1、高层建筑钢结构设计中的问题探讨 摘要：随着社会的发展与进步，重视高层建筑钢结构设计工作具有重要的意义。本文主要介绍高层建筑钢结构设计中的有关内容。 关键词高层 建筑 钢结构 设计类型 中图分类号： TU208.3文献标识码： 文章编号： Abstract: Along with the development of social development and progress, we should pay attention to the high-rise steel structure design wture design of the related contdesign, type
2、 引言 钢结构应用于高层建筑已有数十年的历史。首先采用钢结构建造高层建筑的是美国，战后经过经济恢复，高层钢结构工程建设再度兴 起，随着炼钢技术和成型制造工艺的发展，给钢结构工程的应用带来新的活力：工程建设日益增加，相应又推动了钢结构设计与施工技术的不断进步积完善。 1、高层建筑钢结构的类型划分 高层建筑钢结构的类型，按其所选用的材料来分，可有下列三种类型： 1.1 全钢结构：该结构类型是指除基础外，上部结构全由钢构件组成骨架，以承受竖向荷载和水平荷载。 1.2 钢 砼混合结构：该结构类型是指在同一建筑物或结构单于中，同时采用钢结构和钢筋砼结构。如在同一楼层中，同时应用钢框架和钢筋砼剪力墙结构。
3、 1.3 钢 砼组合结构：是指同一结构构件由型钢和砼两种材料组合起来并共同工作，以承受荷载的作用。如钢骨砼、组合楼盖、钢管砼。 2 结构选型与结构布置 由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该具体工程具体分析。应根据工程的条件和特点，综合考虑建筑的使用功能、荷载性能、制作安装、材料供应等因素，择优选择抗震性能良好，而叉经济合理的结构体系和结构形式，对高烈度设防的高层钢结构，宜选用钢框一支、钢框一筒或钢一筒中筒等钢结构体系。同时应与建筑师充分沟通合作，共同商定符合抗震、抗风原则的 结构平面与立面布置。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可
4、能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力 (风震 )的作用线，否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受 1 4 的总水平力。 3、预估截面 结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是粱柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1 20 1 sO 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按 l b 限值确定时，可回避钢粱的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可
5、按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估，通常50x150，简单选择值在 100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择 H型钢截面等。初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区 别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。 4、钢结构设计 焊接 : 对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守，焊条的选用应和被连接金属材质适应。 E43 对应 Q235， E50 对应 Q345， Q235
6、 与 Q345 连接时，应该选择低强度的 E43，而不是 E50。焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。 栓接 : 铆接形式，在建筑工程中， 现已很少采用，通螺栓抗剪性能差， 可在次要结构部位使用，高强螺栓，使用日益广泛。常用 8.8s 和 10.9s 两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同，高强螺栓最小规格 M12。常用 M16M30。超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。 连接板 : 可简单取其厚度为梁腹板
7、厚度加 4mm。然后验算净截面抗剪等。 梁腹板 : 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承 压。节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。 5、钢结构制作与安装 5.1 钢柱的安装 钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件，在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。 100m 高的超高层钢柱一般分为8 12 节构件，钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊
8、缝的 收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形，所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度，即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换，要求对每节钢柱应编号予以区别，正确安装就位。矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊，不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。钢柱标高的控制一般有二种方式： (1)按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过 3mm，不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形，建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算 合格，这种制作安装一般在 12 层以下，层高控制不十分严格的建筑物。 (2)按设计标高制
9、作安装。一般在 12 层以上，精度要求较高的层高，应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高，每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。 5.2 框架梁的制作与安装 高层、超高层框架梁一般采用 H 型钢，框架梁与钢柱宜采用刚性连接，钢柱为贯通型，在框架梁的上下翼缘处在钢柱内设置横向加劲肋。框架梁应按设计编号正确就 位。为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性，在工厂制造时，在框架梁所在位置设置悬臂梁 (短牛腿 )，悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接 采用剖口熔透焊缝，腹板采用贴角焊
10、缝。框架梁与钢柱的悬臂梁（短牛腿）连接，上下翼缘的连接采用衬板 (兼引弧板 )全熔透焊缝，腹板采用高强螺栓连接。由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求，当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时，腹板的连接板可开椭圆孔，椭圆孔的长向尺寸不得大于 2d0（ d0 为螺栓孔径），并应保证孔边距的要求。框 架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度，需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算再按实际加工之后校核，确定其翻样下料的精确长度。框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接，目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘，先一端点焊定位，再焊另一端。腹
11、板则采用高强度螺栓连接，要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。采用高强螺栓群连接时，孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多轴数控钻孔，前者精度低，后者精度高，应优先考虑采用后 者。当采用模板制孔时，应保证模板的精度，以确保高强螺栓的组装孔和工地安装孔的精度要求。如果孔位局部偏差，只允许使用铰刀扩孔。严禁使用气割扩孔，若用气割扩孔，则应按重大质量事故处理。 6、图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两个阶段进行。 1)设计图：对于设计依据、荷载条件、材料选用、材质要求、制作和安装要求、焊缝质量检验的等级要求、安装及运输要求、防火要求、
12、结构布置、构件截面选用以及节点连接等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表 示。 2)施工详图：是对设计图的深化，构件上各组件的位置、大小、连接应表达清楚。每根构件应包括材料表，便于制作厂下料加工和现场安装。设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。 结束语 总之，我国正在大力发展钢结构高层民用建筑，我们应及时组织考察总结已建成的钢结构工程的经验，满足住宅在适用性能、环境性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求，形成完善的建筑体系。但愿我国的钢结构高层民用建筑能够经得住历史 的考验。 参考文献 沈祖炎，钢结构基本原理 M.北京，中国建筑工业出版社， 2004 姜学诗，钢结构房屋结构设计中常见问题分析 J;建筑结构 ; 2003 年06 期 蔡玉春 ;钢结构住宅产业化的现状与进展 J.钢结构 .2005-01.
