1、我国高层建筑钢结构的发展探讨摘要：本文阐述了我国高层建筑钢结构的发展趋势, 并归纳出高层钢结构发展中存在的问题, 以使人们对钢结构的认识进一步深化。 关键词：高层钢结构, 发展, 现状, 趋势 中图分类号：TU391 文献标识码： A 文章编号： 引言 钢结构正在建筑领域扮演着越来越重要的角色。人们对高层及超高层建筑结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高,使高层和超高层建筑迅猛发展。我国高层钢结构起步较晚,但发展迅速。 1、高层钢结构发展现状 1.1 高层钢结构建筑概述 高层钢结构建筑是一个国家经济实力和科技水平的反映,又往往被当作一个城市标志性建筑。20 世纪 80
2、年代至今已建成和在建高层钢结构达80 多幢,总面积约 600 万 m2,钢材用量 60 多万吨,包括正在规划和建设的已有 100 幢高层钢结构。最近北京、上海在建和新建高层钢结构就超过10 幢。 1.2 轻型钢结构的使用 我国轻钢结构建筑发展较快,主要用于轻型的工业厂房、体育场馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。轻钢结构是相对于重钢结构而言,其类型有门式刚架、拱形波纹钢屋盖结构等。在国外,轻钢结构已广泛地应用于包括住宅在内的各种高层建筑,由轻钢构件构成的轻质内外墙体系非常便于与承重结构的框架体系融为一体。轻钢墙体自重荷载大大地小于砖石墙体,抗震性能好;经济适用;可在工厂预制现场整板吊装,施工进度
3、快;耐火性好;防潮、保温、隔热。 1.3 钢混凝土组合结构 众所周知,钢-混凝土组合结构是充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点的合理组合,不但具有优异的静、动力工作性能,而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度,是可以广泛推广的结构;对环境污染也较少,是符合我国建筑结构发展方向的一种比较新颖的结构;并以迅猛的势头进入高层与超高层建筑中,全部采用组合结构的超高层建筑，如深圳赛格广场大厦,高 291.6m,属世界最高的钢-混凝土组合结构。 2、我国高层钢结构的发展特点 1)构件立体化。高层建筑在水平荷载作用下,主要靠竖向构件提供抗推刚度和强度来维持稳定。在各类竖向构件中,竖向线性构件(如柱)
4、的抗推刚度较小;竖向平面构件(剪力墙或平面框架)虽然在其平面内具有较大的刚度,然而其平面外的刚度依然小到可略去不计;由墙或密柱深梁组成的筒体或巨型柱,尽管其基本元件依旧是线形构件或平面构件,但它已转变成具有不同力学特性的立体构件,在任何方向均具有较大的抗推刚度及抗扭刚度,能抗御任何方向较大的倾覆力矩及扭转力矩。 2)结构支撑化。框筒是用于高层建筑的一种高效抗侧力体系,然而,它固有的剪力滞后效应(在水平荷载作用下,由于框架横梁的剪切变形,使框架柱的轴力呈非线性分布的现象)削弱了它的抗推刚度和水平承载力。特别是当房屋平面尺寸较大,或因建筑功能需要而加大柱距时,剪力滞后效应就更加严重。为使框筒能充分
5、发挥潜力并有效地用于更高的房屋建筑之中,在框筒中增设支撑已成为一种强化框筒的有力措施。若把在抵抗倾覆力矩中承担压力或拉力的构件,由原来的沿房屋周边分散布置,改为向房屋四角集中,在转角处形成一个巨柱,并利用交叉斜杆连成一个文体支撑体系,是高层建筑钢结构中的又一发展新趋势。由于巨大的角柱在抵抗任何方向倾覆力矩时都具有最大的力臂,从而该结构体系更能充分发挥结构和材料的潜力。 3)巨柱周边化。巨型柱属立体构件,本身具有较大的抗推刚度和抗扭刚度。若将巨柱沿建筑平面的周边布置,则该结构具有更大的抗推刚度和抗扭刚度,能抗御特大的水平荷载与扭转荷载。该种结构布置方案特别适于特高特大型超高层建筑。 4)体形圆锥
6、化。为了减小风载体形系数和增大抗推抗扭刚度,现代高层特别是超高层建筑体形呈圆锥或截头圆锥化趋势。如日本东京拟建的米兰留培楼,高度 800m,采用圆锥状体形。 5)材料高强轻型化。随着建筑高度的增加,结构自重增大,从而引起地震作用增大,以致结构面积占建筑使用面积的比例和结构对地基的压力增大。因此为了尽量减小或消除上述的一系列不利影响。选用轻质高强材料(如选用压型钢板或铝板作围护外墙或隔墙等)是高层建筑钢结构的又一发展趋势。 6)动力反应智能化。对于特高特大型或复杂体形的高层或超高层建筑,为了减小风振或地震反复,在结构上安装传感器、质量驱动装置、可调刚度体系和计算机等所组成的人工智能化反应控制系统
7、,来控制整个结构的地震反应,使它处于安全界限以内。这是高层建筑钢结构在结构减震控制方面的发展趋势。如日本拟建的动力智能大厦,地下 7 层,地上 200层,高 800m,建筑总面积 150 万 m2。在安装了人工智能化动力反应控制系统后,其结构在地震作用下的侧移削减 40%左右。可以看出,巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系,是为了满足特殊功能或综合功能而产生的,它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能,是一种很有发展前景的结构。 3、高层钢结构发展现状及存在的问题 1)地域差异所导致钢结构并非各地区广泛适用。我国幅员辽阔,地区经济实力、科技水平、气候等差异较大。20 世纪 80 年代中
8、期始建高层钢结构建筑,此后随着改革开放与经济发展,在上海、北京等地相继建造数十幢高层钢结构建筑,特别是在上海浦东新区的开发与建设中,很多高层建筑采用钢结构,而在大西北地区,甚至华北地区发展相对缓慢。沿海城市由于海边的湿度和盐度都要大些,钢结构的防腐蚀性就要考虑的多些,甚至工艺就会更复杂,而防腐蚀性差又是钢结构在使用过程中的一大致命弱点。尽管在中国也投入了耐候钢的生产,使用了进行改良的耐候型钢板、耐火钢等,但是钢结构在防腐蚀维护的费用上还是非常之高。 2)专业设计软件的可信度与相关规范、标准不完善。随着近几年来计算机水平的高度发展,一些科研院所与高校也做了不少的贡献,如:中国建筑科学研究院的 P
9、KPM 中 STS 模块,同济大学研究的 3D3S 软件、MTS 软件等。另外,还有许多如 XS-TEEL,ANSYS 等国外软件。根据对一些大中型设计院的调查,使用较多的是 PKPM,ANSYS。也有部分工程根据业主的要求用 XSTEEL,很少用 MTS,对这些软件的应用还不是特别可靠,一般设计人员还要通过两个软件来相互校核。在高层钢结构设计中弹塑性动力时程分析仍是难点,钢结构住宅的通用程序也有待于开发。借鉴国际的工程规范和国内工程的实际情况,有众多的规范、规程需要不断的修订。 3)设计人员水平参差不齐,高水平设计人员缺乏。现在高层钢结构设计(包括施工图设计与详图设计等)领域中突显出来许多详
10、图设计人员的知识面水平参差不齐、工作资历深浅不一都导致其工作业绩差距较大。在我国,大量引进先进软件之时也正逐渐把国外较成熟的钢结构设计工作思路引入我国设计行业。高等院校虽然造就出大批工程技术设计人员,但普遍存在理论过时脱离实际,工作上手慢等问题。然而,经济发展需要钢结构领域必须大步向前,因此一些企业的泛滥发展导致钢结构行业人才良莠不一,造成的不良后果已经有不少企业为此而蒙受损失。要想带动该行业有长足的发展,在不断完善设计规范的同时更应重视人才的培养,尤其是高水平人才的培养。结合我国经济、地理的实际情况不断提高设计、施工水平。 结束语 随着我国钢产量和质量的稳步提高,国家钢结构产业政策的重大转变以及人们对钢结构认识的进一步深化,钢结构建筑在我国的工程建设中所占份额必将会越来越大,应用范围也一定会越来越广。虽然钢结构的发展还需日趋完善,但可以预测在未来的发展中我国将走进一个新的建筑时期,而高层钢结构逐步突显着它的重要地位。 参考文献 1蔡益燕.5 高层民用建筑钢结构技术规程 6 修订刍议J.建筑钢结构进展,2003,5(4):1-4. 2徐朝晖.高层轻型钢结构住宅的设计与研究J.安徽建筑工业学院学报,2001,9(3):33-36.
