高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題及應(yīng)對策略

許偉

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

建筑空間集約化和施工高效環(huán)保是建筑行業(yè)的總體發(fā)展目標(biāo)。在此背景下，建筑鋼結(jié)構(gòu)得到了較快發(fā)展。建筑鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房、公共建筑以及民用住宅小區(qū)等方面都具有較廣的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)來說，建筑鋼結(jié)構(gòu)不僅具有較高的抗震能力、較低的成本還具有較好的外觀優(yōu)勢。此外，建筑鋼結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)建造環(huán)節(jié)都在預(yù)制場加工完成，在建筑施工現(xiàn)場主要是吊裝和裝配工作，不僅提高了施工效率還達到了環(huán)保要求。但隨著建筑使用需求的不斷增加，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計暴露出一些問題，這些問題對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展有一定制約作用?；诖耍疚尼槍唧w問題開展深入分析研判，并提出了解決問題的具體措施，對建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有一定的積極促進作用。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面、施工方面以及使用方面都具有較大優(yōu)勢。其優(yōu)點主要有以下幾方面：第一，建筑鋼結(jié)構(gòu)可以彌補傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的不足，它易于分割的優(yōu)勢更是大大提高了施工效率。第二，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中會用到輕質(zhì)墻板等綠色環(huán)保材料，可以充分降低不可再生能源的消耗。第三，鋼結(jié)構(gòu)建造使用的型鋼型號基本都是國標(biāo)型號，可以有效實現(xiàn)技術(shù)集成化，進一步提高了建筑鋼結(jié)構(gòu)建造設(shè)計水平和實用性能。第四，鋼構(gòu)材料的工業(yè)集成化程度高，同時也是一種可再生材料，滿足建筑節(jié)能環(huán)保的基本要求。第五，建筑鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量較輕，可以減少地基處理的投入費用。第六，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則包括優(yōu)化原則和整體原則。優(yōu)化原則指的是在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中避免選擇建筑規(guī)范中要求的最小界面，但是在保證質(zhì)量和安全的前提下要選擇既有一定剛度又較薄的截面。舉個例子，比如，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中明確指出在選擇受力構(gòu)件時，不能選擇厚度低于4 cm的鋼板，同樣在選擇鋼管的時候也不能選擇厚度低于3 cm的鋼管；建筑鋼結(jié)構(gòu)中的角鋼構(gòu)件的連接方式如果設(shè)計為螺栓連接，在設(shè)計過程中應(yīng)高度關(guān)注截面開螺栓孔對截面受力造成削弱的影響。整體性原則是指建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)要與結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)進行有機結(jié)合，不能先進行建筑設(shè)計再進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計脫節(jié)。

建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中對不同類型結(jié)構(gòu)最大允許高度確定時，除了對結(jié)構(gòu)受力等理論進行充分考慮，還結(jié)合了我國經(jīng)濟整體發(fā)展水平、施工綜合水平以及建筑相關(guān)的科研投入和科研能力等多方面進行綜合研判。這些規(guī)范內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)可靠且與我國現(xiàn)行的土木工程設(shè)計規(guī)范體系相吻合。但在高層建筑結(jié)構(gòu)的實際操作中往往會超出規(guī)范規(guī)定的高度，比如，我國某鋼混結(jié)構(gòu)體系大廈，其建筑高度實際上已經(jīng)達到了420 m，再比如，某混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑，其建筑高度已經(jīng)到了320 m，均已經(jīng)超過了規(guī)范要求控制的最高高度。出現(xiàn)在這種實際施工高度已經(jīng)超過規(guī)范高度情況時，在論證階段就要求高層建筑設(shè)計者對高層建筑高度設(shè)計持科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度，根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ卣鸬燃壍榷喾N因素綜合驗算其實際高度是否仍然滿足承載力等多方面要求。確保將因建筑高度超過規(guī)范要求后，不會發(fā)生建筑變形或者結(jié)構(gòu)無法正常使用的情況出現(xiàn)。近年來，我國建筑空間集約化理念發(fā)展迅速，大部分城市的高層建筑的建筑高度都在增加，但是伴隨高層建筑高度增加，一些建筑參數(shù)變化卻沒有引起高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計者的重視，如一些沒有達到規(guī)范規(guī)定的安全指標(biāo)參數(shù)、材料性能參數(shù)等并沒有引起建筑設(shè)計者的重視[2]。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中凸顯的主要問題

4.1 鋼結(jié)構(gòu)防火防腐蝕設(shè)計欠缺

建筑鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)墻體常年暴露在風(fēng)吹日曬的環(huán)境，所以鋼結(jié)構(gòu)外墻存在被腐蝕或者發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險，如果問題嚴(yán)重還會對建筑使用者的安全造成不利影響，甚至部分鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火等級根本沒有達到規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)帶來的損害，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。但是在鋼結(jié)構(gòu)項目的實際設(shè)計過程中，對鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計和防火設(shè)計并沒有給予足夠的關(guān)注，也沒有將鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計和防腐蝕設(shè)計作為一個單獨模塊進行分析研究，這就造成了鋼結(jié)構(gòu)建筑受腐蝕或者受火災(zāi)影響的風(fēng)險。此外，部分建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計項目并沒有進行全方位的建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計，導(dǎo)致部分鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)自然現(xiàn)象，或者外層鋼結(jié)構(gòu)保溫材料在高溫日曬情況下出現(xiàn)保溫材料燃燒的情況?；诖?，科學(xué)有效提升建筑鋼結(jié)構(gòu)防火防腐蝕處理措施，可以顯著提升建筑鋼結(jié)構(gòu)綜合性運行效能。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)物理節(jié)點處理欠穩(wěn)妥

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中涉及較多且較為復(fù)雜的物理節(jié)點，如果在設(shè)計過程中沒有對這些復(fù)雜的物理節(jié)點進行科學(xué)合理的處理，則會對建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和使用安全性造成較大隱患。之所以物理節(jié)點處理不到位會造成較大安全隱患，是因為鋼結(jié)構(gòu)建筑的物理節(jié)點處承受著上部結(jié)構(gòu)的重力，部分重要節(jié)點幾乎承受了大部分建筑結(jié)構(gòu)重量。即便處理復(fù)雜物理節(jié)點問題如此重要，但是在鋼結(jié)構(gòu)總體設(shè)計過程中，建筑鋼結(jié)構(gòu)物理節(jié)點問題還是沒有得到應(yīng)有的重視，為鋼結(jié)構(gòu)后續(xù)的安全穩(wěn)定運行埋下了較大的安全隱患。

5 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題解決對策

5.1 鋼結(jié)構(gòu)抗火抗腐蝕設(shè)計策略

在全面提升優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，要對建筑防腐蝕防火設(shè)計給予重點關(guān)注，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計和防腐蝕設(shè)計滿足相應(yīng)的等級。建筑設(shè)計人員在選擇鋼結(jié)構(gòu)表面耐火涂層時，要選擇燃點較高的涂層材料，有效提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火性能。在提升鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性能的同時，也要采取積極有效的措施提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕能力。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕過程并不是一蹴而就的，而是長年累月的作用過程，雖然鋼結(jié)構(gòu)腐蝕過程緩慢，但是其對建筑鋼結(jié)構(gòu)的危害較大。而建筑鋼結(jié)構(gòu)的防腐策略也側(cè)重在防腐蝕涂料的選擇上。為了更好地消除鋼結(jié)構(gòu)材料被腐蝕的風(fēng)險，可在建筑鋼結(jié)構(gòu)材料表面覆蓋防腐性能較好的涂層。此外，鋼結(jié)構(gòu)材料在經(jīng)過防火設(shè)計和反腐蝕設(shè)計處理后，還需要控制鋼結(jié)構(gòu)表面沒有焊渣殘留、沒有油漬殘留以及鋼毛刺等，而且鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中還要提出殘存污漬的處理措施。

5.2 加強對鋼結(jié)構(gòu)受力體系以及細(xì)部節(jié)點的設(shè)計

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案敲定以后，第一項首要任務(wù)就是計算鋼結(jié)構(gòu)受力體系和計算并完善鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力情況?，F(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)受力體系多采用桿系結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)主要指梁體、拱件、框架以及桁架，這種結(jié)構(gòu)對鋼材的強度要求較高，而且要求鋼材的截面尺寸要小。這種桿系結(jié)構(gòu)可以在生產(chǎn)車間生產(chǎn)之后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行安裝，桿系結(jié)構(gòu)之間的約束力較小。所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點是保證結(jié)構(gòu)節(jié)點之間連接的緊固性。而鋼結(jié)構(gòu)建筑的細(xì)部節(jié)點設(shè)計所涉及的內(nèi)容計算較為復(fù)雜且必須要細(xì)化到每個節(jié)點。在設(shè)計過程中要注重強柱弱梁的基本設(shè)計策略。所謂強柱弱梁設(shè)計注重的是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)柱和梁體的整體性，要求鋼結(jié)構(gòu)建筑受到較大荷載時，塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)梁上而不是出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)柱上。只有這樣，才能確保鋼結(jié)構(gòu)建筑在使用過程中不會因結(jié)構(gòu)柱受到極限破壞而出現(xiàn)坍塌損壞，而且在較大荷載作用后，整個鋼結(jié)構(gòu)建筑還可以較快地恢復(fù)到初始狀態(tài)。相關(guān)規(guī)范也規(guī)定了類似內(nèi)容，即在進行強柱弱梁設(shè)計時，首先計算和分析強柱弱梁的彈塑性，當(dāng)計算和分析結(jié)果滿足要求時才可以使用。

6 案例分析

6.1 工程概況

以某高層鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究背景，介紹高層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的基本要點。某高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的總體建筑面積為1.1×105m2，建筑總高度為95.8 m，該高層鋼結(jié)構(gòu)建筑地上為27層，地下2層，高層結(jié)構(gòu)建筑形式為高層鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，該高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為6度。

6.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

案例項目中，結(jié)構(gòu)體系為鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體系的受力特點兼顧了鋼結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。鋼框架剪力墻體系剛度大、結(jié)構(gòu)側(cè)面積小且具有較好的抗震性能，鋼框架剪力墻在實際工程中應(yīng)用也越來越廣泛。鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)因其具有較高的強度且較小的剛度，主要承受豎向荷載；而鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和較大的剛度，可以使得建筑結(jié)構(gòu)獲取足夠的抗側(cè)滑剛度，可以滿足結(jié)構(gòu)層間位移限值，也就是說鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)的水平荷載主要由剪力墻來承擔(dān)。

6.3 鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循均勻、分散、對稱以及周邊布置的基本原則。鋼框架結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡可能對稱且均勻，其目的是縮短結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中與結(jié)構(gòu)水平荷載合二者合力作用線的有效距離，同時也是為縮短鋼結(jié)構(gòu)重心之間的距離用來減小結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的概率。在鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，當(dāng)剪力墻的數(shù)量增多時，鋼框架結(jié)構(gòu)的體積和剛度也會增加。但隨著剪力墻數(shù)量的增加，鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期就會變小，繼而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的水平地震力作用加大；如果剪力墻數(shù)量減少，則鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度會降低，水平地震力作用也會降低?；诖?，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的基本特點來綜合確定建筑的設(shè)計防烈度、建筑整體高度以及裝修等級，再確定鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)所允許的最大位移限值，繼而科學(xué)合理地確定剪力墻數(shù)量，保證建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟型和適用性原則。

6.4 鋼結(jié)構(gòu)框架剪力墻的節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點位置的設(shè)計形式通常有焊接和螺栓連接兩種形式。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁體和柱體節(jié)點焊接形式通常采用諸如翼緣坡口焊等高強度焊機模式，其焊接質(zhì)量不低于二級。對于鋼結(jié)構(gòu)H形鋼梁和建筑結(jié)構(gòu)鋼腹板的焊接形式可以采用角焊的焊接形式。而對于鋼結(jié)構(gòu)建筑中使用的方鋼管（厚度＜16 mm）的焊接可以采用熔嘴電渣焊焊接形式。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱節(jié)點處的梁腹板的連接通常采用螺栓連接，螺栓連接的設(shè)計采用的是高強度摩擦性螺栓，每個螺栓抗剪承載力設(shè)計值與摩擦面的個數(shù)和摩擦面的抗滑移系數(shù)相關(guān)，鋼結(jié)構(gòu)梁體和柱體的節(jié)點采用雙剪連接模式，所謂雙剪連接模式就是兩個摩擦面共同作用。與雙剪模式對應(yīng)的是單剪模式，即一個摩擦面起作用。當(dāng)進行鋼結(jié)構(gòu)梁腹板設(shè)計驗算時，應(yīng)驗算螺栓孔位處的腹板凈截面的抗剪強度，如果高強度螺栓采用的是承壓性螺栓好需要對螺栓孔局部承壓能力進行驗算。

7 結(jié)語

建筑行業(yè)迅猛發(fā)展給建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來較大機遇的同時，也給建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大挑戰(zhàn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進行科學(xué)合理的分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采取行之有效的解決措施。此外，鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計所涉及的知識體系更新較快，所以相關(guān)從業(yè)人員要不斷學(xué)習(xí)理論知識，并將理論知識與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，有效提升工程建設(shè)的整體質(zhì)量。