浅谈目前高层建筑钢结构体系及施工技术

　　摘要：随着我国经济的快速发展，城市建设的步伐加快，大型建筑越来越多，其中钢结构中的作用越来越明显，尤其是在高层建筑中发挥的作用显现得更加明显。
　　关键词：钢结构；高层建筑；结构体系；施工技术
　　
　　钢结构以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜，钢结构工程由于其造价低、结构性能好、自重轻、安装便捷等优点被广泛应用于工业厂房、大型公共建筑、高层住宅小区、大型钢桥梁等，进而取代了传统的砖混结构、混凝土框架结构建筑。
　　一、钢结构的结构体系
　　应用于多层钢结构住宅的体系可分为：
　　（一）冷弯薄壁型钢体系
　　构件采用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺丝。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。
　　（二）纯钢框架体系
　　目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广，纯框架体系常用于4～8层住宅。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。
　　（三）框架—支撑体系
　　该体系主要由焊接工字型梁柱组成，多数情况下，这种体系为横向承重，梁柱节点在横向上为刚接，纵向为铰接。因此，结构在纵向相当于排架，抗侧移刚度很低，需设置侧向支撑抵抗水平荷载，限制结构的水平变形。
　　（四）框架—混凝土剪力墙体系
　　用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑，就形成了框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。它适用于小高层住宅，一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒)，这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度，又解决了楼梯间的防火问题。
　　（五）周围抗侧力体系
　　这种体系在欧美国家的商业和民用建筑十分流行。它的特点是刚架柱的强轴与其相交的建筑轴线垂直，形成外筒，抵抗水平荷载，将之传递到基础。它适用于建筑外型接近于正方形的结构，可以将这种思路应用到框架—支撑体系中。把纵向的支撑去掉，将原有位置的刚架柱扭转90°，梁柱由铰接变为刚接。这样，刚架柱同时起到抗风柱与竖向支撑的作用。
　　二、钢结构的主要构件
　　钢结构住宅是以钢结构作为承重骨架，以轻质体材料作为内外墙，与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能、环保型住宅钢结构住宅，可采用工业化生产方式，易于实现产业化，符合可持续发展原则。
　　（一）梁、柱。
　　钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式，梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢，它是工字钢的升级换代产品，具有抗弯性能好，翼缘宽，侧向刚度大，翼缘表面相互平行，构造方便等优点。我国目前采用的H钢梁大多为Q235和Q345钢，翼缘宽度为60～180mm，截面高度为100～800mm。
　　钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求，目前广泛使用焊接H型钢或I字热轧钢截面。对于轴压比较大、双向弯矩接近、梁截面较高的框架柱，采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。方钢管混凝土柱不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。
　　（二）楼板
　　楼板结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用。所以，楼板必须有足够的承载力、刚度，并且与钢框架实现可靠连接，确保结构体系的整体刚度和稳定性。另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。同时楼板还要应该满足住宅功能的要求，如防颤动、隔音、隔热等。我国钢结构住宅的楼板，一般采用钢筋混凝土结构和钢结构体系的传统做法。常用的楼盖结构有:压型钢板-现浇混凝上组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板，而以第一种最为常用。
　　（三）支撑体系
　　支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用得还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。
　　三、轻钢结构的特点及技术经济性能
　　（一）重量轻、抗震性能好
　　钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，同时配以轻质墙板等新型材料作为维护结构和内隔墙建造而成。它与同面积的建筑楼层相比，钢结构住宅楼的重量可减轻近30%。由于轻钢结构住宅自重轻，一般情况下不需要做桩基，可减少地基处理的费用，且抗震性能好。因属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应推广应用钢结构住宅，可以大大减少地震灾害和人员伤亡。同时，由于钢材具有较强的延展性，能较好地消除地震波力，放震性能好，尤其适用于高层建筑。
　　（二）占地面积小，具有良好的空间感，净使用面积大
　　钢结构住宅布局灵活，净使用面积大。利用型钢优良的承载性能，可以灵活布置大开间、大柱距的建筑平面；非承重轻质墙体的设计为设计师和住户提供了根据不同用途灵活布置室内空间的可能；型钢构件接点构造简洁，在垂直方向可方便地布置跃层和错层体系，结构构件截面较小，相对于传统结构方案，其净使用面积提高5%～8%，得房率高。
　　（三）工业化程度高，设计制造安装周期短
　　现代轻钢建筑的设计、制造和安装借助网络计算机技术和工业化生产手段，可实现设计、生产、施工安装一体化，具有极高的效率和精确度，项目建设周期短可缩短工期1/2～1/3。这样将极大地减少投资融资成本，使业主或建筑开发商在享受回报上具备很大的优势。
　　（四）符合产业化和可持续发展的要求
　　钢结构配件制作工业预制化和机械化程度高，商品化程度高，减少了施工现场的加工量，现场主要为干作业，能减少施工用水、噪声、垃圾污染，施工速度快，施工周期可大大缩短。钢结构在超出正常使用期限后的处理过程，无论是钢材还是与之相配套的建筑物品，都具有可重复利用性和可降解性，适应现代环保要求。
　　四、设备的选择
　　（一）塔吊的选择、布置及装拆塔吊是超高层钢结构工程施工的核心设备，其选择与布置要根据建筑物的布置、现场条件及钢结构的重量等因素综合考虑，并保证装拆的安全、方便、可靠。在塔吊的选择上应优先考虑内爬式塔吊，因为钢结构建筑采用内爬式塔吊不需要对楼层进行加固，并且在起重机布设位置上有较大的自由度。另一方面，采用内爬式塔吊进行钢结构高层建筑吊装施工，对塔吊起重能力和幅度要求不像采用附着式塔吊那样苛刻。
　　（二）吊装
　　吊装是钢结构施工的重要工序，吊装的速度与质量对整个工程起着举足轻重的作用。钢结构吊装前应根据结构平面和立面形状、结构形式、塔吊的个数和位置、现场施工条件等因素确定吊装分区与吊装顺序。
　　吊装的总原则为：
　　1、平面内均从中心核心筒向四周扩展，即从中间的一个单元开始，先组装成一个稳
　　定的刚度柱网单元，先吊柱后吊梁，一个柱网单元吊装并临时固定后，再在其左右或前后吊装两个单元，待3个单元构件全部吊装完成后，进行全面的精确校正。
　　2、竖向吊装顺序(以一柱三层为例)：先安4根钢柱一下层框架梁一测量校正一螺栓初
　　拧一中层框架粱一上层框架粱一测量校正一螺栓初拧一测量校正一终拧高强螺栓一焊接一焊缝检测一散铺上层压型钢板与栓钉焊接一下、中层压型钢板散铺与栓钉焊接一下、中、上层钢梯、平台吊装一楼盖钢筋混凝土楼板施工。
　　五、安全施工技术
　　安全施工是钢结构施工中的十分重要环节，超高层钢结构施工的特点是高空、悬空作
　　业点多。在施工过程中，仅高强螺栓就有4O万颗，这些零件虽小，但如果从100m以上的高空掉下去，后果可想而知。针对超高层钢结构施工的特点，采取事前与过程控制相结合的方法，即事先采取防护措施(如防坠板、防坠器、安全梯、缆风绳等等)，并加强对施工人员的安全教育培训，坚持日安全巡视制度。某工程在吊柱子时外墙设安全网，吊框架梁时架设临时活动式走道，并随框架吊装逐层升高；拧高强螺栓时在梁端挂设吊篮，焊接时搭设操作平台，另外做到及时铺设楼层压型板以确保施工安全。
　　六、结束语
　　钢结构属于高技术、高效率的产业，加快对钢结构的研究，将促进建筑业向技术密集型产业转化，并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。钢结构的发展将带动施工行业的革新。尽管钢结构体系在我国还处在刚刚起步阶段，但该体系集众多优点于一身，一旦相关的配套技术及市场问题进一步解决之后，钢结构的发展将有着非常光明、广阔的前景。

《浅谈目前高层建筑钢结构体系及施工技术》

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