浅谈钢结构在某高层建筑结构设计中的实际应用

徐 晖

（长沙有色冶金设计研究院有限公司 湖南 长沙 410011）

随着社会经济的迅速发展，高层建筑日益驱多，其在城市发展过程中发挥着重要的作用，是城市发展的缩影。由于高层建筑自重大，结构构件的截面尺寸也相应较大，在高层建筑结构设计中，钢结构的应用越来越广泛。钢结构设计是高层建筑整体结构设计中不可忽视的重要环节，关系到高层建筑整体的施工质量，因此需给予高度重视。本文着重阐述某高层建筑结构设计中钢结构的应用情况。

1 工程概况及结构选型

某高层建筑工程共43层，其中地上40层，地下3层，总建筑面积13万m2，建筑物总高度167m。抗震设防烈度为6度。

高层建筑钢结构的类型，按材料区分有全钢结构、钢-混凝土组合结构和钢-混凝土混合结构3种类型，根据工程条件和特点，结合建筑使用功能、荷载情况、材料供应等因素，本工程采用了钢-混凝土组合结构，其结构型式如下：地下3层至地上3层均采用框架-筒体结构，第4层为梁式转换层，层高3.5m，梁截面尺寸最大为1200mm×3500mm，板厚190mm，5层以上采用剪力墙-核芯筒结构。基础方案为预应力管桩，采用型钢混凝土柱，±0.000楼面采用钢筋混凝土楼板及型钢混凝土梁。

2 钢结构的设计

根据结构受力情况，型钢混凝土梁柱中的型钢均采用Q345B级钢材。高强度螺栓采用10.9级扭剪型高强螺栓，表面喷砂处理，摩擦面抗滑移动系数取0.45。

采用实腹式┼字形为型钢混凝土柱中型钢的截面形式，型钢混凝土柱中的型钢含钢率控制在5%左右，而型钢混凝土梁中的型钢则采用H型钢，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列程序中多、高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行整体计算，并根据计算结果合理调整梁柱截面钢筋及钢骨大小。本工程若采用钢筋混凝土柱，则底层柱的截面需要1600mm×1600mm，而采用钢骨混凝土柱，底层柱的截面仅需要1100mm×1100mm。

钢板的厚度均不小于6mm，一般为翼缘厚度≥20mm，腹板厚度≥16mm；由于在轧制过程中，较厚的钢板存在各向异性，常在焊缝附近形成约束，焊接时易引致层状撕裂，很难保证焊接质量，因此当钢板厚度大于36mm时，必须按《厚度方向性能钢板》GB5313中的Z15级来控制钢材厚度方向的断面收缩率。同时，按相关规范的要求验算钢骨的宽厚比。钢骨混凝土柱的混凝土保护层厚度取120mm，钢骨混凝土梁的混凝土保护层厚度则取100mm。

混凝土与型钢之间的粘结力远远小于混凝土与钢筋之间的粘结力，为避免粘结滑移，设计时，在构件上另设了剪切连接件（即栓钉），承担滑移面上的全部剪力，形成完全剪力连接，使混凝土与型钢能完全共同工作。

钢骨混凝土柱采用埋入式柱脚，埋入深度取3倍型钢柱截面高度，柱脚及上一层的范围内，在钢骨柱翼缘外侧设置了栓钉，栓钉直径≥φ19mm，间距≤200mm，栓钉距翼缘板边缘＞50mm。

梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位，设计时应保证传力明确，安全可靠，施工方便，确保节点核心区不产生过大的变形。节点区钢骨部分连接的构造按钢结构节点的连接构造设计，在梁、柱节点和主、次梁节点位置遇钢筋穿型钢的情况时，进行了如下处理：柱头内箍筋穿钢骨梁腹板，采用两个U型箍，单面焊接10d；梁纵筋避免穿钢骨柱翼缘，按1∶6斜率绕开；梁纵筋可直接穿过钢骨柱腹板，钢筋采用直螺纹连接。钢骨柱腹板开孔孔径＝梁纵筋直径＋4～6mm；钢骨柱腹板开孔面积≥25%腹板面积时，采取措施进行补强；钢骨柱纵横两方向至少错开1个孔径开孔；要求振捣时采用小型振捣棒（30mm），并控制混凝土中石子的粒径≤20mm。

钢骨的拼接钢骨柱的长度应根据钢材的生产和运输长度限制及建筑物层高综合考虑，本工程钢骨混凝土柱每3层一节，型钢柱上下贯通，在工地现场拼装，采用全熔透焊缝连接，梁柱之间为刚接，梁翼缘采用全熔透焊缝连接，梁腹板与柱翼缘采用双面焊缝连接。

3 钢结构的制作与安装

钢结构工程通常由制作和安装两部分组成，工程的最终质量不仅取决于安装的质量，也与制作质量有相当大的关系，因此，构件制作过程各环节都极其重要。

设计要求钢骨的制作必须采用机械加工，并由专业的厂家承担。各种材料都必须有合格证。施工中应确保施工现场型钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量，型钢钢板的制孔，应采用工厂车床制孔，严禁现场用氧气切割开孔。

3.1 钢板对接阶段

钢板对接阶段是钢结构工程的首要环节，对钢结构设计的整体效果有着重要的影响，因此在高层建筑的钢结构工程中尤需重视钢板对接的设计制作。钢板对接应为整体对接，只在长度方向采用小车式埋弧自动焊或者龙门式自动埋弧焊完成钢板的对接。

钢板焊接坡口则采用龙门刨刨削或用钢结构万能坡口切割机铣削而成，加工后用样板检查坡口尺寸。此外，还要采用超声波对坡口及其两侧各50mm范围进行检测，如发现有裂缝、夹层等缺漏，必须进行处理。钢板对接要在专用工作平台上进行，严格要求对口错边小于2mm且不超过钢板的厚度的1/25。当不同厚度的钢板对接时，为避免焊接后产生应力集中，厚板的接头附近要做削薄处理，再按普通钢板对接的要求打坡口。

钢板的定位点焊采用二氧化碳气保焊，焊丝选用φ1.2mm的ER50-6焊丝。定位焊缝长度取50mm，焊道间距为150～200mm，并要求填满弧坑。定位焊缝不得存在缺陷，若发现点焊上有气孔、裂纹等缺陷时，必须清除干净后重焊。

3.2 下料切割阶段

采用数控多头火焰切割机，同时切割板材的两边，使其两边均匀受热，避免造成不易修复的侧向弯曲，从而确保其边缘质量。此外，需按照设计图纸标注的尺寸确定钢骨柱腹板和翼缘的下料长度。在进行焊接H型钢的组立及装配焊接时，根据构件截面高度、板厚及加劲板数量等因素，按表1预留收缩余量。

表1 预留收缩余量

在下料时，将翼缘的一端直接切割成满足要求的坡口，在装配H型钢梁时，就以此端作为装配时的基准端，既避免了二次切割，也能更好地控制质量。

3.3 H形钢梁组立阶段

本工程在组立H型钢之前，首先进行了全方位的检查核实，确保H型钢梁的组立满足设计图纸及相关规范的要求，然后将腹板和翼缘上的割渣、毛刺等物清除，并进行矫直矫正，再划定定位线和中心线，采用超声波对坡口及其两侧各50mm范围进行检测，对裂缝、夹层等缺漏进行处理。经检验合格后，在翼缘板上标出中心线，以其为基准找出腹板组装线，在组立机上组立。

3.4 端头及锁口加工阶段

本工程的构件需现场焊接，所以大多要进行锁口加工，H型钢加工好，并经检验合格后，用端头铣进行端头铣平，此时要准确控制构件的几何尺寸，保证端头平整。并通过锁口机完成相关的锁口处理，以提高端头及锁口的加工质量，提高钢结构设计的整体效果。

3.5 构件组装阶段

构件组装应在组装平台上进行，平台应测量找平。将用于装配的组装架及胎模牢固地固定在平台上，将合格的型钢梁柱整齐有序地摆放其上，按照图纸要求组装加劲肋等构件，然后按照设计图纸放样梁两端螺栓孔的位置，标出端面铣位置线和孔位检查线，方便检查及施工。构件组装时，注意先组装内部组件，再组装外部组件。用数控卧式带锯床对H型钢梁端坡口进行再次切割，同时需严格规定H形钢的质量标准。本工程要求H型钢加工时，弯曲度允许偏差≤L/1000，且≤5mm；扭曲度允许偏差≤H/250，且≤5mm；端部切斜允许的偏差值e≤1.6%H，且≤3mm；翼缘腹板平面度允许偏差值≤2.0mm。这些质量要求能够有效控制钢结构构件组装的整体质量，具有举足轻重的作用，不容忽视。

3.6 钢结构安装阶段

本工程采用埋入式刚性柱脚固定，钢柱整体吊装就位，将焊接好的柱脚底板通过预留螺栓临时固定在基础上，调整校准后再绑扎柱钢筋，浇筑混凝土。已完成吊装的结构要尽快焊接，才能尽早浇筑本层混凝土，从而进行上层钢结构的安装，加快建筑物的施工速度。

4 结语

通过对某高层建筑工程钢结构部分的设计施工进行分析与探讨，可知钢结构在高层建筑工程结构设计中发挥着重要的作用，需给予高度重视。从钢板对接阶段到钢结构安装阶段，每一个环节都不容忽视，每一个环节都要细心、谨慎，确保钢结构能够科学、合理地应用于高层建筑结构设计中，提高高层建筑结构设计的整体效果，确保高层建筑工程整体的施工质量。

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