試論鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

余仁澤

【摘要】高層建筑在近幾十年內(nèi)得到了快速的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了高層建筑的整體質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，只有科學(xué)合理的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，才能提高高層建筑的安全性能。本文從高層建筑的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了科學(xué)的分析和探討，希望能夠?yàn)槌鞘懈邔咏ㄔO(shè)提供一些有益的建議。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用；施工方案

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速的發(fā)展，高層建筑日益增多，是城市發(fā)展和建設(shè)的縮影。鋼結(jié)構(gòu)工程工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐漸的走向成熟，并且成為了目前世界上許多的高層建筑的首選的結(jié)構(gòu)形式。高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的橫截面的尺度較大，重量也較大，科學(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)是保障建筑安全的重要的因素。

1高層建筑的發(fā)展

建筑的高度在一定的程度上決定了城市的文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高度，例如上海中心、迪拜塔、101雙子大廈不僅僅代表著城市的發(fā)展程度，也代表著人類進(jìn)步和自我超越的力量。近幾十年來，建筑造型材料日新月異，高層建筑無論是豎向還是橫向記錄都在不斷的刷新，高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)理念發(fā)生了巨大的改變，它的價(jià)值空間向著多元化方向延伸。高層建筑的發(fā)展是從1894年發(fā)夠巴黎火車站采用鋼梁開始的，后來在1852年美國紐約城水晶宮直立式的展覽廳進(jìn)行了鋼框架的開發(fā)，1956年轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼技術(shù)得到了發(fā)展。

從18世紀(jì)開始，西歐和北美各國拉開了工業(yè)革命的序幕，生產(chǎn)力水平不斷的提高，人口也迅速的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)進(jìn)步要求有更大的空間。城市的空間成為了社會(huì)發(fā)展的必然，在城市范圍受到限制的條件下，城市建筑只能向著豎向發(fā)展，并且新技術(shù)和材料設(shè)備也不打斷的發(fā)展，使高層建筑豎向發(fā)展成為了可能。雖然高層建筑成為了城市發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是當(dāng)時(shí)主要城市的建筑體量，相關(guān)的配套設(shè)施并、交通工程制約著高層建筑的發(fā)展，使高層建筑在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)處于配角地位，不能實(shí)現(xiàn)高層建筑的真正的價(jià)值。隨著城市的快速發(fā)展和建設(shè)體量的增加，使建設(shè)高層建筑的要求更加迫切，到18世紀(jì)末，芝加哥作為一個(gè)超速發(fā)展的城市成為了現(xiàn)代高層建筑的起點(diǎn)，真正的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)風(fēng)格與建筑體量城市功能的有機(jī)統(tǒng)一。

而后的100年，成為了高層建筑的黃金時(shí)期，高層建筑總體上從四個(gè)方面得到了發(fā)展。首先，設(shè)計(jì)風(fēng)格的變革，設(shè)計(jì)思路也不斷的拓展，，各種建筑的設(shè)計(jì)元素不斷的豐富，讓高層建筑在安全的基礎(chǔ)上得到了美的提升，融合了自然的美學(xué)獲得了向上的力量。其次，結(jié)構(gòu)體系的理解也更加的深刻合理，高層建筑與普通的建筑不一樣的地方就是高層建有著更加復(fù)雜的垂直交通系統(tǒng)并且水平的交通系統(tǒng)與管道系統(tǒng)連接在了一起。再次，地下基礎(chǔ)工程得到了迅速的發(fā)展，這為高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展提供了充分的保障。最后，建筑材料和建筑設(shè)備的發(fā)展，新型的建筑材料的質(zhì)量高、強(qiáng)度大、重量小，而建筑設(shè)備的維護(hù)也更為方便，功能也更加的強(qiáng)大。

我國的高層建筑在近20年里也得到了迅速的發(fā)展，無論是在建筑速度還是建設(shè)的數(shù)量上都是世界建筑史上少有的。我國的經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，各行各業(yè)都得到了快速的提升，城市建筑全反映了城市文化，為城市帶來了活力。在我國建筑行業(yè)快速的發(fā)展同時(shí)，我們也不能忽視其中存在著的一些問題，我國在高層建筑方面還存在著局限性，也有許多的失敗的作品的出現(xiàn)。

2鋼結(jié)構(gòu)工程

鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍不僅僅是由鋼本身特性決定的，還受到國民經(jīng)濟(jì)的具體發(fā)展?fàn)顩r的影響。我國在冶金方面尤其是在煉鐵方面曾取得過巨大的成績(jī)，但是在后來的20多個(gè)世紀(jì)中始終處于小作坊的狀態(tài)，封建制度極大的束縛了我國工業(yè)發(fā)展的腳步。一直到建國初期我國都沒有一套完整的工業(yè)體系，建國后我國才開始發(fā)展現(xiàn)代冶金業(yè)，大型的冶金企業(yè)才逐漸的發(fā)展起來，但是受歷史和現(xiàn)實(shí)的束縛，煉鋼的產(chǎn)量并不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要，不能滿足建筑業(yè)的要求。到上世紀(jì)90年代，我國才逐漸的發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過20多年的發(fā)展我國逐漸的掌握了各種復(fù)雜的建筑物設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)，在許多的領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平。

鋼結(jié)構(gòu)是一種建筑結(jié)構(gòu)類型，它是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，主要適用于大跨度、板塊結(jié)構(gòu)、橋梁和高層建筑等。鋼結(jié)構(gòu)的鋼材的強(qiáng)度較大、自重較輕、剛度大，并且材料的勻質(zhì)性好。鋼結(jié)構(gòu)工程主要分為輕鋼結(jié)構(gòu)、重鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)，高層建筑一般是重鋼結(jié)構(gòu)。

3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性

鋼作為一種特殊的建筑材料與其他的建筑材料相比，無論是在設(shè)計(jì)還是施工以及綜合經(jīng)濟(jì)方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)能夠減少構(gòu)件的橫截面的尺寸，從而提高戶型的使用面積，使建筑結(jié)構(gòu)的尺寸較為靈活。其次，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的節(jié)能更好，它具有很好的保溫效果，能夠節(jié)能50%左右，鋼結(jié)構(gòu)的自重較輕，基礎(chǔ)造價(jià)較少。再次，環(huán)保節(jié)能符合產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結(jié)構(gòu)多為定性定量，工廠能夠大批量生產(chǎn)，工業(yè)化程度相對(duì)較高，成套應(yīng)用，鋼材可以100%的回收利用不會(huì)造成資源的浪費(fèi)。最后，鋼結(jié)構(gòu)的機(jī)械化水平較高，在施工的過程當(dāng)中施工的速度快，用人少，工期與傳統(tǒng)的住宅建筑相比可以縮短30%左右。

4鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的的具體受力情況，可以選用不同的鋼材和高強(qiáng)度螺栓，并且要進(jìn)行噴砂處理。鋼型混凝土梁中的型鋼一般是采用H型鋼，采用PKPM系列程序與設(shè)計(jì)軟件SAWE結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)具體的計(jì)算結(jié)果確定梁柱橫截面鋼筋和鋼骨的大小?；炷梁托弯撝g的粘結(jié)力小于混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)力，因此為了避免粘結(jié)移滑，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要應(yīng)用栓釘，形成完全的剪力連接，使混凝土和型鋼能夠共同的工作。鋼骨混凝土一般是采用埋入式柱腳，要埋入大概3倍的型鋼柱截面的高度，在梁、柱節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)受力部位，在設(shè)計(jì)的過程中要保證傳力明確、安全可靠，施工方便。鋼骨柱的長(zhǎng)度應(yīng)該根據(jù)鋼材生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)乃俣葋頉Q定。

5鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝

鋼結(jié)構(gòu)工程通常是由制作和安裝兩部分組成的，工程質(zhì)量的好壞也是由這兩部分共同決定的。設(shè)計(jì)鋼骨必須要采用機(jī)械加工，生產(chǎn)廠家一定要專業(yè)，各種材料也一定要符合相關(guān)的質(zhì)量的要求。施工的過程中要明確相關(guān)的工作人員具體的工作責(zé)任，構(gòu)件的制作和安裝的過程一定要小心謹(jǐn)慎。鋼板的對(duì)接作為鋼結(jié)構(gòu)的首要環(huán)節(jié)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量有著重要的影響，鋼板的對(duì)接應(yīng)為整體對(duì)接，只能在長(zhǎng)度方向采用小車式埋弧自動(dòng)焊來完成鋼板的對(duì)接。鋼板的對(duì)接坡口一般要采用鋼結(jié)構(gòu)萬能坡口切割機(jī)銑削，并且在完成后要讓專業(yè)的人員對(duì)坡口的尺寸進(jìn)行檢查。在構(gòu)件的組裝階段一定要在組裝平臺(tái)上進(jìn)行，將合格的型鋼梁整齊的擺放在組裝平臺(tái)上，按照?qǐng)D紙的相關(guān)的額要求組裝構(gòu)件，按照設(shè)計(jì)圖標(biāo)出端面銑位。構(gòu)件在組裝的過程中一定要注意要先組裝內(nèi)部的組件，再裝外部組件。如果工程構(gòu)件需要現(xiàn)場(chǎng)焊接，要進(jìn)行鎖口加工，在對(duì)H鋼檢驗(yàn)合格以后，準(zhǔn)確的測(cè)量出控件構(gòu)件的準(zhǔn)確的尺寸，保證端口要平整。通過對(duì)相關(guān)的設(shè)備對(duì)鎖口進(jìn)行處理，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體的效果。

6小結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑的建筑和設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用，我們要不斷的加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，提高鋼結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性。從鋼板的對(duì)接階段到鋼板的安裝每一個(gè)階段都不能忽視，每一環(huán)節(jié)都要細(xì)心謹(jǐn)慎，確保鋼結(jié)構(gòu)能夠科學(xué)、合理地應(yīng)用于高層建筑設(shè)計(jì)中，提高建筑的整體質(zhì)量。

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