許偉

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

建筑空間集約化和施工高效環(huán)保是建筑行業(yè)的總體發(fā)展目標(biāo)。在此背景下，建筑鋼結(jié)構(gòu)得到了較快發(fā)展。建筑鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房、公共建筑以及民用住宅小區(qū)等方面都具有較廣的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)來說，建筑鋼結(jié)構(gòu)不僅具有較高的抗震能力、較低的成本還具有較好的外觀優(yōu)勢。此外，建筑鋼結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)建造環(huán)節(jié)都在預(yù)制場加工完成，在建筑施工現(xiàn)場主要是吊裝和裝配工作，不僅提高了施工效率還達(dá)到了環(huán)保要求。但隨著建筑使用需求的不斷增加，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計暴露出一些問題，這些問題對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展有一定制約作用?；诖?，本文針對具體問題開展深入分析研判，并提出了解決問題的具體措施，對建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有一定的積極促進(jìn)作用。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面、施工方面以及使用方面都具有較大優(yōu)勢。其優(yōu)點主要有以下幾方面：第一，建筑鋼結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的不足，它易于分割的優(yōu)勢更是大大提高了施工效率。第二，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中會用到輕質(zhì)墻板等綠色環(huán)保材料，可以充分降低不可再生能源的消耗。第三，鋼結(jié)構(gòu)建造使用的型鋼型號基本都是國標(biāo)型號，可以有效實現(xiàn)技術(shù)集成化，進(jìn)一步提高了建筑鋼結(jié)構(gòu)建造設(shè)計水平和實用性能。第四，鋼構(gòu)材料的工業(yè)集成化程度高，同時也是一種可再生材料，滿足建筑節(jié)能環(huán)保的基本要求。第五，建筑鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量較輕，可以減少地基處理的投入費用。第六，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則包括優(yōu)化原則和整體原則。優(yōu)化原則指的是在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中避免選擇建筑規(guī)范中要求的最小界面，但是在保證質(zhì)量和安全的前提下要選擇既有一定剛度又較薄的截面。舉個例子，比如，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中明確指出在選擇受力構(gòu)件時，不能選擇厚度低于4 cm的鋼板，同樣在選擇鋼管的時候也不能選擇厚度低于3 cm的鋼管；建筑鋼結(jié)構(gòu)中的角鋼構(gòu)件的連接方式如果設(shè)計為螺栓連接，在設(shè)計過程中應(yīng)高度關(guān)注截面開螺栓孔對截面受力造成削弱的影響。整體性原則是指建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)要與結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，不能先進(jìn)行建筑設(shè)計再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計脫節(jié)。

建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中對不同類型結(jié)構(gòu)最大允許高度確定時，除了對結(jié)構(gòu)受力等理論進(jìn)行充分考慮，還結(jié)合了我國經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平、施工綜合水平以及建筑相關(guān)的科研投入和科研能力等多方面進(jìn)行綜合研判。這些規(guī)范內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)可靠且與我國現(xiàn)行的土木工程設(shè)計規(guī)范體系相吻合。但在高層建筑結(jié)構(gòu)的實際操作中往往會超出規(guī)范規(guī)定的高度，比如，我國某鋼混結(jié)構(gòu)體系大廈，其建筑高度實際上已經(jīng)達(dá)到了420 m，再比如，某混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑，其建筑高度已經(jīng)到了320 m，均已經(jīng)超過了規(guī)范要求控制的最高高度。出現(xiàn)在這種實際施工高度已經(jīng)超過規(guī)范高度情況時，在論證階段就要求高層建筑設(shè)計者對高層建筑高度設(shè)計持科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度，根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ卣鸬燃壍榷喾N因素綜合驗算其實際高度是否仍然滿足承載力等多方面要求。確保將因建筑高度超過規(guī)范要求后，不會發(fā)生建筑變形或者結(jié)構(gòu)無法正常使用的情況出現(xiàn)。近年來，我國建筑空間集約化理念發(fā)展迅速，大部分城市的高層建筑的建筑高度都在增加，但是伴隨高層建筑高度增加，一些建筑參數(shù)變化卻沒有引起高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計者的重視，如一些沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的安全指標(biāo)參數(shù)、材料性能參數(shù)等并沒有引起建筑設(shè)計者的重視[2]。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中凸顯的主要問題

4.1 鋼結(jié)構(gòu)防火防腐蝕設(shè)計欠缺

建筑鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)墻體常年暴露在風(fēng)吹日曬的環(huán)境，所以鋼結(jié)構(gòu)外墻存在被腐蝕或者發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險，如果問題嚴(yán)重還會對建筑使用者的安全造成不利影響，甚至部分鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火等級根本沒有達(dá)到規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)帶來的損害，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。但是在鋼結(jié)構(gòu)項目的實際設(shè)計過程中，對鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計和防火設(shè)計并沒有給予足夠的關(guān)注，也沒有將鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計和防腐蝕設(shè)計作為一個單獨模塊進(jìn)行分析研究，這就造成了鋼結(jié)構(gòu)建筑受腐蝕或者受火災(zāi)影響的風(fēng)險。此外，部分建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計項目并沒有進(jìn)行全方位的建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計，導(dǎo)致部分鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)自然現(xiàn)象，或者外層鋼結(jié)構(gòu)保溫材料在高溫日曬情況下出現(xiàn)保溫材料燃燒的情況。基于此，科學(xué)有效提升建筑鋼結(jié)構(gòu)防火防腐蝕處理措施，可以顯著提升建筑鋼結(jié)構(gòu)綜合性運行效能。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)物理節(jié)點處理欠穩(wěn)妥

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中涉及較多且較為復(fù)雜的物理節(jié)點，如果在設(shè)計過程中沒有對這些復(fù)雜的物理節(jié)點進(jìn)行科學(xué)合理的處理，則會對建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和使用安全性造成較大隱患。之所以物理節(jié)點處理不到位會造成較大安全隱患，是因為鋼結(jié)構(gòu)建筑的物理節(jié)點處承受著上部結(jié)構(gòu)的重力，部分重要節(jié)點幾乎承受了大部分建筑結(jié)構(gòu)重量。即便處理復(fù)雜物理節(jié)點問題如此重要，但是在鋼結(jié)構(gòu)總體設(shè)計過程中，建筑鋼結(jié)構(gòu)物理節(jié)點問題還是沒有得到應(yīng)有的重視，為鋼結(jié)構(gòu)后續(xù)的安全穩(wěn)定運行埋下了較大的安全隱患。

5 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題解決對策

5.1 鋼結(jié)構(gòu)抗火抗腐蝕設(shè)計策略

在全面提升優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，要對建筑防腐蝕防火設(shè)計給予重點關(guān)注，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計和防腐蝕設(shè)計滿足相應(yīng)的等級。建筑設(shè)計人員在選擇鋼結(jié)構(gòu)表面耐火涂層時，要選擇燃點較高的涂層材料，有效提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火性能。在提升鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性能的同時，也要采取積極有效的措施提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕能力。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕過程并不是一蹴而就的，而是長年累月的作用過程，雖然鋼結(jié)構(gòu)腐蝕過程緩慢，但是其對建筑鋼結(jié)構(gòu)的危害較大。而建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐策略也側(cè)重在防腐蝕涂料的選擇上。為了更好地消除鋼結(jié)構(gòu)材料被腐蝕的風(fēng)險，可在建筑鋼結(jié)構(gòu)材料表面覆蓋防腐性能較好的涂層。此外，鋼結(jié)構(gòu)材料在經(jīng)過防火設(shè)計和反腐蝕設(shè)計處理后，還需要控制鋼結(jié)構(gòu)表面沒有焊渣殘留、沒有油漬殘留以及鋼毛刺等，而且鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中還要提出殘存污漬的處理措施。

5.2 加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)受力體系以及細(xì)部節(jié)點的設(shè)計

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案敲定以后，第一項首要任務(wù)就是計算鋼結(jié)構(gòu)受力體系和計算并完善鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力情況?，F(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)受力體系多采用桿系結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)主要指梁體、拱件、框架以及桁架，這種結(jié)構(gòu)對鋼材的強(qiáng)度要求較高，而且要求鋼材的截面尺寸要小。這種桿系結(jié)構(gòu)可以在生產(chǎn)車間生產(chǎn)之后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行安裝，桿系結(jié)構(gòu)之間的約束力較小。所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點是保證結(jié)構(gòu)節(jié)點之間連接的緊固性。而鋼結(jié)構(gòu)建筑的細(xì)部節(jié)點設(shè)計所涉及的內(nèi)容計算較為復(fù)雜且必須要細(xì)化到每個節(jié)點。在設(shè)計過程中要注重強(qiáng)柱弱梁的基本設(shè)計策略。所謂強(qiáng)柱弱梁設(shè)計注重的是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)柱和梁體的整體性，要求鋼結(jié)構(gòu)建筑受到較大荷載時，塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)梁上而不是出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)柱上。只有這樣，才能確保鋼結(jié)構(gòu)建筑在使用過程中不會因結(jié)構(gòu)柱受到極限破壞而出現(xiàn)坍塌損壞，而且在較大荷載作用后，整個鋼結(jié)構(gòu)建筑還可以較快地恢復(fù)到初始狀態(tài)。相關(guān)規(guī)范也規(guī)定了類似內(nèi)容，即在進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁設(shè)計時，首先計算和分析強(qiáng)柱弱梁的彈塑性，當(dāng)計算和分析結(jié)果滿足要求時才可以使用。

6 案例分析

6.1 工程概況

以某高層鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究背景，介紹高層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的基本要點。某高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的總體建筑面積為1.1×105m2，建筑總高度為95.8 m，該高層鋼結(jié)構(gòu)建筑地上為27層，地下2層，高層結(jié)構(gòu)建筑形式為高層鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，該高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為6度。

6.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

案例項目中，結(jié)構(gòu)體系為鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體系的受力特點兼顧了鋼結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。鋼框架剪力墻體系剛度大、結(jié)構(gòu)側(cè)面積小且具有較好的抗震性能，鋼框架剪力墻在實際工程中應(yīng)用也越來越廣泛。鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)因其具有較高的強(qiáng)度且較小的剛度，主要承受豎向荷載；而鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和較大的剛度，可以使得建筑結(jié)構(gòu)獲取足夠的抗側(cè)滑剛度，可以滿足結(jié)構(gòu)層間位移限值，也就是說鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)的水平荷載主要由剪力墻來承擔(dān)。

6.3 鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循均勻、分散、對稱以及周邊布置的基本原則。鋼框架結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡可能對稱且均勻，其目的是縮短結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中與結(jié)構(gòu)水平荷載合二者合力作用線的有效距離，同時也是為縮短鋼結(jié)構(gòu)重心之間的距離用來減小結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的概率。在鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，當(dāng)剪力墻的數(shù)量增多時，鋼框架結(jié)構(gòu)的體積和剛度也會增加。但隨著剪力墻數(shù)量的增加，鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期就會變小，繼而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的水平地震力作用加大；如果剪力墻數(shù)量減少，則鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度會降低，水平地震力作用也會降低?；诖?，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的基本特點來綜合確定建筑的設(shè)計防烈度、建筑整體高度以及裝修等級，再確定鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)所允許的最大位移限值，繼而科學(xué)合理地確定剪力墻數(shù)量，保證建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)型和適用性原則。

6.4 鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻的節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點位置的設(shè)計形式通常有焊接和螺栓連接兩種形式。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁體和柱體節(jié)點焊接形式通常采用諸如翼緣坡口焊等高強(qiáng)度焊機(jī)模式，其焊接質(zhì)量不低于二級。對于鋼結(jié)構(gòu)H形鋼梁和建筑結(jié)構(gòu)鋼腹板的焊接形式可以采用角焊的焊接形式。而對于鋼結(jié)構(gòu)建筑中使用的方鋼管（厚度＜16 mm）的焊接可以采用熔嘴電渣焊焊接形式。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱節(jié)點處的梁腹板的連接通常采用螺栓連接，螺栓連接的設(shè)計采用的是高強(qiáng)度摩擦性螺栓，每個螺栓抗剪承載力設(shè)計值與摩擦面的個數(shù)和摩擦面的抗滑移系數(shù)相關(guān)，鋼結(jié)構(gòu)梁體和柱體的節(jié)點采用雙剪連接模式，所謂雙剪連接模式就是兩個摩擦面共同作用。與雙剪模式對應(yīng)的是單剪模式，即一個摩擦面起作用。當(dāng)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)梁腹板設(shè)計驗算時，應(yīng)驗算螺栓孔位處的腹板凈截面的抗剪強(qiáng)度，如果高強(qiáng)度螺栓采用的是承壓性螺栓好需要對螺栓孔局部承壓能力進(jìn)行驗算。

7 結(jié)語

建筑行業(yè)迅猛發(fā)展給建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來較大機(jī)遇的同時，也給建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大挑戰(zhàn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行科學(xué)合理的分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采取行之有效的解決措施。此外，鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計所涉及的知識體系更新較快，所以相關(guān)從業(yè)人員要不斷學(xué)習(xí)理論知識，并將理論知識與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，有效提升工程建設(shè)的整體質(zhì)量。