高层建筑钢结构设计

高层建筑钢结构设计
摘要：随着高层建筑的不断发展，钢结构以其强度高、自重轻、抗震性好及材料可回收等诸多优点在高层建筑中广泛应用，取得较大的竞争优势。

钢结构在许多方面优于传统建筑结构，其不仅稳定性较好，而且可以完成加工完成后再进行装配，大大加快了工作效率，钢结构在高层建筑中已得到广泛的应用。

关键词：高层建筑钢结构优越性结构体系防护措施
引言：由于钢结构本身具有突出优势，在国内外得到广泛的应用。

随着国内经济的发展，我国国内
钢材年产量逐年增加，而逐渐增长的产量为钢结构发展奠定了良好的基础。

钢结构构件具有强度高、抗震性能好、性能优越、施工速度快、造型优美、可循环利用等一系列优点，使得钢结构建筑近几年发展的很迅速，并且其应用领域也不断扩大。

由于我国发展起步晚，与国外一些发达国家相比，还有一定的差距。

钢结构建筑的优越性
1.1钢材的力学性能好
钢材材质均勾，钢材的力学性能稳定，其内部组织分布均匀，为理想的建筑材料。

钢材在一定条件下不会因超载而突然发生断裂，并且能将局部应力重新分配。

同时，钢材具有良好的延展性，钢结构的适应性强，地震发生时，能够吸收一部分地震能量，从而可大大提高钢结构的抗震性能。

钢结构强度高。

和混凝土结构建筑相比，承担相同大小的力，钢结构柱截面而积小，从而可减少建筑材料的占地面积。

建造自重较大的高层建筑时，用钢结构比用混凝土结构的截面面积减小近一半，同时，钢结构建筑自重轻，可减小地震作用对建筑物的影响力。

此外，结构自重的减轻可以使基础的要求降低，从而使造价降低，这种优势在软土地区尤为明显，得到推广。

1.2钢结构的生产周期短，可塑性强
钢结构建筑采用的大部分构件在工厂生产,然后运往现场，通过焊接或螺栓连接进行整体组装。

同时钢结构施工时不必支模、拆模，因此不仅可降低成本，还可大大加快施工速度。

与传统建筑相比，钢结构建筑可以极大程度地摆脱结构本身的束缚，创造出多种形式的空间形象，斜线、曲线成为建筑常用的造型。

1.3钢结构建筑符合可持续发展战略
钢结构对资源的利用率较高,对环境破坏轻。

钢材具有很高的重复利用价值，边角料都可以回收利用。

建造同样规模的建筑物，建造过程中钢结构排放的有害气体的只相当于混凝土结构的一半。

因其使用的材料种类简单，因而从根本上避免了尘土飞扬，废物堆积和噪声等污染问题。

2.高层钢结构体系
钢结构体系按其组成形式，可以分成框架结构体系、框架支撑结构体系、筒体结构等。

因其体系的不同，最大适用高度和最大高宽比也不同。

非抗震设防建筑常采用框架结构、框架支撑结构。

而超过12层的房屋，常采用偏心支撑、带竖缝钢筋混土墙板或筒体结构。

2.1框架结构体系
框架结构是由梁和柱构成的结构。

钢结构框架按照梁与柱的连接，可分为半刚接框架和刚接框架。

根据受力变形特征，又可分为刚性连接，铰支连接、半刚性连接种。

地震区的建筑采用框架结构时，纵、横向框架梁与柱的连接一般采用刚性连接。

在某些特殊情况下，为增强结构的延性，也可以采取半刚性连接。

例如，北京的长富宫即采用框架结构。

2.2框架-支撑结构体系
框架结构依靠梁柱受弯承受荷载，其抗侧移刚度相对较小。

当建筑物的高度较大时，不易采用框架结构，如仍采用，则在风荷载或地震作用下,建筑的抗侧移刚度很难满足构造要求;但若结构梁柱截面尺寸过大，则又会失去经济合理性，造成资源的浪费。

此时,可在框架体系中沿建筑的纵，横两个方向均布置
一定数量的支撑，这就形成了框架支撑结构体系。

在这种结构体系中框架布置的原则和柱网尺寸基本上与框架结构体系相同，支撑沿着结构的周围布置。

在水平力的作用下，楼板的变形与刚接框架共同工作，形成双重抗侧力的结构体系。

相对于框架结构体系而言，框架支撑结构除了具有框架结构的优点外，还有一个显著的优点：其抗侧移刚度比框架结构明显增大。

在发生地震时，框架体系和支撑体系形成两道抗震防线，其抗震性能有明显的提高，一般应用于30~60层的高质建筑。

结构中的支撑或墙板经常布置在楼电梯周边的柜架内，必须两个方向都布置支撑或墙板，使两个方向的刚度接近。

通常，每列支撑或墙板的宽度为一个柱距，高度以减少为一层:当柱距比较大时，也可以设置跨层支撑，即支撑斜杆跨越两层或两层以上,跨层支撑可减少支撑斜杆与梁柱连接节点的数量。

2.2.1中心支撑
中心支撑是指斜杆与横梁、柱汇交于一点，或两根斜杆与横梁汇交于一点，两根斜杆也可与柱子汇交于一点，但汇交时均应无偏心距。

中心支撑框架宜采用十字交叉支撑，也可采用人字形支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑。

对于地震区的建筑，规范规定不得采用K形支撑,原因是K形支撑的斜杆受压屈曲或受拉屈服时,将使柱子发生屈曲甚至发生严重损坏。

设置单斜杆的支撑框架，属于静定的桁架结构，在水平地震作用下，斜杆因难以避免屈曲而丧失承载力。

相比之下，采用超静定桁架结构的十字交叉斜杆时，赘余杆首先发生破坏，相应的结构的抗震能力将受到削弱，但水平剪力仍可由后备斜杆继续向下传递,结构不致遭受严重破坏而倒塌。

2.2.2偏心支撑
偏心支撑框架是根据结构抗震要求提出的，要求在强度刚度和能量耗散之间保持平衡。

中心支撑框架虽然具有良好的刚度和强度，但结构的能量耗散性能较差。

无支撑纯框架虽然具有稳定的性质和优良的耗能性能，但是它的刚度较差，不能满足结构要求。

为了获得足够的刚度，有时会失去经济性。

为了同时满足结构的抗震性能，于是提出了这样的构想，即一种介于中心支撑框架和纯框架之间的抗震结构形式-偏心支撑框架。

3.节点连接方式
高层钢结构的节点连接可以分为刚性连接和铰接连接两种。

柱和柱、柱和主梁间多采用刚性连接，次梁和主梁间多采用铰接连接。

高层钢结构节点连接按连接方式分为焊接连接、高强度螺栓连接和混合连接三种。

3.1 焊接
焊接是最主要的节点连接方式。

常用的焊接方法有手工电弧焊在熔剂下的自动或半自动埋弧焊、二氧化碳气体保护自动或半自动焊，以及具有特殊用途的拉弧式栓钉焊等。

焊缝分全焊透(等强连接)焊缝和部分焊透焊缝两种，一般柱和柱、主梁和柱接头间用生铁连接焊缝。

焊接连接的传力最为充分,不会滑移。

接头中正确施焊的焊缝将强于母材，有较大的强度储备，且形成刚性的结构。

焊接结构有足够的延性,适宜承受反复荷载，但由于操作上的原因，焊接连接存在质量是否能够得到保证的问题,因此要求对焊缝进行探伤检查。

从力学上讲，焊接连接有残余应力和残余变形问题，对受压构件局部稳定性和整体稳定性都会有明显的影响，因此，应制订包括焊接次序在内的合理焊接工艺,并规范焊接接头的形式，包括坡口角度，根部间隙和钝边等。

3.2高强度螺栓连接
高强度螺栓广泛应用于钢结构构件连接，在高层建筑中已成为主要连接件。

构件连接点及连接板表面
经特殊处理(如喷砂)后形成粗糙面，再对高强度螺栓施加预拉力，将使紧固件连接位产生很大的摩擦阻力。

高强度螺栓连接施工较方便。

但是,若杆件的接头全部采用高强度螺栓连接，就会造成接头尺寸较大，使得钢板用量较多，导致成本增加，且发生强烈地震时接头可能会产生滑移。

3.3栓焊混合连接
栓焊混合连接是指一个连接接头同时采用高强度螺栓摩擦型连接和焊接两种连接形式。

该连接施工方便,连接可靠，是工地安装常用的连接方法，常用于梁柱连接接头等重要部位。

混合连接方式在高层钢结构工程中多用于主梁和柱的接头。

其中,梁的翼缘和柱用焊缝连接,梁的腹板和柱用高强度螺栓连接。

由于这种接头在安装时便与先用螺栓进行定位，故在国内外高层建筑钢结构中用得较普遍，是一种较好的连接方法。

这种节点在安装时，一般先紧固腹板上的高强度螺栓，在终拧完毕后再焊接梁糞缘上的焊缝。

采用这种连接方式时,在设计中已考虑了焊接时温度对高强度螺栓预拉力损失的影响。

4钢结构防火
4.1钢结构防火保护的重要性
钢材是一种不燃材料，但耐火性能差。

它的力学性能，如屈服点、弹性模量及抗拉强度，随着温度的升高而降低,因而会出现强度下降、变形加大等问题。

火灾案例和试验结果表明高温对钢结构是有影响的。

在火灾中,没有防火保护的钢结构构件在15min内温度就可能超过600°C。

因此，没有防火保护的钢结构建筑在发生火灾后,很有可能在短时间内因结构承载力下降导致结构不足以承受外部荷载而发生破坏或倒塌。

目前,高层建筑物日益增多，采用钢结构的建筑物更为广泛。

高层建筑功能复杂，火灾隐患多，一旦发生火灾事故，会造成人员疏散困难,扑救难度大,造成的巨大的损失。

这就要求加强对建筑材料的防火保护，增强其耐火极限,使其能抵御火灾的危害。

4.2钢结构防火保护材料
钢结构防火保护材料种类较多，常用的有防火涂料、不燃性板型材、水溶液和现浇混凝土等。

防火保护材料选好之后,就该确定保护层厚度。

保护层厚度与材料的种类、钢构件的截面形状和尺寸、荷载形式与大小及要求的耐火极限等多种因素有关。

4.3钢结构防火保护措施
防止钢结构在火灾中迅速升温而发生形变塌落的措施是多种多样的，要根据不同情况采取不同方法，如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递的速度以推迟钢结构温升、延长强度变弱的时间等，但无论采取何种方法,其原理是一致的。

4.3.1喷涂法
该法是将防火涂料直接喷涂于构件表面,特点是施工技术简便且涂料种类较多(国内现有10余种,并制定了钢结构防火涂料两个国家标准),选择余地大，应用较广。

它适用于梁、柱、楼板、屋盖等各构件的防火保护。

其不足之处是喷涂时污染环境，材料损耗较大，装饰效果不太理想。

4.3.2板型材包覆法
该法是用不燃性板型材(如石膏板、蛭石板、硅酸钙板、珍珠岩板等硬质防火板材)包覆构件(如梁、柱、楼板等)。

包覆时，黏贴面应作防锈去污处理，非黏贴面均应涂刷防锈漆。

当包覆层数较多时，各层板应分则固定，板缝应相互错开，接缝的错开距离不宜小于40cm。

该法虽然具有干法施工,不受气候条件限制、融防火与装修与一体等优点.但板的裁切加工安装固定接缝处理等技术要求高,因此其应用不及喷涂防火涂料方法广泛。

4.3.3现浇混凝土保护法
此应用受到了一定限制，做法是通过现浇混凝土将钢构件包裹其中。

由于现浇混凝土表观密度大，遇
火易爆裂,因此其应用受到了一定限制。

5钢结构防锈
钢铁的构件易生锈腐蚀，影响使用，所以高层建筑钢结构中的所有钢制结构构件均应进行防锈处理，延长构件的使用寿命，以保证钢构件的长期使用。

钢结构的防锈方法基本上可分为以下四种:①改变金属的结构组成，在构件加工过程中增加铜、铬、镍等合金元素，形成合金，提高钢材的抗锈能力。

②在钢材表面用金属镀层保护，如电镀等。

③在钢材表面涂非金属保护层，即用涂料将钢材表面保护起来，使之不受大气中有害介质的侵蚀。

目前，金属防锈中采用非金属涂料防锈是最普遍、最常用的方法。

这种方法效果好，涂料品种较多,且价格低廉，选择范围广，适应性强,操作方便，但是经过一定时期需进行维修。

6钢结构建筑的抗震设计
在钢结构建筑进行抗震设计时，应该要根据设防强度、结构类型和房屋高度，采用不同的抗震结构。

首先，钢结构的刚柔度的选择应该结合跟那个结构的具体高度、体系和场地条件惊醒综合性判断，使钢结构同时满足变形和强度的要求。

受弯钢构件的板件局部稳定要通过限制构件的宽厚比较，达到受弯的极限能力，然后利用其受弯的极限能力达到构件的承载能力。

其次，高层钢结构因该采用全钢框架，当结构的刚度不足时，可采用中心支撑框架、钢框简等结构形式。

最后，设计人员要加强各构件之间的连接，保证结构的整体性，抗震支承系统应保证地震时钢结构的稳定。

7、我国钢结构建筑的发展现状
与发达国家相比，我国目前的钢结构发展水平与之仍存在较大差距，住宅设计、生产制造、安装、维护都与发达国家有不小差距，绝大多数都没有达到国际水平。

同时与钢结构有关的标准、规范施工工法等还不够健全，还需进行完善。

不过随着社会的进步，加之我国钢铁企业在钢材水平上的长足进步，近年来我国已经成为世界上钢结构发展最快的国家地区之一。

由于钢结构体系住宅存在很多优势，这些优势必然会推动钢结构住宅体系的发展。

整体施工的优势，强柱弱梁的设计施工方案，降低了造价，也有利于解决圈护结构施工慢的问题，提高了建筑市场的竞争力，必将随之推动产业的发展。

应用规模不断扩大，在国家产业政策的扶持下，相关各产业如钢材、水泥、轻质墙体，斜拉锁、拉模等建材的发展给钢结构住宅体系提供了充分的发展空间，极大的推动钢结构住宅体系的快速发展和普遍应用。

结束语
在高层建筑施工中，钢结构设计是整体工程中及其重要的部分，由于其具有其他结构所无法比拟的优点，所以在当前的建筑行业中得到广泛的应用。

而且随着设计水平的不断提升，高层建筑钢结构所存在的问题将逐步解决，这就有效的推动了建筑行业的发展，使国经济得以快速的增长。

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