高层建筑钢结构设计存在的问题及应对策略

许伟

（唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

建筑空间集约化和施工高效环保是建筑行业的总体发展目标。在此背景下，建筑钢结构得到了较快发展。建筑钢结构在工业厂房、公共建筑以及民用住宅小区等方面都具有较广的应用。相比传统钢筋混凝土建筑结构来说，建筑钢结构不仅具有较高的抗震能力、较低的成本还具有较好的外观优势。此外，建筑钢结构的大部分结构建造环节都在预制场加工完成，在建筑施工现场主要是吊装和装配工作，不仅提高了施工效率还达到了环保要求。但随着建筑使用需求的不断增加，建筑钢结构设计暴露出一些问题，这些问题对建筑钢结构设计的可持续发展有一定制约作用。基于此，本文针对具体问题开展深入分析研判，并提出了解决问题的具体措施，对建筑钢结构的发展具有一定的积极促进作用。

2 高层建筑钢结构的优点

高层建筑钢结构在结构设计方面、施工方面以及使用方面都具有较大优势。其优点主要有以下几方面：第一，建筑钢结构可以弥补传统钢筋混凝土建筑结构的不足，它易于分割的优势更是大大提高了施工效率。第二，建筑钢结构施工中会用到轻质墙板等绿色环保材料，可以充分降低不可再生能源的消耗。第三，钢结构建造使用的型钢型号基本都是国标型号，可以有效实现技术集成化，进一步提高了建筑钢结构建造设计水平和实用性能。第四，钢构材料的工业集成化程度高，同时也是一种可再生材料，满足建筑节能环保的基本要求。第五，建筑钢结构整体质量较轻，可以减少地基处理的投入费用。第六，建筑钢结构具有较好的经济效益和社会效益[1]。

3 高层建筑钢结构设计原则

高层建筑钢结构设计的基本原则包括优化原则和整体原则。优化原则指的是在建筑钢结构设计中避免选择建筑规范中要求的最小界面，但是在保证质量和安全的前提下要选择既有一定刚度又较薄的截面。举个例子，比如，建筑钢结构设计中明确指出在选择受力构件时，不能选择厚度低于4 cm的钢板，同样在选择钢管的时候也不能选择厚度低于3 cm的钢管；建筑钢结构中的角钢构件的连接方式如果设计为螺栓连接，在设计过程中应高度关注截面开螺栓孔对截面受力造成削弱的影响。整体性原则是指建筑钢结构的设计环节要与结构环节进行有机结合，不能先进行建筑设计再进行结构设计，导致建筑设计与结构设计脱节。

建筑钢结构规范中对不同类型结构最大允许高度确定时，除了对结构受力等理论进行充分考虑，还结合了我国经济整体发展水平、施工综合水平以及建筑相关的科研投入和科研能力等多方面进行综合研判。这些规范内容严谨可靠且与我国现行的土木工程设计规范体系相吻合。但在高层建筑结构的实际操作中往往会超出规范规定的高度，比如，我国某钢混结构体系大厦，其建筑高度实际上已经达到了420 m，再比如，某混凝土结构高层建筑，其建筑高度已经到了320 m，均已经超过了规范要求控制的最高高度。出现在这种实际施工高度已经超过规范高度情况时，在论证阶段就要求高层建筑设计者对高层建筑高度设计持科学谨慎的态度，根据当地建筑地震等级等多种因素综合验算其实际高度是否仍然满足承载力等多方面要求。确保将因建筑高度超过规范要求后，不会发生建筑变形或者结构无法正常使用的情况出现。近年来，我国建筑空间集约化理念发展迅速，大部分城市的高层建筑的建筑高度都在增加，但是伴随高层建筑高度增加，一些建筑参数变化却没有引起高层建筑钢结构设计者的重视，如一些没有达到规范规定的安全指标参数、材料性能参数等并没有引起建筑设计者的重视[2]。

4 高层建筑钢结构设计中凸显的主要问题

4.1 钢结构防火防腐蚀设计欠缺

建筑钢结构外侧墙体常年暴露在风吹日晒的环境，所以钢结构外墙存在被腐蚀或者发生火灾的风险，如果问题严重还会对建筑使用者的安全造成不利影响，甚至部分钢结构建筑的耐火等级根本没有达到规范要求的最低标准，导致建筑结构遭受火灾带来的损害，造成了严重的经济损失。但是在钢结构项目的实际设计过程中，对钢结构的防腐设计和防火设计并没有给予足够的关注，也没有将钢结构防火设计和防腐蚀设计作为一个单独模块进行分析研究，这就造成了钢结构建筑受腐蚀或者受火灾影响的风险。此外，部分建筑钢结构设计项目并没有进行全方位的建筑结构防火设计，导致部分钢结构表面出现自然现象，或者外层钢结构保温材料在高温日晒情况下出现保温材料燃烧的情况。基于此，科学有效提升建筑钢结构防火防腐蚀处理措施，可以显著提升建筑钢结构综合性运行效能。

4.2 钢结构物理节点处理欠稳妥

建筑钢结构设计过程中涉及较多且较为复杂的物理节点，如果在设计过程中没有对这些复杂的物理节点进行科学合理的处理，则会对建筑钢结构整体稳定性和使用安全性造成较大隐患。之所以物理节点处理不到位会造成较大安全隐患，是因为钢结构建筑的物理节点处承受着上部结构的重力，部分重要节点几乎承受了大部分建筑结构重量。即便处理复杂物理节点问题如此重要，但是在钢结构总体设计过程中，建筑钢结构物理节点问题还是没有得到应有的重视，为钢结构后续的安全稳定运行埋下了较大的安全隐患。

5 高层建筑钢结构设计问题解决对策

5.1 钢结构抗火抗腐蚀设计策略

在全面提升优化建筑钢结构设计的同时，要对建筑防腐蚀防火设计给予重点关注，保证钢结构建筑防火设计和防腐蚀设计满足相应的等级。建筑设计人员在选择钢结构表面耐火涂层时，要选择燃点较高的涂层材料，有效提升钢结构建筑的防火性能。在提升钢结构建筑防火性能的同时，也要采取积极有效的措施提升建筑钢结构的防腐蚀能力。钢结构的腐蚀过程并不是一蹴而就的，而是长年累月的作用过程，虽然钢结构腐蚀过程缓慢，但是其对建筑钢结构的危害较大。而建筑钢结构的防腐策略也侧重在防腐蚀涂料的选择上。为了更好地消除钢结构材料被腐蚀的风险，可在建筑钢结构材料表面覆盖防腐性能较好的涂层。此外，钢结构材料在经过防火设计和反腐蚀设计处理后，还需要控制钢结构表面没有焊渣残留、没有油渍残留以及钢毛刺等，而且钢结构设计中还要提出残存污渍的处理措施。

5.2 加强对钢结构受力体系以及细部节点的设计

当钢结构设计方案敲定以后，第一项首要任务就是计算钢结构受力体系和计算并完善钢结构节点受力情况。现阶段，钢结构受力体系多采用杆系结构。杆系结构主要指梁体、拱件、框架以及桁架，这种结构对钢材的强度要求较高，而且要求钢材的截面尺寸要小。这种杆系结构可以在生产车间生产之后运输到施工现场进行安装，杆系结构之间的约束力较小。所以钢结构设计的重点是保证结构节点之间连接的紧固性。而钢结构建筑的细部节点设计所涉及的内容计算较为复杂且必须要细化到每个节点。在设计过程中要注重强柱弱梁的基本设计策略。所谓强柱弱梁设计注重的是钢结构设计中的结构柱和梁体的整体性，要求钢结构建筑受到较大荷载时，塑性铰出现在结构梁上而不是出现在结构柱上。只有这样，才能确保钢结构建筑在使用过程中不会因结构柱受到极限破坏而出现坍塌损坏，而且在较大荷载作用后，整个钢结构建筑还可以较快地恢复到初始状态。相关规范也规定了类似内容，即在进行强柱弱梁设计时，首先计算和分析强柱弱梁的弹塑性，当计算和分析结果满足要求时才可以使用。

6 案例分析

6.1 工程概况

以某高层钢结构建筑为研究背景，介绍高层钢结构建筑设计的基本要点。某高层钢结构建筑的总体建筑面积为1.1×105m2，建筑总高度为95.8 m，该高层钢结构建筑地上为27层，地下2层，高层结构建筑形式为高层钢框架剪力墙结构，该高层钢结构的抗震设防烈度为6度。

6.2 结构体系的选择

案例项目中，结构体系为钢框架剪力墙结构，该结构体系的受力特点兼顾了钢结构和剪力墙结构的优点。钢框架剪力墙体系刚度大、结构侧面积小且具有较好的抗震性能，钢框架剪力墙在实际工程中应用也越来越广泛。钢框架剪力墙结构中的钢结构因其具有较高的强度且较小的刚度，主要承受竖向荷载；而钢框架剪力墙结构中的剪力墙结构具有较大的承载能力和较大的刚度，可以使得建筑结构获取足够的抗侧滑刚度，可以满足结构层间位移限值，也就是说钢框架剪力墙结构的水平荷载主要由剪力墙来承担。

6.3 钢结构框架剪力墙的结构刚度和承载能力设计

钢结构框架剪力墙结构布置应遵循均匀、分散、对称以及周边布置的基本原则。钢框架结构布置应尽可能对称且均匀，其目的是缩短结构抗侧刚度中与结构水平荷载合二者合力作用线的有效距离，同时也是为缩短钢结构重心之间的距离用来减小结构出现扭转的概率。在钢结构框架剪力墙结构中，当剪力墙的数量增多时，钢框架结构的体积和刚度也会增加。但随着剪力墙数量的增加，钢框架剪力墙结构的自振周期就会变小，继而导致结构整体的水平地震力作用加大；如果剪力墙数量减少，则钢框架结构的整体刚度会降低，水平地震力作用也会降低。基于此，在钢结构设计过程中要根据建筑结构的基本特点来综合确定建筑的设计防烈度、建筑整体高度以及装修等级，再确定钢框架剪力墙结构所允许的最大位移限值，继而科学合理地确定剪力墙数量，保证建筑结构的经济型和适用性原则。

6.4 钢结构框架剪力墙的节点设计

钢结构节点位置的设计形式通常有焊接和螺栓连接两种形式。高层钢结构建筑的梁体和柱体节点焊接形式通常采用诸如翼缘坡口焊等高强度焊机模式，其焊接质量不低于二级。对于钢结构H形钢梁和建筑结构钢腹板的焊接形式可以采用角焊的焊接形式。而对于钢结构建筑中使用的方钢管（厚度＜16 mm）的焊接可以采用熔嘴电渣焊焊接形式。高层钢结构建筑结构梁和结构柱节点处的梁腹板的连接通常采用螺栓连接，螺栓连接的设计采用的是高强度摩擦性螺栓，每个螺栓抗剪承载力设计值与摩擦面的个数和摩擦面的抗滑移系数相关，钢结构梁体和柱体的节点采用双剪连接模式，所谓双剪连接模式就是两个摩擦面共同作用。与双剪模式对应的是单剪模式，即一个摩擦面起作用。当进行钢结构梁腹板设计验算时，应验算螺栓孔位处的腹板净截面的抗剪强度，如果高强度螺栓采用的是承压性螺栓好需要对螺栓孔局部承压能力进行验算。

7 结语

建筑行业迅猛发展给建筑钢结构设计带来较大机遇的同时，也给建筑钢结构设计带来了较大挑战。钢结构设计人员需要对设计过程中出现的问题进行科学合理的分析，在分析结果的基础上，采取行之有效的解决措施。此外，钢结构建筑设计所涉及的知识体系更新较快，所以相关从业人员要不断学习理论知识，并将理论知识与实践经验相结合，将钢结构设计的优势发挥到极致，有效提升工程建设的整体质量。