǎn)品供應的社會化。鋼結(jié)構(gòu)工廠制作質(zhì)量可靠，尺寸精確，安裝方便?？梢霐?shù)控機床、計算機等控制設備，提高預制構(gòu)件的安裝精度。

（6）經(jīng)濟效益和環(huán)境效益突出。

1.2 缺點

（1）相對于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型

2.1 鋼框架結(jié)構(gòu)

特點：建筑平面根據(jù)需要分隔，布置靈活；框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標準化，是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)類型。采用輕質(zhì)隔墻，大大降低房屋自重，節(jié)省材料?？蚣軛U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(jié)構(gòu)

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

2.3 鋼框架-筒體結(jié)構(gòu)

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

2.4 巨型框架結(jié)構(gòu)

巨型框架結(jié)構(gòu)是以巨型框架（主框架）為結(jié)構(gòu)主體，并在其間設置小型框架（次框架）所組成的結(jié)構(gòu)體系。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計要點

主要受力構(gòu)件按照其功能和構(gòu)造特點可分為承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)件兩大類。

（1）承重構(gòu)件包括梁、柱（一般梁、柱和框架梁、柱）；

（2）抗側(cè)力構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要特點是：構(gòu)件的截面尺寸較大、鋼板厚度較大 。

3.1 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計一般步驟

（1）計算各種荷載作用下各構(gòu)件的內(nèi)力（即作用效應計算）；

（2）進行內(nèi)力組合；

（3）試選構(gòu)件截面（形式和尺寸）；

（4）構(gòu)件截面驗算；

（5）檢驗是否滿足構(gòu)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(nèi)。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(jié)構(gòu)，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(qū)段內(nèi)，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(tài)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(nèi)。

（3）鋼板剪力墻與鋼框架的連接構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GBJ 50017）。

3.5.2 梁的構(gòu)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(wěn)定，但仍應根據(jù)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(xiàn)塑性鉸的部位梁的受壓翼緣應設置側(cè)向支撐（7度及以上抗震設防的結(jié)構(gòu)，上、下翼緣均應該設置側(cè)向支撐），且實腹鋼梁相鄰側(cè)向支撐點之間的長細比應滿足規(guī)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(nèi)層厚度比宜為0.5~1.0，外層斷點應符合《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB 50017-2017）要求。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計

4.1 鋼柱柱腳節(jié)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(xiàn)；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(cè)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(yōu)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(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（JGJ 138-2016）中規(guī)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ECS 159:2004）中第7.3.2條規(guī)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?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)施工效率要求很高，在承臺面筋施工前鋼柱吊裝就位，鋼構(gòu)件存在深化設計、加工制作、運輸?shù)跹b等工序，要求鋼結(jié)構(gòu)啟動迅速，特別是二次深化工作對項目進程的影響，技術(shù)人員要充分認識施工流程，合理制定施工計劃。

4.2 梁柱節(jié)點

梁柱節(jié)點依據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159:2004）規(guī)定，主要有以下3種做法。

（1）帶短梁內(nèi)隔板式連接。

適用范圍：能焊接內(nèi)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(gòu)件容易變形過大）。

優(yōu)點：與鋼柱的焊縫在加工廠完成，焊接質(zhì)量可靠，現(xiàn)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(nèi)隔板式連接。

適用范圍：適用范圍同帶短梁內(nèi)隔板式連接。

優(yōu)點：鋼梁每側(cè)一條焊縫，構(gòu)件整體性好。采用全焊接節(jié)點，節(jié)約高強螺栓數(shù)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(gòu)件尺寸和不規(guī)則程度，運輸較為方便；如果鋼柱兩側(cè)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(nèi)隔板的鋼柱或根據(jù)項目需要。

優(yōu)點：在加工外隔板時，鋼管柱內(nèi)部依然可以做內(nèi)隔板，節(jié)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(jié)點

剛接節(jié)點通常分為栓焊連接節(jié)點、全焊連接節(jié)點和全栓連接節(jié)點?，F(xiàn)在最常見的是栓焊連接節(jié)點，全焊連接節(jié)點常用在懸挑梁端部節(jié)點或與鋼管等類似的封閉截面桿件，全栓連接節(jié)點在民用建筑鋼結(jié)構(gòu)中很少采用，其中比較重要的原因是民用建筑鋼結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)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(shù)量較少，等強連接容易實現(xiàn)。

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(xiàn)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(nèi)側(cè)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(shù)量較多（鋼板厚度薄的情況下可以實現(xiàn)），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(jié)點，該節(jié)點對壓型鋼板鋪設施工存在碰撞。

4.4 梁鉸接節(jié)點

鉸接節(jié)點通常用在非懸挑主次梁連接位置，根據(jù)構(gòu)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(yōu)點：雙面連接板，工程量大，對稱不產(chǎn)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(shù)量多。

（2）連接形式二（如圖2所示）。

圖2 連接形式二

優(yōu)點：安裝容易，不受主梁翼緣寬度影響。

缺點：單剪板節(jié)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(yōu)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(jié)點安裝不便，應慎用。

5 結(jié)束語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)重量輕、強度高、結(jié)構(gòu)可靠性高、施工效率高、產(chǎn)業(yè)化適應性強、經(jīng)濟效益和環(huán)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(shù)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(jié)點主要包括帶短梁內(nèi)隔板式連接、內(nèi)隔板式連接和外隔板式連接。超高層建筑中剛接節(jié)點不建議采用全栓節(jié)點。