高层及超高层建筑中的钢结构施工
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摘 要: 当前高层及超高层建筑钢结构施工具有规定严、场地狭小及立体交叉施工等众多因素的特点。本文主要分析了钢结构在超高层的结构体系、材料的选取、连接节点的设计及施工、钢柱的制作与安装等。
关键词:钢结构;设计;施工
随着我国经济的飞速发展,钢材产量和品种日益增加,在我国大中城市相继建成了一批钢结构的高层建筑。从用钢量、面积利用率、基础费用、工期等多方面的综合经济效益来看,其结构性能有如下特点:①结构自重轻。据统计,钢结构的高层建筑的自重约8kN/m2~15kN/m2,而钢筋混凝土高层建筑的自重约为15kN/m2~18kN/m2,前者约为后者的60%。建筑物自重的减轻,减小了地震作用;上部结构传至基础的竖向荷载大为减轻,降低了地基处理的技术难度,基础工程造价也就有大幅度的下降。②抗震性能好。由于钢材具有良好的弹塑性性能,在地震作用下,具有良好的延性,能够减弱地震反应,具有抵抗强烈地震的变形能力。③减少结构所占建筑面积,能充分利用建筑空间。对于30层~40层的钢筋混凝土高层建筑,其结构(柱及核芯筒)面积约为建筑面积的7%,若采用钢结构,相应的结构面积约为建筑楼层面积的3%,这样可增加建筑使用面积4%左右,其经济效益相当可观。此外,由于钢结构的承载力大,设计柱网尺寸的选择幅度较大,更利于满足建筑功能的空间划分,提高了建筑布置的灵活性。④施工周期短。钢结构工厂化程度高,各构件采用高强度螺栓和焊缝连接,施工速度比钢筋混凝土结构快1.5倍左右,相应的施工周期缩短,建筑物能早日投入使用,使投资方在经济效益上获得早回报。⑤耐火性能差别。钢结构是不耐火的结构,在火灾烈焰下,随着构件温度迅速上升,钢材的曲服强度和弹性模量将急剧下降,当达到600℃时,构件完全丧失承载力而导致结构倒塌。因此,当建筑物有防火要求时,钢结构件表面必须采用防火涂料保护。
1 高层及超高层结构体系
我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)(以下简称《高规》)规定,10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物称为高层建筑,房屋总高度超过100m为超高层建筑。
2 材料的选用
钢结构有很多优点,但其缺点是导热系数大,耐火性差。随着冶金技术的提高,耐火钢的研究成功并投入生产,为钢结构的进一步发展创造了条件。
目前宝钢投入生产的有B400RNQ和B490RNQ两种型号的耐火钢,其物理力学指标、化学性能及抗冲击韧性和可焊性,都能达到结构钢的要求。普通钢材当达到600℃的高温时已完全丧失承载能力,宝钢生产的这两个品种钢材当达到600℃时其屈服强度还有150MPa~220MPa。
3 连接节点的设计和施工
多、高层建筑钢结构中各种钢构件需要在工厂和工地连接结合在一起,才能成为完整的结构。许多钢结构事故及震害表明,钢结构的整体破坏大多是由节点首先破坏引起的,所以节点设计不仅对结构的安全有重要的影响,而且直接影响钢结构的制作、安装及造价,因此钢结构的节点设计是钢结构设计工作中的重要环节。
3.1 节点设计的一般原则
节点设计应传力可靠,构造简单,加工方便;保证节点在具有足够的强度、刚度,同时应具有良好的延性;节点的受力计算模型应与节点的实际受力情况相一致,节点的构造应与计算的假定相符合。
3.2 高层钢结构建筑的节点连接
当非抗震设防时,应按结构处于弹性阶段设计;当抗震设防时,应按结构处于弹塑性阶段设计,节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。要求抗震设防的结构,当风荷载起控制作用时,仍应满足抗震设防的各种要求。
3.3 节点的连接施工
高层建筑钢结构的节点连接,现场可以采用焊接,高强度螺栓或栓焊混合连接,焊接的传力最充分,不会滑移,良好的焊接质量可提供足够的延性, 但要求对焊缝进行探伤检查,并且焊接有较大的残余应力;高强度螺栓施工方便,但拼接或连接全部采用高强度螺栓,会使接头尺寸过大,板材消耗较多,且螺栓价格也较贵,此外高强度螺栓连接在大震时也易产生滑移;栓焊连接在工程实际中应用较普遍,即翼缘用焊接,腹板用高强度螺栓连接。施工时,先用螺栓安装定位,然后对翼缘施焊,但由于翼缘焊接时温度很高,对腹板高强度螺栓的预拉力有一定的降低影响,所以在设计时,对腹板的高强度螺栓的实际应力留有一定的富余量。
4 制作与安装
4.1 定位轴线、标高和地脚螺栓
钢柱的定位轴线可根据场地的宽窄,在建筑物外部或内部设置控制轴线。例如:工程高度在100m,设置2个控制桩,以供架设经纬仪或激光仪控制桩的位置,要求以能满足通视、可视为原则。
钢柱的长度以满足起重量的大小和运输的可能性,一般为2~3层为一节,对每一节柱子安装不得使用下一节柱子的定位轴线,应从地面控制轴线引到高空,以保证每节柱子安装正确无误,避免产生累积误差。柱脚与钢筋混凝土基础的连接,一般采用埋入式刚性柱脚,地脚螺栓是在安装就位第一节钢柱时,控制平面尺寸和标高的临时固定措施。
4.2 钢柱的制作与安装
钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件,在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。
100m高的超高层钢柱一般分为8~12节构件,钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊缝的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形,所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度,即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换,要求对每节钢柱应编号予以区别,正确安装就位。
矩形或方形钢柱内地加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊,不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。
钢柱标高的控制一般有2种方式:①按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm,不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形,建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格,这种制作安装一般在12层以下,层高控制不十分严格的建筑物。②按设计标高制作安装。一般在12层以上,精度要求较高的层高,应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高,每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。
4.3 框架梁的制作与安装
高层、超高层框架梁一般采用H型钢,框架梁与钢柱宜采用刚性连接,钢柱为贯通型,在框架梁的上下翼缘处在钢柱内设置横向加劲肋。
框架梁应按设计编号正确就位。为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性,在工厂制造时,在框架梁所在位置设置悬臂梁(短牛腿),悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接采用剖口熔透焊缝,腹板采用贴角焊缝。框架梁与钢柱的悬臂梁(短牛腿)连接,上下翼缘的连接采用衬板(兼引弧板)全熔透焊缝,腹板采用高强螺栓连接。
由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求,当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时,腹板的连接板可开椭圆孔,椭圆孔的长向尺寸不得大于2d0(d0为螺栓孔径),并应保证孔边距的要求。
框架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度,需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算,再按实际加工之后校核,确定其翻样下料的精确长度。
框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接,目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘,先一端点焊定位,再焊另一端。
腹板则采用高强度螺栓连接,要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。
采用高强螺栓群连接时,孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多轴数控钻孔,前者精度低,后者精度高,应优先考虑采用后者。当采用模板制孔时,应保证模板的精度,以确保高强螺栓的组装孔和工地安装孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允许使用铰刀扩孔。严禁使用气割扩孔,若用气割扩孔,则应按重大质量事故处理。
高强螺栓群应同一方向插入螺栓孔内,高强螺栓群的拧紧顺序应由中心按辐射方向逐层向外扩展,初拧和终拧都得按预先设定的鲜明色彩在螺帽头上加以表示。
5 楼盖的设计和施工
钢结构建筑物的楼板和屋盖,普遍采用在压型钢板上浇灌混凝土而形成组合楼板和非组合楼板,组合楼板中的压型钢板不仅用作永久性模板,而且作为混凝土板下部的受拉钢筋,与混凝同工作。非组合楼板中的压型钢板仅用作永久性模板,不考虑与混凝同工作。其中最常用的是压型钢板组合楼板,其特点是有利于各种复杂管系的铺设;施工过程中无传统模板支模拆模的繁琐作业,可同时进行一层或几层楼板的混凝土浇灌,而不影响钢结构的施工;压型钢板质量轻,易吊装,可快速就位,故在施工速度,简易程度和安全性等综合效果上更优于其他楼板的结构形式。
6 结语
现代超高层建筑随着社会生产和科学技术的进一步发展，一大批先进的仪器和施工工艺越来越广泛地应用到施工中，这对设计、施工、监理也提出了越来越高的要求。强度、三线、裂缝、安全值需要进一步研究与探讨。