❶ 钢结构在现代建筑中的作用（包括缺陷）
摘要:钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大,柱子所占的建筑面积比率越来越大,在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑;同时高强度钢材应运而生,在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。
本文简要介绍了高层、超高层建筑的结构体系,通过对国内已建和在建的高层建筑钢结构国产化问题的调研,分析了在钢材、设计、施工和监理等方面国产化所面临的主要问题,为高层建筑钢结构的发展提出了一些建议。
关键词:高层;概况;发展;体系;施工
高层钢结构建筑在国外已有110多年的历史,1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起,到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长,以及对高层及超高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高,使高层和超高层建筑迅猛发展。
一、钢结构在建筑中的应用
1平面布置和结构选型
钢结构适合于平面布置基本规正、匀称、凹凸变化较少的建筑平面,不适宜轴线错开较多,形心和质心距离较大和易于产生较大扭转的住宅平面。
钢结构住宅设计需要对风荷载和地震荷载作用下的水平位移进行控制,因此,抗侧力结构的考虑是非常重要。在住宅结构设计中常常把楼梯间、电梯间墙体设计为抗侧力结构。如果位移仍然不能控制在允许值范围内时,可以把单元之间的分户墙或厨房、卫生间的部分墙体(不动墙)也做为抗侧力结构。
2 变形限值的讨论
抗侧力结构可以是钢结构,也可以是钢筋混凝土结构。当采用钢桁架作为抗侧力结构组成纯钢结构时,规范规定:在风力作用下,层间位移1/400,顶点位移1/500;在地震作用下,层间位移1/250,顶点位移1/300。因此,采用钢桁架作抗侧力结构可能造成用钢指标有较大提高,从而增加造价。
若按钢结构限值1/300控制结构整体刚度,在地震中待钢结构参加工作时,钢筋混凝土剪力墙己经产生了结构破坏,这种考虑不够安全。
若按钢筋混凝土剪力墙限值1/800控制结构整体刚度时,钢梁、钢柱截面会因地震力加大而大幅度增加。
3 层数和层高的确定
任何一种结构形式都有它的适用范围、最佳建造高度。钢结构正是在高层、超高层建筑中具有独到的优势,高层住宅由于地震设防,梁、柱断面虽然与同条件钢筋混凝土梁、柱相比要小的多,但在寻常百姓家的居室中,梁柱的存在仍然是十分尴尬的事。相比之下,我们认为钢结构用于多层和“小高层”,是具备一定优势的。
4柱网确定和柱断面型式的选择
柱网的确定一般根据乎面分割情况,结合梁的位置和截面高度,以及钢梁的隐蔽方法来决定。外墙处的柱距是柱网确定的关键,把沿外墙钢梁和外墙窗上皮的高度关系处理好,柱网也就基本确定了。
钢柱的截面型式大体分为三种:圆管柱、方管(箱形)柱和H型钢柱。其中,管柱内浇注混凝土,形成钢管混凝土柱,承载力比钢筋混凝土柱大幅度提高,因此用钢量较省。在节点构造作法上,方管柱构造简单合理。但是,管柱在与钢梁连接上下翼缘部位,须加横隔板以形成贯通式节点,这一要求增加了加工难度,因而也提高了工程造价。H型钢柱,当外包钢筋混凝土时形成钢骨混凝土柱。H型钢柱加工和施工都比较方便,但钢柱用钢量较多。
5钢结构的节点构造
节点构造直接影响钢材用量,在试点住宅中集中力量解决了两个部位的节点做法。
(1)柱脚生根部位
试点工程地下层结构按钢筋混凝土框架—剪力墙结构考虑,柱脚位于地下室顶板标高处,柱脚与顶板预埋钢板用高强螺栓连接。首层超市用钢筋混凝土包柱按钢骨混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙结构考虑,二层以上钢框架—钢筋混凝土剪力墙结构。
(2)钢框架的钢梁和钢筋混凝土剪力墙 (核心筒)的连接
为了确保试点工程安全可靠,设计中没有采用单纯在剪力墙中预埋钢板的连接方法,而是在剪力墙端部和核心筒拐角处自柱脚标高起,设置上下贯通的Ⅰ型芯柱,并且,在钢梁高度处用钢桁架作为芯柱与芯柱之间的横向连接,以确保该部位节点的工作状态和计算假定相吻合。
6结构体系选择
(1)5-6层以下的,可采用框架体系或框架-支撑体系,6层以上的可采用框架支撑体系或框架-混凝土剪力墙(核心筒)体系。多层房屋大多采用双重体系。
(2)框架柱有H型钢柱,钢管砼柱和钢骨砼柱,后两种为组合柱。在小高层中,组合柱比H型钢柱省钢。
(3)剪力墙比钢支撑的延性低,在大震时延性低的地震力大,延性好的地震力小,从抗大震的性能来说,钢支撑比砼剪力墙好。
(4)钢框架-砼剪力墙体系属混合结构,对它的抗震性能目前研究还不够,未列入抗震规范,虽然现在应用较多,选用时应慎重。核心筒宜用小钢柱加强,也有利于安装。二、钢结构制作与安装
1、钢柱的安装
钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件,在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。
100m高的超高层钢柱一般分为8～12节构件,钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊缝的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形,所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度,即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换,要求对每节钢柱应编号予以区别,正确安装就位。
矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊,不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。
钢柱标高的控制一般有二种方式:
(1)按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm,不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形,建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格,这种制作安装一般在12层以下,层高控制不十分严格的建筑物。
(2)按设计标高制作安装。一般在12层以上,精度要求较高的层高,应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高,每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。
2、框架梁的制作与安装
为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性,在工厂制造时,在框架梁所在位置设置悬臂梁(短牛腿),悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接采用剖口熔透焊缝,腹板采用贴角焊缝。框架梁与钢柱的悬臂梁(短牛腿)连接,上下翼缘的连接采用衬板(兼引弧板)全熔透焊缝,腹板采用高强螺栓连接。
由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求,当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时,腹板的连接板可开椭圆孔,椭圆孔的长向尺寸不得大于2d0(d0为螺栓孔径),并应保证孔边距的要求。
框架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度,需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算再按实际加工之后校核,确定其翻样下料的精确长度。
框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接,目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘,先一端点焊定位,再焊另一端。
腹板则采用高强度螺栓连接,要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。
采用高强螺栓群连接时,孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多轴数控钻孔,前者精度低,后者精度高,应优先考虑采用后者。当采用模板制孔时,应保证模板的精度,以确保高强螺栓的组装孔和工地安装孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允许使用铰刀扩孔。严禁使用气割扩孔,若用气割扩孔,则应按重大质量事故处理。
❷ 加劲板设置要求
1、支管以承受轴力为主时,可在主管内 设 1 道或 2 道加劲板;节点需满足抗弯连接要求时,应设 2 道加劲板; 加劲板中面宜垂直于主管轴线。
2、加劲板厚度不得小于支管壁厚,也 不宜小于主管壁厚的 2/3 和主管内径的 1/40;加劲板中央开孔时, 环板宽度与板厚的比值不宜大于 15εk。
3、加劲板宜采用部分熔 透焊缝银游焊接,主管为方管的加劲板靠支管一边与明旁两侧边宜锋槐销采用部分熔 透焊接,与支管连接反向一边可不焊接。 加劲板是为加强构件刚度并保证局部稳定所设置的板状加劲件。
❸ 钢结构柱梁连接牛腿长度取值一般是多少依据是什么
一。大楼类钢结构
1.B.O.B高程及各柱断点位置。详图展开前应整理一份columnschele来控制整个项目的柱规格及断点。
2.各楼层T.O.S及T.O.C标高。注意同楼层有高低差的地方。
3.整理出项目中用到的所有型钢的规格与材质。市面上买不到的规格要及时通知业主替换规格。
4.整理出项目中用到的接合形式。特别要注意那些同一种规格的梁在不同楼层接合不同的情况。
（碰到某些自以为高手的结构师时特别要注意）
5.楼梯侧板位置及接合。同时注意一下平台的净高是否有不满足规范要求的情况，及时提出问题以免后续修改图纸。
6.检讨整个工程用到的焊接形式。焊接是钢结构工程质量控制最重要的地方，好的焊接形式是节省制造成本的好途径。
自己在这方面功力不足时应请教制造部门的前辈ぁ。
7.如有用到内爬式塔吊，应注意塔吊区的位置及塔吊补强方式。塔吊区构件要先行安装，注意出图的先后顺序。
8.注意箱形柱的内隔板及上下封板的位置及厚度的取值要求。以及内隔板直立式电渣焊的工艺要求。
9.梁穿孔位置，大小，及补强方式。
10.外围预制幕墙与钢梁的接合铁件。
11.地下钢柱与RC梁的接合的钢筋续接器的位置。
12.各楼层的植钉要求。
二。厂房类钢结构
1.B.O.B高程及columnschele.
2.各区檐口及屋脊标高。
3.整理出项目中用到的所有型钢的规格与材质。市面上买不到的规格要及时通知业主替换规格。
4.整理出项目中用到的接合形式。
5.天车轨顶标高及轨道中心线位置，以此推算出天车梁及牛腿高程。
6.天车背梁或天车桁架与天车梁，走道板及主柱之间的位置关系。
7.牛腿与主柱有无特殊的焊接要求。
8.各处屋面大梁或桁架与天车梁的距离是否满足天车净高的要求。
9.抗风柱位置。一般情况下其应与主柱外缘对齐。
10.第一根墙檩与最后一根墙檩的位置。第一根墙檩应check其是否与基础螺栓冲突。最后一根墙檩应陪合天沟高程。
第一根屋檩与最后一根屋檩也有类似考虑ぁ。
11.屋面及墙面斜撑的布置位置。
12.檩条拉杆及偶撑的设置。
13.彩板开孔的收边。一般说来，彩板边都要布置角钢或檩条，不大可能让彩板悬挑。
14.门窗位置及收边。
15.主体结构是否要预留接合给各类工业设备。
16.爬梯的设置。
轻钢厂房一般不会太复杂。而重型工业设备类厂房则相对复杂很多，庞大的体量及复杂的结构有时让人望而生畏。
三。桥梁类钢结构
本人对桥梁的制造及安装也不在行，但就详图来说一般要考虑以下几个方面的内容
1.整理平曲线和竖曲线各控制点的数据。在进行后续工作前要验算一下各控制点的数据。虽然一般设计图上的控制点数据不会错，但此数据关系重大，验算一下为妙，以免以后的工作白做。
2.无应力线型计算。构造函数让它可以算出任里程位置的"N，E"坐标，高程，方位角，纵坡，超高，预拱值。
3.运用数值方法计算箱梁或板梁的3D形状并展成2D图形。复杂的曲线位置梁的真正3D理论形状是没有办法展开成2D图形的。
所以要用数值方法逼近。当然逼近时要把误差控制到可制造范围内。
以上是线形比较复杂的情况下要做的工作。
4.基础螺栓架的灌浆孔及透气孔的设置。
5.各墩柱里程，"N，E"坐标，及底板高程。
6.墩柱内肋条的设置，内隔板与肋条有无焊接。
7.墩柱的续接或与帽梁的接合形式。
8.帽梁。钢结构桥梁中最复杂的一个构件。同样在线形比较复杂的情况下它的顶面理论形状根本没有半法制造出来。
只可将其用一个平面代替。而这时其与箱梁或板梁的接合处就有较大的误差。而箱梁或板梁的端部只好配合这个误差来调整形状。
帽梁的内部也相当的复杂，内隔板，肋条，竖向加劲板，人孔加劲板等等要弄清它们之间的位置关系，贯穿或不贯穿，焊接或不焊接。
9.板梁。由上面算出的2D图形图形再做局部编辑。加上端部接合，纵向加劲板，横向支撑（横构架）结合，水平斜撑接合，剪力钉等。
10.箱梁。同上条。另要考虑肋条接合，内隔板，人孔等。
11.横构架。要根据各路段不同的超高来放样，并考虑其其是否与管线支架有接合。
12.水平斜撑。要用线型计算程序跑出各斜撑端点的3D坐标，再结合其端部接合ぁ板的放样数据来确定它的长度。
13.横梁，纵梁。大跨度箱梁之间的次结构。
14.其它杂项。管线支架，维修爬梯等。
桥梁钢结构是最难的一个类型。数值方法中的误差分析要惯穿计算过程的始终。详图员的3D观念要很强。
四.Truss类场馆：
1.弧形屋面的放样控制线应尽早确认。
2.在构造弧形杆件时，尽量构造成2D弧形杆件，而不要构造成3D弧形杆件（如螺旋杆）。
3.上下弦的断点位置及续接方式（应避开TRUSS节点）。大跨度的TRUSS上下弦经常会用到高强才料，需提前定购。应确保断点位置的正确，已免后续节点出现麻烦。
4.支座及锚栓。通常TRUSS的一头会是可移动支座，注意其节点的构造形式。锚栓也通常是高强锚栓其伸出长度也有特殊要求。
5.Truss腹杆。通常在TRUSS的两头腹杆比较粗，中间比较细。注意不要用错规格。
6.上弦水平斜撑。其定位及节点是弧形Truss中最难搞的部分，尤其是当屋面不是正规柱面或球面时。在调整构件的局部坐标时，StuCAD中有个align命令在我做过的工程中帮了我很大的忙。
7.Truss上弦在水平斜撑节点处常有8到12根杆件交于一个节点。与结构师讨论时，注意尽量简化连接方式。建模时注意是否有按装的问题。
8.Truss下弦有维修便道时注意其与便道的连接方式，注意其是否跟腹杆冲突。
9.方管焊接类Truss应注意其接点处的焊接方式。与结构师讨论Workingpoint最大可允许偏移值，以便焊接。