❶ 鋼結構在現代建築中的作用（包括缺陷）
摘要:鋼筋混凝土結構在超高層建築中由於自重大,柱子所佔的建築面積比率越來越大,在超高層建築中採用鋼筋混凝土結構受到質疑;同時高強度鋼材應運而生,在超高層建築中採用部分鋼結構或全鋼結構的理論研究與設計建造可說是同步前進。
本文簡要介紹了高層、超高層建築的結構體系,通過對國內已建和在建的高層建築鋼結構國產化問題的調研,分析了在鋼材、設計、施工和監理等方面國產化所面臨的主要問題,為高層建築鋼結構的發展提出了一些建議。
關鍵詞:高層;概況;發展;體系;施工
高層鋼結構建築在國外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結構高層建築在美國芝加哥拔地而起,到了二次世界大戰後由於地價的上漲和人口的迅速增長,以及對高層及超高層建築的結構體系的研究日趨完善、計算技術的發展和施工技術水平的不斷提高,使高層和超高層建築迅猛發展。
一、鋼結構在建築中的應用
1平面布置和結構選型
鋼結構適合於平面布置基本規正、勻稱、凹凸變化較少的建築平面,不適宜軸線錯開較多,形心和質心距離較大和易於產生較大扭轉的住宅平面。
鋼結構住宅設計需要對風荷載和地震荷載作用下的水平位移進行控制,因此,抗側力結構的考慮是非常重要。在住宅結構設計中常常把樓梯間、電梯間牆體設計為抗側力結構。如果位移仍然不能控制在允許值范圍內時,可以把單元之間的分戶牆或廚房、衛生間的部分牆體(不動牆)也做為抗側力結構。
2 變形限值的討論
抗側力結構可以是鋼結構,也可以是鋼筋混凝土結構。當採用鋼桁架作為抗側力結構組成純鋼結構時,規范規定:在風力作用下,層間位移1/400,頂點位移1/500;在地震作用下,層間位移1/250,頂點位移1/300。因此,採用鋼桁架作抗側力結構可能造成用鋼指標有較大提高,從而增加造價。
若按鋼結構限值1/300控制結構整體剛度,在地震中待鋼結構參加工作時,鋼筋混凝土剪力牆己經產生了結構破壞,這種考慮不夠安全。
若按鋼筋混凝土剪力牆限值1/800控制結構整體剛度時,鋼梁、鋼柱截面會因地震力加大而大幅度增加。
3 層數和層高的確定
任何一種結構形式都有它的適用范圍、最佳建造高度。鋼結構正是在高層、超高層建築中具有獨到的優勢,高層住宅由於地震設防,梁、柱斷面雖然與同條件鋼筋混凝土梁、柱相比要小的多,但在尋常百姓家的居室中,樑柱的存在仍然是十分尷尬的事。相比之下,我們認為鋼結構用於多層和「小高層」,是具備一定優勢的。
4柱網確定和柱斷面型式的選擇
柱網的確定一般根據乎面分割情況,結合梁的位置和截面高度,以及鋼梁的隱蔽方法來決定。外牆處的柱距是柱網確定的關鍵,把沿外牆鋼梁和外牆窗上皮的高度關系處理好,柱網也就基本確定了。
鋼柱的截面型式大體分為三種:圓管柱、方管(箱形)柱和H型鋼柱。其中,管柱內澆注混凝土,形成鋼管混凝土柱,承載力比鋼筋混凝土柱大幅度提高,因此用鋼量較省。在節點構造作法上,方管柱構造簡單合理。但是,管柱在與鋼梁連接上下翼緣部位,須加橫隔板以形成貫通式節點,這一要求增加了加工難度,因而也提高了工程造價。H型鋼柱,當外包鋼筋混凝土時形成鋼骨混凝土柱。H型鋼柱加工和施工都比較方便,但鋼柱用鋼量較多。
5鋼結構的節點構造
節點構造直接影響鋼材用量,在試點住宅中集中力量解決了兩個部位的節點做法。
(1)柱腳生根部位
試點工程地下層結構按鋼筋混凝土框架—剪力牆結構考慮,柱腳位於地下室頂板標高處,柱腳與頂板預埋鋼板用高強螺栓連接。首層超市用鋼筋混凝土包柱按鋼骨混凝土框架—鋼筋混凝土剪力牆結構考慮,二層以上鋼框架—鋼筋混凝土剪力牆結構。
(2)鋼框架的鋼梁和鋼筋混凝土剪力牆 (核心筒)的連接
為了確保試點工程安全可靠,設計中沒有採用單純在剪力牆中預埋鋼板的連接方法,而是在剪力牆端部和核心筒拐角處自柱腳標高起,設置上下貫通的Ⅰ型芯柱,並且,在鋼梁高度處用鋼桁架作為芯柱與芯柱之間的橫向連接,以確保該部位節點的工作狀態和計算假定相吻合。
6結構體系選擇
(1)5-6層以下的,可採用框架體系或框架-支撐體系,6層以上的可採用框架支撐體系或框架-混凝土剪力牆(核心筒)體系。多層房屋大多採用雙重體系。
(2)框架柱有H型鋼柱,鋼管砼柱和鋼骨砼柱,後兩種為組合柱。在小高層中,組合柱比H型鋼柱省鋼。
(3)剪力牆比鋼支撐的延性低,在大震時延性低的地震力大,延性好的地震力小,從抗大震的性能來說,鋼支撐比砼剪力牆好。
(4)鋼框架-砼剪力牆體系屬混合結構,對它的抗震性能目前研究還不夠,未列入抗震規范,雖然現在應用較多,選用時應慎重。核心筒宜用小鋼柱加強,也有利於安裝。二、鋼結構製作與安裝
1、鋼柱的安裝
鋼柱是高層、超高層建築決定層高和建築總高度的主要豎向構件,在加工製造中必須滿足現行規范的驗收標准。
100m高的超高層鋼柱一般分為8～12節構件,鋼柱在翻樣下料製作過程中應考慮焊縫的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形,所以鋼柱的翻樣下料長度不等於設計長度,即使只有幾毫米也不能忽略不計。而且上下兩節鋼柱截面完全相等時也不允許互換,要求對每節鋼柱應編號予以區別,正確安裝就位。
矩形或方形鋼柱內的加勁板的焊接應按現行規范要求採用熔嘴電渣焊,不允許採用其他如在箱板上開孔、槽塞焊等形式。
鋼柱標高的控制一般有二種方式:
(1)按相對標高製作安裝。鋼柱的長度誤差不得超過3mm,不考慮焊縫收縮變形和豎向荷載引起的壓縮變形,建築物的總高度只要達到各節柱子製作允許偏差總和及鋼柱壓縮變形總和就算合格,這種製作安裝一般在12層以下,層高控制不十分嚴格的建築物。
(2)按設計標高製作安裝。一般在12層以上,精度要求較高的層高,應按土建的標高安裝第一節鋼柱底面標高,每節鋼柱的累加尺寸總和應符合設計要求的總尺寸。每一節柱子的接頭產生的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形應加到每節鋼柱加工長度中去。
2、框架梁的製作與安裝
為保證框架梁與鋼柱連接處的節點域有較好的延性以及連接可靠性和樓層層高的精確性,在工廠製造時,在框架梁所在位置設置懸臂梁(短牛腿),懸臂樑上下翼緣與鋼柱的連接採用剖口熔透焊縫,腹板採用貼角焊縫。框架梁與鋼柱的懸臂梁(短牛腿)連接,上下翼緣的連接採用襯板(兼引弧板)全熔透焊縫,腹板採用高強螺栓連接。
由於鋼筋混凝土施工允許偏差遠遠大於鋼結構的精度要求,當框架梁與鋼筋混凝土剪力牆或鋼筋混凝土筒壁連接時,腹板的連接板可開橢圓孔,橢圓孔的長向尺寸不得大於2d0(d0為螺栓孔徑),並應保證孔邊距的要求。
框架梁的翻樣下料長度同樣不等於設計長度,需考慮焊接收縮變形。焊接收縮變形可用經驗公式計算再按實際加工之後校核,確定其翻樣下料的精確長度。
框架樑上下翼緣的連接可採用高強螺栓連接或焊接連接,目前大部分採用帶襯板的全熔透焊接連接。施工時先焊下翼緣再焊上翼緣,先一端點焊定位,再焊另一端。
腹板則採用高強度螺栓連接,要充分理解設計時採用摩擦型還是承壓型高強螺栓。採用摩擦型高強螺栓的摩擦系數應選用合理。
採用高強螺栓群連接時,孔位的精度十分重要。目前制孔一般採用模板制孔和多軸數控鑽孔,前者精度低,後者精度高,應優先考慮採用後者。當採用模板制孔時,應保證模板的精度,以確保高強螺栓的組裝孔和工地安裝孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允許使用鉸刀擴孔。嚴禁使用氣割擴孔,若用氣割擴孔,則應按重大質量事故處理。
❷ 加勁板設置要求
1、支管以承受軸力為主時,可在主管內 設 1 道或 2 道加勁板;節點需滿足抗彎連接要求時,應設 2 道加勁板; 加勁板中面宜垂直於主管軸線。
2、加勁板厚度不得小於支管壁厚,也 不宜小於主管壁厚的 2/3 和主管內徑的 1/40;加勁板中央開孔時, 環板寬度與板厚的比值不宜大於 15εk。
3、加勁板宜採用部分熔 透焊縫銀游焊接,主管為方管的加勁板靠支管一邊與明旁兩側邊宜鋒槐銷採用部分熔 透焊接,與支管連接反向一邊可不焊接。 加勁板是為加強構件剛度並保證局部穩定所設置的板狀加勁件。
❸ 鋼結構柱樑連接牛腿長度取值一般是多少依據是什麼
一。大樓類鋼結構
1.B.O.B高程及各柱斷點位置。詳圖展開前應整理一份columnschele來控制整個項目的柱規格及斷點。
2.各樓層T.O.S及T.O.C標高。注意同樓層有高低差的地方。
3.整理出項目中用到的所有型鋼的規格與材質。市面上買不到的規格要及時通知業主替換規格。
4.整理出項目中用到的接合形式。特別要注意那些同一種規格的梁在不同樓層接合不同的情況。
（碰到某些自以為高手的結構師時特別要注意）
5.樓梯側板位置及接合。同時注意一下平台的凈高是否有不滿足規范要求的情況，及時提出問題以免後續修改圖紙。
6.檢討整個工程用到的焊接形式。焊接是鋼結構工程質量控制最重要的地方，好的焊接形式是節省製造成本的好途徑。
自己在這方面功力不足時應請教製造部門的前輩ぁ。
7.如有用到內爬式塔吊，應注意塔吊區的位置及塔吊補強方式。塔吊區構件要先行安裝，注意出圖的先後順序。
8.注意箱形柱的內隔板及上下封板的位置及厚度的取值要求。以及內隔板直立式電渣焊的工藝要求。
9.梁穿孔位置，大小，及補強方式。
10.外圍預制幕牆與鋼梁的接合鐵件。
11.地下鋼柱與RC梁的接合的鋼筋續接器的位置。
12.各樓層的植釘要求。
二。廠房類鋼結構
1.B.O.B高程及columnschele.
2.各區檐口及屋脊標高。
3.整理出項目中用到的所有型鋼的規格與材質。市面上買不到的規格要及時通知業主替換規格。
4.整理出項目中用到的接合形式。
5.天車軌頂標高及軌道中心線位置，以此推算出天車梁及牛腿高程。
6.天車背梁或天車桁架與天車梁，走道板及主柱之間的位置關系。
7.牛腿與主柱有無特殊的焊接要求。
8.各處屋面大梁或桁架與天車梁的距離是否滿足天車凈高的要求。
9.抗風柱位置。一般情況下其應與主柱外緣對齊。
10.第一根牆檁與最後一根牆檁的位置。第一根牆檁應check其是否與基礎螺栓沖突。最後一根牆檁應陪合天溝高程。
第一根屋檁與最後一根屋檁也有類似考慮ぁ。
11.屋面及牆面斜撐的布置位置。
12.檁條拉桿及偶撐的設置。
13.彩板開孔的收邊。一般說來，彩板邊都要布置角鋼或檁條，不大可能讓彩板懸挑。
14.門窗位置及收邊。
15.主體結構是否要預留接合給各類工業設備。
16.爬梯的設置。
輕鋼廠房一般不會太復雜。而重型工業設備類廠房則相對復雜很多，龐大的體量及復雜的結構有時讓人望而生畏。
三。橋梁類鋼結構
本人對橋梁的製造及安裝也不在行，但就詳圖來說一般要考慮以下幾個方面的內容
1.整理平曲線和豎曲線各控制點的數據。在進行後續工作前要驗算一下各控制點的數據。雖然一般設計圖上的控制點數據不會錯，但此數據關系重大，驗算一下為妙，以免以後的工作白做。
2.無應力線型計算。構造函數讓它可以算出任里程位置的"N，E"坐標，高程，方位角，縱坡，超高，預拱值。
3.運用數值方法計算箱梁或板梁的3D形狀並展成2D圖形。復雜的曲線位置梁的真正3D理論形狀是沒有辦法展開成2D圖形的。
所以要用數值方法逼近。當然逼近時要把誤差控制到可製造范圍內。
以上是線形比較復雜的情況下要做的工作。
4.基礎螺栓架的灌漿孔及透氣孔的設置。
5.各墩柱里程，"N，E"坐標，及底板高程。
6.墩柱內肋條的設置，內隔板與肋條有無焊接。
7.墩柱的續接或與帽梁的接合形式。
8.帽梁。鋼結構橋梁中最復雜的一個構件。同樣在線形比較復雜的情況下它的頂面理論形狀根本沒有半法製造出來。
只可將其用一個平面代替。而這時其與箱梁或板梁的接合處就有較大的誤差。而箱梁或板梁的端部只好配合這個誤差來調整形狀。
帽梁的內部也相當的復雜，內隔板，肋條，豎向加勁板，人孔加勁板等等要弄清它們之間的位置關系，貫穿或不貫穿，焊接或不焊接。
9.板梁。由上面算出的2D圖形圖形再做局部編輯。加上端部接合，縱向加勁板，橫向支撐（橫構架）結合，水平斜撐接合，剪力釘等。
10.箱梁。同上條。另要考慮肋條接合，內隔板，人孔等。
11.橫構架。要根據各路段不同的超高來放樣，並考慮其其是否與管線支架有接合。
12.水平斜撐。要用線型計算程序跑出各斜撐端點的3D坐標，再結合其端部接合ぁ板的放樣數據來確定它的長度。
13.橫梁，縱梁。大跨度箱梁之間的次結構。
14.其它雜項。管線支架，維修爬梯等。
橋梁鋼結構是最難的一個類型。數值方法中的誤差分析要慣穿計算過程的始終。詳圖員的3D觀念要很強。
四.Truss類場館：
1.弧形屋面的放樣控制線應盡早確認。
2.在構造弧形桿件時，盡量構造成2D弧形桿件，而不要構造成3D弧形桿件（如螺旋桿）。
3.上下弦的斷點位置及續接方式（應避開TRUSS節點）。大跨度的TRUSS上下弦經常會用到高強才料，需提前定購。應確保斷點位置的正確，已免後續節點出現麻煩。
4.支座及錨栓。通常TRUSS的一頭會是可移動支座，注意其節點的構造形式。錨栓也通常是高強錨栓其伸出長度也有特殊要求。
5.Truss腹桿。通常在TRUSS的兩頭腹桿比較粗，中間比較細。注意不要用錯規格。
6.上弦水平斜撐。其定位及節點是弧形Truss中最難搞的部分，尤其是當屋面不是正規柱面或球面時。在調整構件的局部坐標時，StuCAD中有個align命令在我做過的工程中幫了我很大的忙。
7.Truss上弦在水平斜撐節點處常有8到12根桿件交於一個節點。與結構師討論時，注意盡量簡化連接方式。建模時注意是否有按裝的問題。
8.Truss下弦有維修便道時注意其與便道的連接方式，注意其是否跟腹桿沖突。
9.方管焊接類Truss應注意其接點處的焊接方式。與結構師討論Workingpoint最大可允許偏移值，以便焊接。