钢结构在高层建筑结构设计中的研究

摘要：当前，我们要重视钢结构在建筑结构设计中的应用，不断地完善和改进钢结构的应用技术，进而提升我国建筑业的整体水平。就此本文主要介绍了高层建筑钢结构设计的主要内容、结构体系、钢结构施工前的准备及钢结构施工技术在高层建筑施工中的应用。

关键词：钢结构；高层建筑；结构设计

中图分类号：TU391文献标识码： A

引言

随着我国科技水平的快速提升，钢结构建筑工程得到了极大的发展，在施工技术不断进步、完善的同时，为保证建筑质量，在钢结构工程施工过程中必须加强每个单项工程的质量控制、严格把控施工进度，而工程师应把好质量关、加强施工现场管理，由此才能保证钢结构建筑工程的施工质量。

一、高层建筑钢结构设计的主要内容

1、方案设计

在高层建筑的钢结构设计中，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，对方案进行总体设计。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。

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。

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。

对结构的力学计算要达到相当的可靠性的考虑。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。

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。

根据结构的环境进行的具体设计。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。

二、高层、超高层建筑结构体系

对于高层及超高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑抗震设计规范、建筑防火设计规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过24m为高层建筑，建筑总高度超过60m为超高层建筑。

对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框―筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

高层和超高层建筑在结构设计中除采用钢筋混凝土结构（代号RC）外，还采用型钢混凝土结构（代号SRC），钢管混凝土结构（代号CFS）和全钢结构（代号S或SS）。

东南科技研发中心，建筑高度100m，柱网为8.4m，抗震设防烈度为6度，采用框架―剪力墙或框―筒结构体系较为经济合理，这种结构体系的剪力墙或筒体是很好的抗侧力构件，常常承担了大部分的风载和地震荷载产生的水平侧力，总体刚度大，侧移小，且满足玻璃幕墙的外装饰要求。

三、钢结构施工前的准备

钢结构施工具有其特有的复杂性，更由于高层建筑的重要级别，可以说高层建筑的钢结构施工是不可逆的，因此，在施工前要对各个环节做好准备工作，主要包括两方面内容，一是吊装准备，二是施工现场和技术的准备。

吊装准备主要涉及的问题就是吊装设备的选择，要根据施工现场的最大起重量和材料种类等进行选择。目前，高层建筑常采用的是塔式起重机，需要合理设计吊机的起重量、起重力矩以及半径值。另外现场条件，材料的布置等对塔吊的影响也需综合考虑。

施工现场准备，主要包括钢构件及其配套零部件和连接件的验收、丈量器具以及测量仪器的准备、构件的运输、基础的复测、构件的堆放、设备工具材料的安装和施工力量的组织等。为了确保钢结构工程的顺利进行和施工质量，要编制严密的钢结构施工组织设计方案，以及绘制施工图纸。在施工图的绘制过程中，要进行多次会审，尽量避免开工后因图纸问题引发停工，或是工程质量、进度受影响的现象。施工组织设计的完善程度是影响工程质量的重要部分，尤其对于构件和设备较多的钢结构工程，要明确质量保证体系和技术管理体系的权责，对于特殊工种要有培训合格证和上岗证，应积极采用新工艺新技术，对于工程的质量和进度要有相应的控制措施和方法，要进行合理的工期安排。

四、钢结构施工技术在高层建筑施工中的应用

1、钢布局根底工程的质量操控

钢布局工程的根底通常都选用混凝土独立根底，根底的混凝土及钢筋、模板的施工与其它非钢布局工程的施工工序及办法一样，这里不予胪陈。和钢布局厂房有关的常见问题有锚栓不铅直、根底施工后预埋锚栓水平差错偏大，钢柱装置时柱脚底板很多扩孔，因此给钢柱装置带来差错，布局受力受到影响，不契合施工检验标准需求。所以锚栓施工时，可选用粗钢筋或角钢等固定锚栓，焊成笼状，完善支撑；或采用其他办法，防止灌溉根底混凝土时锚栓移位。

2、选用科学的钢布局焊接技能

有些工程焊接的难度相对较大，比如，建筑物的布局为双曲面布局，而且整个建筑物设计了较多的斜柱以及斜撑，再加上钢板相对较厚，这种建筑物布局相对复杂，需要很多的立焊与斜立焊操作，施工进程以及防护工作难度较大，关于这种建筑物，需选用合适的焊接技能。有些建筑物不只焊接量较大，而且工期相对急迫，关于这类工程，可以选用二氧化碳气体维护半自动焊，这样能够加速工程焊接的速度，为节省施工时间。

3、防火工程

防火工程也是钢结构施工过程中需要注意的一大环节。在选择钢材的时候就应该选择绝热性好的钢材，防火涂料选择国家检测机构认证的材料。在物理性质、力学、耐火极限上都要有检测报告。钢结构主要是运用喷涂的方式进行防火。喷涂的方式有一定的参数，不过可以根据需求进行相应的控制，施工时间间隔18-24h，施工环境温度控制在0~40℃，基材温度为4~45℃，湿度小于90%，风速小于5m/s.防火工程喷涂对技术精细要求比较高，不仅喷涂的环境参数要得到控制，喷涂时的气压、喷距、喷枪速度等也要根据实际情况制定最优的参数。

4、防腐工程

钢结构的防腐特性较弱，当大气湿度超过70%时，会产生锈蚀。所以在钢结构的施工过程中要做好防腐工程。先要确定钢材的除锈质量和等级，表面粗糙度等，再在钢材表面进行涂层设计和涂层施工：①在结构表面现浇一定厚度的混凝土进行覆盖，或者喷涂水泥砂浆层。②在表面涂一层保护性的金属镀金，比如镀锌是钢结构中较小构件防腐的常用方法，主要分为热浸镀法和喷镀法。③涂一层油漆进行防护。

5、高强度螺栓安装

高强度螺栓是钢结构中重要的连接设备。安装与检测是施工过程中必不可少的重要环节。扭剪型高强度螺栓在供货、装运、保管过程中应轻装轻放，防止螺栓损伤与沾污。安装时要确保穿孔的自由通过，严禁锤击穿孔，穿孔方向要保持一致，垫圈位于螺母一侧，确保高强度螺栓连接板接触面的平整。在梁柱连接板安装时，采用在两端面4颗螺栓一起穿入，进行初拧。同一节柱上梁的高强度螺栓的拧紧顺序为先拧上层梁，再拧下层梁，最后拧中间层梁；同一层梁的高强螺栓拧紧顺序为先拧主梁高强度螺栓，后拧次梁高强度螺栓；同一节点的高强度螺栓初、终拧的顺序为从中心向四周扩散。对有些因构造原因无法使用电动扳手的部位，如楼梯柱、方管支撑等，采用长柄测力扳手，按规定终拧扭矩进行紧固。工序的最后对各层梁柱的连接处进行检查，逐一将未终拧的螺栓分别进行处理。

结束语

现代高层钢结构建筑随着社会生产和科学技术的进一步发展，应用也越来越广泛。为了保证钢结构安装的稳定性及质量，对施工要求将越来越严格，高层建筑钢结构施工的技术、工艺值得进一步研究、探讨，我国正在大力发展钢结构高层民用建筑，我们应及时组织考察总结已建成的钢结构住宅工程的经验，建造出质量过硬的超高层钢结构建筑。

参考文献

[1]戴国欣主编.钢结构（第四版）.湖北：武汉理工大学出版社，2012年7月

[2]姜晨光编著.建筑钢结构设计与施工实用技术.北京：机械工业出版社，2012年3月

[3]张建强,斯群.建筑钢结构的施工技术与质量管理[J].城市建筑,2012,13:40-41.