本站原创摘 要：有着强度高,自重轻,有良好的塑性和韧性,抗震性能好,工业化程度高,安装容易,投资回收快,环境污染轻,施工周期短,造型美观等优势的钢结构逐渐成为我国高层建筑的主要结构形式,钢结构建筑被称为21世纪的绿色建筑.而随着我国钢铁工业的发展,国家政策由限制使用钢结构转变为积极推广使用钢结构,从而导致我国进入钢结构建筑的快速发展新时期.
关 键 词：钢结构；高层；建筑
一、钢结构材料与种类
高层建筑钢结构用钢有普通碳素钢、普通低合金钢和热处理低合金钢三大类.大量使用的仍以普通碳素钢为主.我国目前在建筑钢结构中应用最普遍的是Q235钢.基于高层钢结构的重要性,把冷弯试验、冲击韧性、屈服点、抗拉强度和伸长率并列为钢材力学性能的五项基本要求,这5项指标皆合格的钢材方可采用.对于抗震高层钢结构,钢材的屈强比应不低于1.2,对8度以上设防的钢结构,屈强比应不低于1.5.有明显的屈服台阶,伸长率应不小于20%,应具有良好的延性和可焊性.对于钢柱,为防止厚板层状撕裂,对硫、磷含量需作进一步控制,应不大于0.04%.
二、高层建筑钢结构的优点
1.能够减少建筑中结构所占的面积.针对建于地震区30层～40层的钢筋混凝土结构的高层建筑,其柱截面尺寸常取决于轴压比限值,达到1.8m×1.8m～2.0m×2.0m,核芯筒在底部的壁厚将达0.6m～0.8m,以满足结构侧向刚度和层间位移的要求,此两项结构面积约为建筑楼层面积的7%.如果采用钢结构,柱截面将大大减少,核芯筒采用钢柱及钢支撑时,包括外侧的装修做法,其厚度仍比筒壁厚度薄很多,相应的结构面积一般约为建筑面积的3%,比钢筋混凝土结构可减少约4%,对业主来讲,将带来不少的经济效益.
2.能够减轻结构自重,降低基础工程造价.一般钢筋混凝土框剪结构的高层建筑,当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板,内墙采用轻质隔墙时,包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为15kN/m2～N/m2,其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为10kN/m2～12kN/m2.相同条件下如果采用钢结构,全部重力荷载为10kN/m2～12kN/m2,其中钢结构和混凝土楼板的结构自重约为5kN/m2～6kN/m2,可见,两类结构的结构自重的比例为2∶1,全部重力荷载的比例约为1.5∶1,相当于30层高的钢结构高层建筑上部重力荷载,可等同于20层高的钢筋混凝土结构高层建筑.荷载值的很大差异,决定了基础荷载必然减轻,基础技术处理难度及工程造价将大大减小.
3.抗震性能明显优于钢筋混凝土结构.在地震力作用下,钢结构因具有良好的延性,它不仅能减弱地震反应,而且具有抵抗强烈地震的变形能力,因为它属于较理想的弹塑性结构.而混凝土的抗拉和抗剪强度却较低,延性也差,混凝土构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低,抗震能力较弱于钢结构.
4.能够缩短施工工期.钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作,在现场安装.在安装时,不需搭设大量的脚手架,同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板,无需另行支设模板,而且混凝土楼板的施工可与钢结构安装交叉进行,实践证明,钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快20%～30%,相应的施工周期将大大缩短,且获得明显的经济效益.
5.钢结构工程造价明显下降.研究表明,上部高层钢结构（不包括基础及地下室结构在内）的造价,一般为工程造价（全部结构造价及建筑装修、电梯、机电设备等）的15%～20%,而一般工程造价约为工程总投资（包括拆迁、购地及市政设施增容费用等）的50%～70%,相应上部钢结构造价约为工程总投资的8%～15%.因此,钢结构与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5%～10%.同时,还因结构自重减轻而降低基础造价,增加建筑使用面积和缩短施工周期,从而达到提高工程综合效益的目的.
三、钢结构的安装
高层钢结构的安装无论安装的顺序、机械的选用、构件的进场与分类,还是对基础定位轴线、顶面标高、地脚螺栓定位尺寸的检查验收,都应按照施工图纸的要求和已经批准的施工组织设计进行.
1.安装时,尽量减少高空作业的起吊次数,提高结构安装质量；采用专用吊具,防止构件产生永久变形；大型构件（如梁和柱等）安装后应立即进行校正,高层钢结构中柱的每一节定位轴线均应从地面控制轴线直接引出,避免误差积累,确保整根柱的偏差在允许范围之内.钢构件的安装和混凝土楼板的施工应相继进行；对楼面上的施工荷载要严格限制；同一单元的安装、校正、栓接、焊接全部完成并检验合格后,方可开始下一单元的安装.
2.钢结构的连接和固定对主要的焊接接头,应进行焊接工艺试验；高强度螺栓在使用前应进行施工试验,计算复验扭矩系数的平均值和偏差值,并按平均值确定施工扭矩；高层钢结构梁柱连接的栓焊混合节点,宜按先拧紧腹板上高强度螺栓,再焊接梁翼缘焊缝的顺序施工；栓钉在焊接前应进行试验.
3.钢结构的安装验收高层钢结构工程的安装验收,宜采用分阶段验收和最后竣工验收相结合的办法进行.在对其焊接、栓接和隐藏工程验收合格后,根据高层钢结构规程规定,检查其允许偏差值.再按GB50205-95钢结构工程施工及验收规范规定整理成文.
四、高层建筑钢结构在我国的应用及建议
近些年,我国高层建筑的数量越来越多,这类建筑群的出现对减少我国建筑占地面积具有较大作用,特别是对我国这样人口较多的国家来说,发展高层建筑无疑是解决我国建筑占地面积增多、人均土地减少的重要举措.在我国,高层钢结构建筑主要用作写字楼、酒店亦或大跨度的商业地产等,这些高层建筑多集中于繁华城市中心,多为一些被称为“都市综合体”的项目所应用.这类高层钢结构在标准层设计应用中的投影建筑面积通常较小,这导致安装过程中容易受到工序场地小构件多、工序长协调复杂等的影响,另外现场钢构件的堆放位置也会受到一定的限制.研究显示,钢结构的安装中最普遍的特点是存在较多立体交叉作业施工情况,即在安装过程中钢框架需要与钢筋混凝土结构界面的施工在同一时间进行作业,这使得两者在作业过程中互相干扰的现象时常发生,干扰较重时甚至需要工序间歇时间,这也不同程度地影响到了高层建筑钢结构安装的进度以及施工的流水节拍.一般钢梁在安装的时候主要是经限位的连接板及高强螺栓经过多次矫正并经过对高强螺栓的初拧和终拧来固定,从而达到对钢梁与梁柱连接点的轴线位置与垂直度进行有效控制的目的.为解决以上问题,建议在最初的吊装中,以安装就位的钢梁尚需要进行持续的矫正以及调整,以确保安装钢梁框架的位置与图纸设计要求相符合.在对其进行矫正时可借助千斤顶和倒链进行反复矫正,这样可以保证钢梁轴线的位置与其垂直度平行,以保证钢梁的安装质量.另外在进行钢梁吊装的过程中可借助连接板完成与钢柱牛腿以及钢梁腹板之间的连接,可以以一块小钢板或用高强度螺栓连接与两端焊口处的钢梁上翼缘板以及牛腿进行临时的点焊定位.在设计对钢梁进行吊点的耳板时,建议在梁跨的四分之一处进行设置.采用以上方法不仅可以提高安装速度和质量,而钢结构安装过程的安全与质量也得到了相应保证.
建筑结构学报,1997（1）：60～71
4李国强.我国高层建筑钢结构发展的主要问题.建筑结构学报,1998（1）：24～32