【土木建筑】07钢结构高层建筑施工

第7章钢结构高层建筑施工●7.1钢结构高层建筑的结构体系●7.1.1纯框架结构体系●7.1.2框架一支撑(剪力墙)结构体系●7.1.3错列桁架结构体系●7.1.4外筒式结构体系●7.1.5筒体结构体系●7.2钢结构用钢材●7.2.1结构用钢材的种类●7.2.2结构钢材的品种●7.2.3钢材的选用●7.2.4钢材的代用●7.2.5钢材的验收●7.3钢结构的连接技术●7.3.1焊接连接的方法、原理及操作工艺●7.3.2高强度螺栓连接技术●7.4钢结构高层建筑的制作和安装●7.4.1钢结构构件的制作●7.4.2钢结构的安装●7.4.3钢结构高层建筑制作和安装焊接工艺●7.5钢结构的防腐与防火●7.5.1钢结构的防腐●7.5.2钢结构的防火●7.5.3涂装施工●7.1钢结构高层建筑的结构体系我国钢结构有着悠久的历史，远在古代就有铁链悬桥、铁塔等建筑物。20世纪中期，先后建成了许多钢桥、工业厂房、体育馆等。几十年来，我国的大城市由于人口高度密集，生产和生活用房紧张，交通拥挤，地价昂贵，城市建筑逐渐向高空发展，高层和超高层建筑迅速出现。钢结构由于强度高，自重轻，有良好的塑性、韧性，抗震性能好，工业化程度高，安装容易，施工周期短，投资回收快，环境污染少，建筑造型美观等综合优势。随着我国钢铁结构的发展，国家建筑技术政策由以往限制使用钢结构转变为积极合理推广应用钢结构，从而推动了建筑钢结构的快速发展。旅馆、饭店、公寓、办公楼等多高层及超高层建筑采用钢结构也越来越多，北京、上海、深圳等地区已陆续建造了数十幢钢结构高层建筑。如北京的京城大厦(183.35m)、深圳的地王大厦(384m)、上海的金茂大厦(421m)等著名的钢结构高层建筑。目前，钢结构高层建筑已成为我国高层建筑的主要结构类型，并且由于我国已生产钢结构高层建筑用厚钢板、热轧H型钢等多种钢材品种，也为钢结构高层建筑的发展提供了重要的物质保证。钢结构建筑被称为21世纪的绿色工程。表7-1列举了国内较有代表性的一些钢结构高层建筑。目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、框架—支撑(剪力墙)结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图7.1所示。●7.1钢结构高层建筑的结构体系●7.1.1纯框架结构体系纯框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构，承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支撑，可以形成较大的空间，为平面布置提供了最大的灵活性，框架结构可以有多种结构平面，如图7.2所示。框架结构体系各部分的刚度比较均匀，构造简单，易于施工。其整体性取决于各柱和梁的刚度、强度以及节点刚接构造的可靠性，在竖向荷载作用下的承载能力取决于梁、柱的强度和稳定性，在这方面与其他结构体系的情况基本相同，在水平荷载作用下其抗侧力的强度和刚度主要取决于杆件的抗弯能力。据此，该体系对于30层以下的建筑较为合适。25层的北京长富宫饭店，即为钢框架结构体系。当建筑超过30层后，楼层剪力很大，这种体系的刚度不易满足要求，靠加大梁、柱截面来提高框架的抗侧力能力，已不再经济合理，常需采用剪力墙或筒体结构来加强刚接框架而另成别的体系。框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能适用于各类性质的建筑，有较大延性，有利于抗震；缺点是侧向刚度较差，在风载或地震荷载等水平荷载作用下，层间位移较大，会导致非结构部件破坏。●7.1.2框架一支撑(剪力墙)结构体系高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水平位移在规定的限值范围内，上述纯框架结构体系到达一定高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，通过在框架结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水平剪力。即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移，这种结构型式一般称之为框架—支撑结构，其类型如图7.3(a)、(b)所示。当刚接框架和抗剪支撑共同工作而成为框架—支撑结构体系时，框架主要作为承受竖向荷载的结构，也承受一部分水平荷载(一般约占15%～20%)，大部分水平荷载由抗剪支撑承受。在水平力作用下，抗剪支撑桁架的支撑构件只承受拉、压轴向应力，无论从强度或变形的角度看，都是十分有利的。这种结构中因柱子主要承受墙、梁和楼板传递的竖向荷载，用钢量较纯框架结构小，框架梁—柱节点相对简单，可视为铰接或半刚接。由于竖向抗剪支撑桁架提高了结构的抗水平力能力，增加了结构的整体刚度。因而此结构体系的建筑高度可以加大。可建到60层左右。如53层的北京京广中心(208m)即为钢框架—支撑结构。但当竖向支撑桁架设置在建筑物中部构成抗水平力核心筒时，外围柱一般不参与抵抗水平力，则整个结构的刚度提高有限，也就影响了建筑物层数的增加。如果在结构的顶层或中间层设置高度相当于一个楼层的水平带状支撑桁架，可使外围柱共同抵抗水平力，结构抵抗水平力能力大大提高。一般设在中间楼层的水平桁架称腰桁架，设在顶层的水平桁架称帽桁架。此类框架—支撑结构又称为有腰(帽)桁架的框架—支撑结构体系。如52层的北京京城大厦(183.35m)就采用了此结构体系。支撑的类型很多，如图7.4所示，采用何种类型支撑、其数量多少及刚度大小，主要依建筑物高度和水平力的大小加以调整。在钢结构高层建筑中，用的最多的是人字支撑、交叉支撑和单斜杆支撑。为保持抗侧力性能的均衡，单斜杆支撑应对称布置，以承受左、右两方向来的地震作用。另外有时在钢结构高层建筑中多采用带竖缝或水平缝的混凝土墙板代替支撑桁架，这种墙板的变形能力比普通混凝土墙板大得多。它的上下边沿全长与框架梁连接。由于混凝土墙板的断面大，有很大的刚度和抗剪能力，能有效地抵抗地震作用引起的剪力，显著地节约了钢材，如43层的深圳发展中心(165m)。●7.1.3错列桁架结构体系由框架—支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁架呈“品”字形交错排列，如图7.5所示。此结构的楼板架设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦。这一过程的重复，就可以使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高层建筑，短边刚度往往较小，而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点是短边刚度较大，容易满足以上设计要求，而且此结构的经济效果非常突出，国内尚无这种结构实例，据国外报道此体系非常省钢，其用钢量比框筒结构低40%。又因桁架在工厂制作后整体吊装，结构安装速度快，施工周期短，美国已有此类结构实例。●7.1.4外筒式结构体系外筒式结构体系如图7.1(e)、(f)、(g)所示，有开口筒、框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过60层后，水平荷载作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架—核心筒结构的内筒平面尺寸较小，其侧向刚度受到限制，所以有时把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽，长边则在中间断开，在平面两端形成槽形悬臂构件，称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长，中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其抗水平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖梁跨度较大，可建到70层。国内尚无此结构体系实例。如果采用密排的柱和各层楼盖处的横梁(或以窗下墙作为横梁)刚接组成密间距矩形网格，四周成圈，形成一个封闭空心箱形悬臂筒(竖直方向)，来承受水平荷载，则大大提高了体系的抗侧移刚度和抗扭转性能。竖直重力荷载则主要由内部少量中间柱承受。劲性楼面作为横隔把侧力分布到周边结构上，无需楼板梁的弯矩约束作用来抵抗和传递水平力，楼板可做成密肋板或无梁平板，则可获得较大的楼层净高。这种结构的外筒是由空腹格网组成的框架式结构，因而称为框架筒。其合适高度为80层左右，其平面具有很大的多功能灵活性，且其外圈密排式空腹格网可直接作为安装玻璃的窗框。但这种外筒不是实腹外墙而是密网框架，框架的柔性在传力过程中易造成应力损失，使正应力两边大中间小，角柱轴力大于中间轴力，形成剪力滞后现象。因此框架筒结构在水平荷载作用下，仍存在一定的缺点，为克服缺点可将外筒的刚性框架结构改为桁架式结构，也称为桁架式外筒结构。因框架筒依靠梁柱的弯曲抵抗水平剪力，而桁架筒则主要靠斜撑的轴向力来抵抗水平剪力，水平剪力引起的斜撑拉力将会被重力荷载产生的压力抵消，斜撑的这种双重作用使这种结构有很高的效能，用钢量也降低约10%，应用此结构体系，建筑物高可达100层以上。其缺点是开窗受斜撑影响，大量交叉节点使结构变的复杂。如图7.6所示美国芝加哥100层的约翰·汉考克中心即为桁架式外筒结构，强大的交叉支撑外露于建筑物的立面上。●7.1.5筒体结构体系筒体结构体系如图7.1(h)、(i)所示，主要有筒中筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核心内筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形成一个整体，共同承受水平荷载和竖直荷载，可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力，框筒的剪力泄后现象得到改善，其合适高度也可达到100层左右。筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，进而又把许多个筒体排列而成筒束结构体系。此体系合适高度约为110～120层，如采用桁架式筒束结构体系，有可能把合适高度提高到140层以上。美国芝加哥西尔兹大厦是采用筒束结构的典型实例。其平面形式及外形特征如图7.7所示。110层的西尔兹大厦平面尺寸67.5×67.5m，高445m。50层以下结构由9个22.5×22.5的框筒相互连接组成筒束，平面呈正方形；51～66层去掉2个角部框筒，平面呈双菱形；67～90层又去掉另两个角部框筒，平面呈十字形；91～110层再去掉3个框筒，平面呈长方形。●7.2钢结构用钢材结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的98%或更高，但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小的其他元素，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢化学成分的微量变化，会直接影响钢材的机械性能、加工性能和使用性能。有时为获得更高的强度和韧性，必须加入少量其他元素，特别是碳和锰。对于焊接结构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可焊性都是主要指标，因而含碳量一般控制在0.22%以下，对碳、磷极限含量都严格控制，防止热脆和冷脆等。●7.2.1结构用钢材的种类钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢材按其化学元素组成，主要有以下几类：1.碳素结构钢碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表7-2。其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种。碳素结构钢又可以分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。1)普通碳素结构钢(GB700—1988)根据现行的国家标准《碳素结构钢》(GB700—1988)的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值(N/mm2)、质量等级代号(A、B、C、D)、脱氧方法代号(F、b、Z、TZ)等四个部分符号按顺序组成。Q是“屈”字汉语拼音的首位字母；质量等级中A级最差，D级最优；F、b、Z、TZ则分别是“沸”、“半”、“镇”及“特镇”汉语拼音的首位字母，分别代表沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢(表示脱氧程度不同)。其中代号Z、TZ可以省略。如：Q235-A.F表示屈服点为235N/mm2的A级沸腾碳素结构钢。Q235-D表示屈服点为235N/mm2的D级特殊镇静碳素结构钢。碳素结构钢按屈服点的大小，分为Q195、Q215、Q235、Q255、及Q275等五种牌号。由平炉或氧气顶吹转炉冶炼、交货时，供方应提供力学性能和化学成分的质保书，其内容包括屈服强度、极限强度、伸长率、弯曲实验及碳、锰、硅、硫、磷等的含量。不同，牌号、不同质量等级的钢材对化学成分和拉伸、冲击韧性、冷弯等力学性能指标要