关于高层建筑钢结构设计的探析
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摘要:随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快，我国高层建筑建设持续空前发展。钢结构体系因其本身所具有的自重轻、强度高、施工快等优点，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。本文将对高层建筑的钢结构设计与施工进行讨论研究。
关键词:高层建筑； 钢结构； 设计； 施工
Abstract: with the China's national economic development and population urbanization, high-rise building construction in our country for unprecedented development. Steel structure system for its itself is light weight, high strength, construction fast and other advantages, compared with reinforced concrete structure, is more in the "high, large, light" three aspects are the unique advantages of development. This paper will be of a high-rise building design and construction of steel structure discuss research.
Keywords: high building; Steel structure; Design; construction
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
1 钢结构的适用条件
判断结构是否适合用钢结构，主要是钢结构和钢筋混凝土结构之间的选择。国内与国外相比，如日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50%以上，而我国只占5%还不到；对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外。事实上，结构造价只占工程造价的30%左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的50%- 70%。而钢结构只是指工程的上部结构，在工程总投资中仅占10% 还不到，对于高层和大跨度结构，钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程总投资的4%。如果再考虑到采用钢结构因其自重轻、建筑有效使用面积大、施工速度快及抗震性能好等诸多优点，钢结构特别适用于重型工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度建筑的屋盖结构、大跨度桥梁、多层和高层建筑的骨架、塔桅结构、容器和大直径管道等壳体结构、移动式结构、轻型结构以及在地震区抗震要求较高的工程结构。
2.1高层建筑钢结构的主要特点
1）钢材强度较高、重量较轻，是一种相当理想的弹塑性材料。
2）钢结构采用多个构件进行组装后形成。构件主要是由单根型钢或者是由型钢通过焊接及螺栓连接后进行组装而成的，通常都是在工厂加工成型后运送到安装现场进行安装的。其中的材料包括型钢与钢板都是由钢铁厂按合同直接供货。
3）由于钢材自身的特性，其在一定的条件下将表现出隐脆性，尤其是对高层建筑而言，在设计时要予以充分的考虑。
4）由于普通钢材的耐腐蚀性能较差，同时钢结构的耐火能力通常较差，因此在设计时对其防
护要进行同步设计。
2.2高层建筑钢结构设计的主要内容
2.2.1方案设计
除了要考虑建筑的使用功能以及施工工艺性能外，还必须因地制宜，对方案的总体进行设计。对于高层建筑钢结构而言，建筑承受的主要载荷是以风载及地震作用为主，这与以承受竖向载荷为主的一般建筑物不同，其设计的一个主要目的就是要减少侧移，防止出现扭转现象，避免在建筑中出现薄弱层面及薄弱环节。
高层建筑的抗侧力结构体系的设计还需要考虑到建筑物的高度。同时，在进行结构布置时要与建筑师进行共同的设计，确保钢结构具有相当的侧向刚度与承载能力，并使载荷能够在平面及立面上均匀分布。之后，在对结构体系确定的基础上再对柱网尺寸及楼盖的结构体系进行确认，最终保证设计方案的经济合理。
2.2.2构件设计
对于钢结构的构件及其连接节点的设计，除了按照必要的规范及规程进行设计之外，还必须做到以下几点。
1）要结合具体工程的实际情况对构件的结构形式进行创新，采用新的连接方式，形成新的连接方法与高效截面。例如，在建筑地基条件较好时，可以采用插入式柱脚、采用T型钢代替双角钢进行焊接组合截面，这样可以有效地减少涂料使用，对于防锈有较好的作用。
2）结构的力学计算要达到相当的可靠性。在进行电算之后还应该根据经验进行判断，必要时还可以采用手算的方法对结果进行校核，保证将误差控制至最低，可靠性达到最高。
3）对于计算结果，结构设计师要根据钢结构的实际工作状态(这可以通过实际测算并结合结构力学知识进行估算)，对一些重要构件的截面以及节点间连接的承载力进行必要的调整。这主要是因为钢结构都是空间工作，同时构件间的连接点都是半刚性的，结构间的应力状态相当复杂，再精确的计算模型都不可能完全反映出真实的受力情况，其间的差距是不可避免的。因此，进行设计时要根据概念以及经验对结果加以适当的调整和估算，这样才能使计算结果合理化。
4）要根据结构的环境进行具体设计。例如，在施工中，设备的吊装能力较大时，进行构件设计时可以尽可能地扩大拼装结构的规模，这样可以大大地加快安装速度，实现综合经济效益的最大化。
2.2.3确保设计理念的先进性
在设计时要时刻关注国内外先进的设计理念，注意将当前和长远相结合，这对于工业建筑物及构筑物的钢结构设计相当重要。随着技术的进步，工艺革新及工艺需求的变化频率加快，建筑物势必需要随之进行改进。改进速度越快，耽误生产的时间将越少，这将有效减少经济效益的损失。因此，在进行设计时要充分考虑到建筑物改进的可能性及方便性。从这个角度来看，平面结构的钢架将优于空间结构，工业建筑中通常采用平面结构钢架也是出于这方面的考虑。
3高层建筑钢架构的施工工艺分析
3.1焊接工艺
由于型材的种类以及型材材质的多样性，焊接时存在一定的特殊性，所以要从焊前预处理、焊接工艺以及焊后处理等几个方面加以保证。
1）焊前预处理①应认真做好焊前的各项准备工作；②根据焊缝接头的不同形式，选择适当的焊接方法；③根据焊缝接头的坡形以及焊接的技术要求，正确安装引弧板、引出板以及背面衬板等辅助焊接工具；④根据具体的焊接环境选择合理的预热处理工艺。
2）施焊工艺除了选择合适的焊接电流及焊条直径外，还必须注意焊接中的相关工艺。例如，应该在起焊点前面的15～20mm处的焊缝隙内的焊接母材上引燃电弧，之后将电弧拉长并回到起焊点，预热片刻之后再压短电弧，将熔池熔透并填满到一定的厚度，然后将焊条向前移动，直到形成一个完整的焊缝；若接头有全熔透要求，尤其是在V形、X形、K形坡口间的对接或者是T形接头时，背面第一层焊缝往往容易出现不能焊透、夹渣或者是裂缝等焊接缺陷，这时要进行彻底的清根之后再进行焊接。