高层建筑钢结构的发展及应用

摘要：文章研究的重点是高层建筑刚结构的发展与应用，通过对目前国内正在施工以及施工完成的高层建筑钢结构的国产化问题进行相关调查研究，针对钢柱结构、框架梁的制作与安装进行了分析，对影响高层建筑钢结构安装的因素进行了研究。重点分析了目前高层建筑在所用钢材、设计施工以及施工过程监管等方面的问题，并针对高层钢结构建筑构建过程中存在的问题提出相应建议。

关键词：高层建筑；钢结构；施工体系；框架梁

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）10-0042-03

自19世纪80年代美国芝加哥建成了世界上第一幢高层钢结构建筑起，高层钢结构建筑已具有110余年的历史。经过第二次世界大战，世界人口激增，地价也相应提高，同时随着科学技术的进步，各项钢结构技术如对钢结构体系的研究以及施工技术、计算技术等也日趋完善，高层钢结构建筑在世界范围内广泛兴起。由于钢筋混凝土结构存在自身重量大、所建柱子占地面积大等各种缺陷，其在高层建筑建设中的应用受到限制。为克服混凝土的弊端，各国加强了对高强度钢结构的重视程度，高强度钢材应运而生，在高层建筑中采用部分钢结构的设计以及理论研究也获得了相应的成果，并逐渐应用于高层建筑的构建中。高层建筑钢结构的发展水平一度成为衡量一个国家建筑在科技方面水平的重要标志，同时也体现了一个国家的材料工业水平，甚至成为衡量一个国家综合技术水平以及建设部门财力水平的象征。

1 我国高层建筑钢结构的发展

改革开放以来，我国不断引进国外先进技术，高层钢结构建筑也随之不断发展起来，到目前为止已有30余年的发展史。在此期间我国在高层钢结构建筑的设计以及施工方面已经积累了丰富的经验，《高层民用建筑钢结构技术规程》的自行编制是我国高层建筑钢结构发展过程中的巨大成果，它的颁布充分彰显了我国在高层建筑钢结构方面的技术已逐步完善。目前我国在此方面已逐渐出现国产化的趋势。

1.1 钢材生产的国产化

国内部分钢铁企业已以国内现有的高层建筑钢结构的设计标准制定出了第一套由我国自行编制的高层建筑钢结构标准，即《高层建筑结构用钢板》，该标准与原有的《低合金高强度结构钢》相比具有更高的适用性，并且其中的多种性能指标均较国外同类性产品具有更高的质量保证。

1.2 钢结构设计国产化

自钢结构设计引入我国到2003年期间我国在建以及已建的钢结构高层建筑已超过60余幢，本文依照其结构类型对其进行划分，RC核心筒种类有很多，常见的有SRC框架、钢框架、矩形框架以及纯钢框架和钢筋混凝土框架等。其中SRC与钢框架二者组成的合材约占60.11%。但据统计发现，现在我国所拥有的高层建筑钢结构中混凝土占较大比例。由于我国混凝土结构尚且没有进行完整的系统性研究，因此《建筑抗震设计规范》尚不能被列入高层建筑钢结构的构建规范中。我国国家标准对高层建筑的最大宽度以及高度有一定限制，因此在实际操作中需要考虑到这一规范，否则，应当需要进行相关的专项论证以及实验研究等。相比之下，建设部制定的第111号令具有一定的可操作性，如《超限高层建筑抗震设防专项审查技术要点》以及《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》等，这类规范可用于控制高层建筑结构的设计质量，而且意义重大。一般而言，钢结构的设计多分为两个阶段，包括设计图设计阶段以及具体施工图设计阶段。目前已有的设计院均采用国外的设计模式，并借鉴其节点图、无构件图以及钢材表的设计方法。

2 高层结构体系

国内在高层结构体系方面尚存在很多规范制度上的欠缺，特别是在划分高层建筑、建筑设计以及建筑抗震设计方面均没有完整的规范。一般观点认为，高层建筑总高度应超过24米，超高层建筑则应超过60米。在进行高层建筑设计时，需要考虑到建筑应用功能以及建筑高度差异等，另外考虑到安全、经济、可靠、合理等经济原则。在以上原则的基础上选择合适的结构体系（常见的结构体系主要有六类：框架结构体系、框架剪力墙结构体系、束筒结构体系、筒中筒结构体系、框筒结构体系以及剪力墙结构体系）。

3 钢结构的制作及安装

3.1 钢柱结构的制作与安装

钢柱是高层建筑的重要组成部分，在高层建筑中钢柱作为主要的竖向构件起到决定高层建筑的总高度以及各层高度的作用，同时在加工制造钢柱的过程中要求亦较为严格，需要满足现有的规范，并且在验收中具有特有的验收标准。由于钢柱需要被分为多节构建，比如，100米高的钢柱需要被分成8～12节构件。另外在钢柱生产制作进行反样下料过程中需要考虑到钢柱的竖向荷载可能导致的压缩变形以及焊接过程中可能出现的收缩变形等问题，因此在进行钢柱分节时需要意识到钢柱翻样下料的长度并不等同于设计时的设计长度，而是稍短于设计长度，在实际生产过程中需要做到精确生产，即便几毫米的误差也不可以忽略。焊接收缩变形程度可通过经验公式计算出，之后再按实际加工之后的标准进行校核，确保其翻样下料长度为精确长度。框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接，统计发现目前大部分部门在连接过程中采用带衬板的全熔透焊接进行连接。即在施工时先焊接下翼缘之后再焊上翼缘，先对一个端点焊定位，再对另一个端点进行焊接。除此以外，每节钢柱都需要进行相应编码，以保证其按照正确次序安装，原则上上下相邻两节钢柱的截面即便完全相等也不可以互换位置。

对方形或矩形钢柱内的加筋板进行焊接时需要按照现行规范要求，利用熔嘴电焊渣技术进行焊接，在生产制作过程中可以允许其采用槽塞焊接以及在箱板上开孔焊接等其他常见焊接方式。对钢柱的标高进行控制时主要有两种控制方式：第一，按照相对标高进行制作安装。要求钢柱长度存在的误差不能超过3毫米，而且不需要考虑坚向荷载引起的压缩变形以及焊缝收缩变形等对其产生的影响。要求建筑物的总高度达到各节柱子制作过程中允许的偏差总和以及钢柱压缩变形的总和，满足以上条件者即为合格。此类制作安装方式一般用于12层以下的高层建筑以及层高控制要求较低的建筑物的设计建造中。第二，按照设计标高进行制作安装。一般情况下12层以上的高层建筑在层高方面精度要求较高，需要按照土建的标准高度进行第一节钢柱的安装。另外要求每节钢柱累加尺寸的总和要符合设计要求的总尺寸。与前一种安装方式不同，此种安装方式需要将竖向荷载作用下引起的压缩变形和每一节柱子的接头产生的收缩变形加到每节钢柱的加工长度中去。

另外，在高层建筑的钢结构的安装过程中，对相邻的每一节钢柱之间相互连接的垂直度均需要进行有效的控制，这也是钢结构安装过程中的一项重要内容， 在安装过程中还需要对钢结构三维方向出现的一些数据偏差是否在规范允许值范围内进行核对。在安装钢结构过程中控制钢柱的垂直度与位置时，第一节钢柱安装时的安装控制方法以及重点与第二节以上的各节钢柱有些不相同。在所有钢柱的安装中对第一节的钢柱进行有效控制最为重要，其中的主要部分是建筑竖向的水平标高与建筑结构平面位置与轴线之间的偏差，并主要是经过对定位钢板与双螺母的调节控制或用千斤顶、楔形钢垫块来调整完成安装的。

3.2 框架梁的制作与安装

高层建筑框架梁多使用H型钢材，钢柱与框架梁只采用刚性连接，钢柱需选用贯通型钢柱，安装过程中要求在框架梁上下翼的翼缘处于钢柱内设定横向加劲肋。另外要按照框架梁正确的设计编号进行就位。在工厂制造框架梁的过程中，需要在框架梁所在的位置设定悬臂梁、钢柱与悬臂梁。上下翼缘的连接主要通过剖口熔透焊缝进行，腹板则采用贴角焊缝进行连接。另外框架梁需要钢柱的悬臂梁进行连接，这样可以借助板全熔透的焊缝进行上下翼缘之间的连接，腹板的连接则主要选择高强螺栓的方式进行。这样可以确保框架梁和钢柱连接处的节点域具有较好的延展性、可靠性以及楼层层高的精确性。因为钢筋混凝土与钢结构相比在施工过程中允许出现的偏差范围较大，连接框架梁和钢筋混凝土剪力墙或者钢筋混凝土筒壁时，可在腹板的连接板上开一椭圆形孔，该孔的长轴尺寸需要限制在2dO以下（dO为螺栓孔径），另外还应确保其在孔边距的要求范围内。

开孔位置的精确程度在采用高强螺栓群进行连接时具有十分重要的意义。目前开孔的制作多采用多轴数控钻孔和模板制孔，相比之下前者精度相对较高，而后者精度则较低，所以在实践中多优先考虑采用前者进行。一般而言，当采用模板进行制孔时，首先要保证模板的精确程度，以便满足高强螺栓在组装孔以及工地安装孔过程中对精度的要求。施工过程中若存在孔位局部的偏差，只可以借助铰刀进行扩孔，而不可以借助其他工具。气割扩孔严禁使用，若出现使用气割扩孔者，应按照重大质量事故处罚条例进行处理。

3.3 影响高层建筑钢结构安装的因素

影响高层建筑钢结构安装的因素有很多，其中自然条件对安装的影响很大，一般情况下，一旦自然条件出现较为剧烈的变化，包括雨天、冬季寒冷的天气以及夏季常出现的六级以上的大风均会对现场焊接质量产生严重影响，如焊接根部出现严重的根部收缩、裂缝或者夹有残渣等。焊接质量严重受损时甚至会出现严重的安全事故，给施工人员的生命安全造成威胁。

4 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。

5 结语

目前，应用于高层建筑的框架结构种类繁多，质量大多层次不齐，钢结构作为一种抗性极强的材料在高层建筑中的应用得到了建筑界人士的广泛关注。与其他常用的的建筑结构相比，钢结构在使用功能、施工环节以及工程经济等方面均具有明显优势，是一种具有综合性优势的建筑用材，特别是在应用于大型商业类工程时其所体现出的合理的大跨度空间感，因此可适当在造型和空间方面追求创新，与常用建材相比更给人一种耳目一新的感觉。更重要的是钢材具有高强度这一显著优势，用于建筑物的构建中不仅应用起来灵活方便，而且能够使建筑结构坚固稳定。综上所述，钢结构是一种特别适用于高层建筑建造的材料，值得进行大力推广应用。同时由于钢结构的发展与应用不仅有助于建筑结构的设计理念的创新，还是各国综合国力的重要标志，我国现有钢结构技术水平标志着我国在高层建筑开发与建设方面已迈入了钢结构的体系时代，这在无形中为我国的建筑行业带来崭新的突破。

参考文献

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（责任编辑：吴 涛）

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