芻議高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選型布置及應(yīng)用

1、<p>　　芻議高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選型布置及應(yīng)用</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的住房環(huán)境也有了很大的改善，高層建筑逐漸成為了人們的主要居住形式。同時(shí)對(duì)于高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型布置方面也帶來(lái)建筑師了新的挑戰(zhàn)。本文主要從鋼結(jié)構(gòu)的選型布置方面入手，重點(diǎn)分析高層建筑之中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；選型布置；設(shè)計(jì)

2、 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　近年來(lái)，我國(guó)一座座新型的高層建筑拔地而起，成為重要的建筑形式。人們?cè)谙硎艿礁邔咏ㄖ?lái)空間節(jié)省的同時(shí)，如何對(duì)于高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型布置，也給建筑師制造了一定的麻煩。我國(guó)的高層建筑的鋼架構(gòu)設(shè)計(jì)目前還存在著一些不成熟的問(wèn)題，本文主要就鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用展開(kāi)討論。 </p><p

3、>　　高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結(jié)構(gòu)高層建筑在美國(guó)芝加哥拔地而起,到了二次世界大戰(zhàn)后由于地價(jià)的上漲和人口的迅速增長(zhǎng),以及對(duì)高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的研究日趨完善、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和施工技術(shù)水平的不斷提高,使高層和超高層建筑迅猛發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑中由于自重大,柱子所占的建筑面積比率越來(lái)越大,在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑;同時(shí)高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生,在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)

4、或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計(jì)建造可說(shuō)是同步前進(jìn)。 </p><p>　　1、鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍 </p><p>　　我國(guó)的高層與超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展我國(guó)的高層與超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑自改革開(kāi)放以來(lái)已有20年的歷史,并在設(shè)計(jì)和施工中積累了不少經(jīng)驗(yàn),已有我國(guó)自行編制的《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99-98。 </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、

5、荷載或吊車起重量大、有較大振動(dòng)、高溫車間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　2、對(duì)結(jié)構(gòu)的選型與布置 </p><p>　　“概念設(shè)計(jì)”往往被強(qiáng)調(diào)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，它在結(jié)構(gòu)選型與布置中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問(wèn)題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角

6、度來(lái)確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。 </p><p>　　概念設(shè)計(jì)的運(yùn)用可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。 </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)分為框架、平面(木行)架、網(wǎng)架(殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。其理論與技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。但是仍然?/p>

7、部分難題沒(méi)有解決，或沒(méi)有簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，例如網(wǎng)殼的穩(wěn)定等。結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。對(duì)于冬季雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落。結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮。一般的說(shuō)要?jiǎng)偠染鶆颉ＡW(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其重心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作

8、用線。否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。比如有撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會(huì)使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也時(shí)會(huì)吃不消，此時(shí)把次粱支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。 </p><p>　　3、預(yù)估截面的估算 </p><p>

9、　　結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在度的1／20-1／50之間選擇。翼緣寬度向支撐的間距按l／b限值確定時(shí)，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法使用十分廣泛。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估，通常50<λ<150。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單

10、向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。除此之外構(gòu)件截面形式的選擇沒(méi)有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，界面的選擇要科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)美觀。 </p><p><b>　　4、對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì) </b></p><p>　　構(gòu)件的設(shè)計(jì)十分注重材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。主結(jié)構(gòu)為了便于工程管理一般使用單一鋼種。從經(jīng)濟(jì)方面考

11、慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用Q235，構(gòu)件設(shè)計(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用塑性的方法來(lái)驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過(guò)的構(gòu)件，從給定的截面庫(kù)里選擇加大一級(jí)。并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過(guò)，如sap2000等。這是常說(shuō)的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。這樣結(jié)構(gòu)師的工作量就大范圍減少了。 </

12、p><p>　　5、對(duì)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) </p><p>　　連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，鉸接和半接。初學(xué)者宜選擇可以簡(jiǎn)單定量分析的前兩者。常用的參考書(shū)有豐富的推薦的節(jié)點(diǎn)做法及計(jì)算公式。連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的鋼接節(jié)

13、點(diǎn)雖然承受彎矩沒(méi)有問(wèn)題，這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)較大，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：焊接：對(duì)焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守，焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對(duì)應(yīng)Q235，E50對(duì)應(yīng)Q3，Q235與Q345連接時(shí)，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43而不是E50。焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。栓接：鉚接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用，通螺栓

14、抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用，高強(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8．8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者算方法不同，高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格 M12，常用M16～M30。超大規(guī)格的螺栓性能據(jù)梁間側(cè)不穩(wěn)定，設(shè)</p><p>　　對(duì)連接板的設(shè)計(jì)過(guò)程：簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加4mm。對(duì)驗(yàn)算凈截面抗剪驗(yàn)算。梁腹板：應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮

15、安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝是初學(xué)者長(zhǎng)犯的錯(cuò)誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位與臨時(shí)固定。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控機(jī)床。通常等設(shè)備才能完成。 </p><p><b>　　6、圖紙的編制 </b></p><p>　　設(shè)計(jì)圖的編制過(guò)程：是提供制造廠編制施工詳圖的依據(jù)。深

16、度及內(nèi)容應(yīng)完整但不冗余，在設(shè)計(jì)圖中是彈對(duì)于設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求、設(shè)計(jì)要求(包括造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)的等級(jí)、涂裝及運(yùn)輸?shù)?、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面選用以及結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均應(yīng)表示清楚，以利于施工詳圖的順利編制，并能正確體現(xiàn)設(shè)計(jì)的意圖。主要材應(yīng)列表表示。 </p><p>　　施工詳圖的編制過(guò)程：又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接制造加工。不完全相同的另構(gòu)件單元須單獨(dú)

17、繪制表達(dá)，并應(yīng)附有詳盡的材料表，設(shè)計(jì)圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個(gè)設(shè)計(jì)單位及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]宗鐘凌，曹雙寅，張皓．混凝土框架頂部鋼結(jié)構(gòu)加層連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究．《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》，2011，7． </p><p>　　[

18、2]徐龍河，楊冬玲，李忠獻(xiàn)．基于應(yīng)變和比能雙控的鋼結(jié)構(gòu)損傷模型．《振動(dòng)與沖擊》，2011，7． </p><p>　　[3]張慎偉，張其林，羅曉群．大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程計(jì)算理論與應(yīng)用．《同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》，2009，4． </p><p>　　[4]曾志斌，史志強(qiáng)，史永吉．大型鋼結(jié)構(gòu)厚板對(duì)接焊接變形試驗(yàn)研究．《中國(guó)鐵道科學(xué)》，2009，3． </p><p&