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一、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)

(一)結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)選擇是設(shè)計高層鋼結(jié)構(gòu)的首要問翅，優(yōu)選的原則是要在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下盡t減少鋼材的消耗t。結(jié)構(gòu)的安全除滿足強度外還要滿足結(jié)構(gòu)頂部和層間水平位移的限值。

1.框架結(jié)構(gòu)鋼框架分半剛接框架和剛接框架。剛接框架宜用于30層以下建筑，半剛接框架宜用于20層以下建筑。例如北京長富宮中心，地下2層，地上26層，高94m，采用框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)對平面布置靈活性大，且構(gòu)造簡單，易于施工。

2.框架剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻可以是鋼筋鹼剪力墻、鋼筋鹼帶縫剪力墻及鋼板剪力墻。例如北京京廣中心主樓地上54層，高204m，6層以上設(shè)帶縫的鋼筋鹼剪力J.。

3.框架支撐析架體系在框架柱梁之間加抗剪支撐構(gòu)成豎直的析架支律體系。例如上海錦江飯店分館地上43層，高153m，采用這種體系，在核心部分的框架間設(shè)置豎向K型支撐和鋼板剪力墉。支律析架中當支撐的中心偏離于梁柱交點時成為偏心支撐析架。這種體系在輕微和中等側(cè)向力作用下，可以具有很大的剛度，而在強烈地震時具有很好的延性。

4.有水平帶狀支撐的框架支撐析架體系當豎向支撐析架設(shè)置在建筑中部時，外圍柱一般不參加抗側(cè)力工作，所以常在建筑的頂層和中間層設(shè)置整層樓高的水平帶狀支撐。此體系使外圍框架共同參加抵抗傾復力矩，限制了結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的轉(zhuǎn)動，減少了結(jié)構(gòu)的側(cè)移。與無帶狀支撐體系相比，剛度可提高20%~25寫。如北京京城大廈及上海錦江分館就采用了帶狀析架。這種體系可做到50一60層。

5.框架核心筒體系核心筒承受全部或大部側(cè)向及扭轉(zhuǎn)荷載，外圍結(jié)構(gòu)按重力荷載設(shè)計。在強震地區(qū)，外圍結(jié)構(gòu)可以做成抗剪框架，承受部分地震力。核心筒可以是鋼的或鋼筋鹼的。如上海靜安希爾頓飯店就采用了這種體系。這種體系在50層以下比較經(jīng)濟。

6.筒中筒體系此體系外圍多為密柱深梁的鋼框筒，核心部分可以是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋鹼結(jié)構(gòu)筒體。外筒寬度很大，可以有效地抵抗層間剪力。內(nèi)外筒由樓板連接起來，形成一個整體，可以十分有效地抵抗側(cè)向力。例如北京中國國際貿(mào)易中心的主樓，地下2層，地上39層，高155m，為筒中筒體系，其耗鋼量為139kg/mZ。

7.束筒體系束筒體系是由框架筒體相連而成的體系。如美國芝加哥希而斯大廈110層，高4招m，采用這種體系，它是由九個方形鋼框架筒組成剛度很大的束筒體，其耗鋼量為16Ikg/m“。

8.外圍交叉析架筒體系這種體系由于外圍形成了很寬的豎向析架，故空間剛度很大，水平力是由交叉斜桿的軸向力來抵抗，所以有很高的效益。例如美國芝加哥考克大廈100層，399m高，采用這種體系;其耗鋼量為1峨skg/m“，較同等高度的框架結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材約10%。

除了上述兒種結(jié)構(gòu)體系外，還有一種鋼與鹼組合結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)強度高及鹼結(jié)構(gòu)耐火性能好的優(yōu)點，往往用于上部為鋼結(jié)構(gòu)而底部與地下室為鹼結(jié)構(gòu)的過渡層;也可上下全部為組合結(jié)構(gòu)。以上海靜安希爾頓飯店為例，在相同條件下，全鋼結(jié)構(gòu)體系與組合結(jié)構(gòu)體系加以對比。七部結(jié)構(gòu)自重以組合結(jié)構(gòu)為100，鋼結(jié)構(gòu)為82;施工工期以組合結(jié)構(gòu)為1，鋼結(jié)構(gòu)為0.75;L部鋼材消耗量以組合結(jié)構(gòu)為I33kg/m“，鋼結(jié)構(gòu)為165kg/mZ。由于組合結(jié)構(gòu)耗鋼低，其_〔程造價比全鋼結(jié)構(gòu)低。在我國目前的條件下，組合結(jié)構(gòu)體系有其優(yōu)越性，更加符合我國的經(jīng)濟、技術(shù)、材料、及施_L條件。

(二)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題

1.二階效應(yīng)二階效應(yīng)是指豎向荷載作用于已發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響以及軸向力對柱彎曲剛度的影響。幾階效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)水平位移和內(nèi)力的影響主要取決于柱的軸壓比、長細比、梁柱線剛度之比、層間位移和結(jié)構(gòu)層數(shù)。

(l)二階效應(yīng)將增加樓層的水平位移、且各層水平位移的增加率近似相等。

(2)對于同一結(jié)構(gòu)，減小柱的長細比和柱的軸壓比均將減小__幾階效應(yīng)的影響。

(3)對于同一結(jié)構(gòu)，隨著梁柱線剛度的比值增大，則二階效應(yīng)的影響程度減小。

2.節(jié)點變形對高層鋼結(jié)構(gòu)水平位移和內(nèi)力的影響

(1)節(jié)點夾角變形:一般常用的節(jié)點既非完全剛接，也非完全鉸接，而呈非線性。對這類柔性節(jié)點框架通常用兩端有抗彎彈簧的梁來考慮梁柱節(jié)點的柔性，彈簧剛度由試驗得到。

(2)節(jié)點剪切變形:在鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般假定梁柱節(jié)點為剛接。而試驗結(jié)果表明，由于節(jié)點域腹板薄，在力的作用卜將產(chǎn)生類似純剪力作用而產(chǎn)生剪切變形。增加節(jié)點域腹板厚度將提高布點域的剪切剛度，從而減小節(jié)點域的變形影響。改變梁柱線剛度之比，也將改變節(jié)點域變形對結(jié)構(gòu)水平位移的影響。

3.高層鋼結(jié)構(gòu)動力方法的應(yīng)用鳳荷載、地震荷載都是高層建筑的主要荷載，在地震烈度較高地區(qū)，地震荷載往往是控制荷載。在地震區(qū)采用靜力沙析方法是不能反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)的。新的《抗震規(guī)范》和《高層建筑規(guī)程》都規(guī)定了高度超過60m的高層建筑應(yīng)采用直接動力分析—時程分析法進行抗震計算。北京京城大廈、京廣中心、國貿(mào)中心等高層結(jié)構(gòu)均采用直接動力分析法輸入幾種地震波進行計算。從計算結(jié)果看，采用直接動力分析法可以考慮結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度分布不均勻的影響，并可按彈性及彈塑性不同階段分析檢驗結(jié)構(gòu)的薄弱部位，比基底剪力法或振型分析法更為精確完善。

4.節(jié)點設(shè)計節(jié)點設(shè)計一般應(yīng)保證構(gòu)件連接有足夠的強度。對抗震結(jié)構(gòu)，主要承重構(gòu)件的連接應(yīng)按等強度連接。在連接方法上應(yīng)優(yōu)先采用焊接。梁與柱的連接有全焊節(jié)點與檢焊節(jié)點兩種。全焊節(jié)點比栓焊節(jié)點具有更好的延性，但栓焊節(jié)點也能滿足工程抗震要求，在國內(nèi)已普迫采用。

在梁柱節(jié)點處.由梁傳來的壓力或拉力對柱形成局部應(yīng)力，可能導致柱腹板由千局部壓屈而失效或使柱翼緣板與腹板相鄰處的焊縫開裂。因此在柱腹板L對準梁上下冀緣板處應(yīng)加水平加勁肋。

(三)高層鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝

從制作方便考慮，柱子截面最好采用焊接工作量最小的H型鋼，最麻煩的是由4塊板組成的方型截面。因為這種截面除4條通長的焊縫外，在每個柱梁接頭處在箱形截面的里面還要焊2道加勁板，使焊接工作復雜化。

高層鋼結(jié)構(gòu)的安裝順序是:平面內(nèi)從中心向四周擴展，垂直方向是從下向上進行安裝。柱、主梁、次梁的安裝應(yīng)先編安裝順序圖，按圖進行安裝。在柱子安裝后要進行一次測量校正。安裝主梁時對柱子要進行再次校正，這次要比第一次校正更重要。除了按軸線要求，還要考慮焊縫收縮的預(yù)留量，同時還要考慮溫度變化產(chǎn)生的影響。通過試驗，柱梁一個接頭焊縫的收縮量為1.49一2.2mm，可按Zmm考慮。

二、單層工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)

單層工業(yè)廠房包括重型廠房、輕型廠房、飛機庫等。

(一)重型廠房鋼結(jié)構(gòu)

鋼鐵企業(yè)中從7。年代中期武鋼盯工程開始至L海寶鋼，建設(shè)了不少重型廠房。這些廠房高度更高，柱距和跨度更大，吊車更重，車間內(nèi)部溫度更高，需要良好的通風條件，建設(shè)速度要求快等。在這種條件下，鋼結(jié)構(gòu)具有十分顯著的優(yōu)越性，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也帶來了一些新問題。

1.柱距由12m為基本模數(shù)發(fā)展到以18m、24m為基本柱距。

2.屋面采用壓型鋼板后，坡度為1/10~l/2。。寶鋼工程單坡屋面最長達87m。

3.當采用壓型鋼板后，屋架間距多數(shù)為10m一20m，此時可采用獨立擦條或二合一擦條。當屋架間距超過20m后，宜采用縱橫方向的次析架。

4.屋架一般采用人字型，上下弦可以是平行的，也可以具有不同的坡度。有時可以將下弦跨中部分設(shè)計成水平段。

5.柱肢采用軋制H型鋼，格架式柱的腹桿采用軋制T型鋼。

6.吊車起重量大的重級工作制吊車梁采用焊接工字形截面，當跨度超過20m、吊車起重量又不大時，除夾鉗等吊車外，可采用焊接吊車析架，對跨度較大或吊車較重且下部凈空有要求時，宜設(shè)計成焊接箱形截面。

7.設(shè)計中需要注意的問題

(1)屋架水平支撐析架各有關(guān)桿件在風及其他荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，在采用輕屋面的高大廠房中更不可忽視，如兼作橫向水平支撐析架的屋架弦桿在柱頂剪力和風載作用下所產(chǎn)生的附加內(nèi)力可達到屋架本身內(nèi)力的50%左右。

(2)排架分析中柱頂水平剪力對屋架桿件內(nèi)力的影響。

(3)吊車梁在吊車輪壓偏心作用下，制動析架腹桿的實際內(nèi)力將比僅按制動力計算的理論值增加30%一50%，弦桿增加20%。

(4)吊車梁腹板上部彎曲應(yīng)力很大，有時能超過鋼材的屈服強度。

(二)輕型廠房銅結(jié)構(gòu)如深圳的雪柜廠主要廠房，面積為17647m2，土建要求10個月完成，柱網(wǎng)為18mx巧m，外圍柱距為gm，采用鋼筋鹼柱，內(nèi)柱采用H型鋼。屋面梁及托梁均采用H型鋼，攘條用18a槽鋼gm跨連續(xù)核條，屋面采用壓型鋼板。由于采用了H型鋼作柱、梁，槽鋼作核條，鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝非常簡單，廠房屋蓋僅三個半月基本完成。

(三)飛機庫飛機庫由于跨度大，屋蓋結(jié)構(gòu)主要是鋼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架是常用的結(jié)構(gòu)形式。如咸陽民航機庫跨度為5組m，長為招m，屋蓋采用變高度兩向正交斜放直接焊接鋼管節(jié)點網(wǎng)架。

呼和浩特民航機庫則采用預(yù)應(yīng)力斜拉屋蓋，跨度為42m，兩個邊跨各為9.5m，柱距為9m，總長“m，屋面梁底標高為13m。屋面采用大型屋面板。屋面梁下懸掛有Zt電動單梁吊1臺，屋蓋采用預(yù)應(yīng)力斜拉素體系。主梁由四個角鋼組成組合截面，預(yù)應(yīng)力束為高強平行鋼絲束。塔柱為鋼筋鹼構(gòu)件。與42m梯形析架方案比較，有下列優(yōu)點:

1.高強度斜拉素為42m跨主梁提供了2個中間支點，減小了梁的高度(h=lm)，屋蓋

鋼材可節(jié)省20%。

2.因梁高由4m降至lm，節(jié)約了圍護結(jié)構(gòu)。

三、大跨度公共建筑屋蓋結(jié)構(gòu)

(一)石景山體育館網(wǎng)殼且益結(jié)構(gòu)

石景山體育館屋蓋平面呈三角形，邊長gg.7m。整個屋蓋結(jié)構(gòu)由3組(6根)與水平面呈26059‘夾角的鋼梁及三塊四邊形雙層雙曲鋼網(wǎng)殼組合而成。6根鋼梁與屋脊的頂環(huán)梁連接，每塊網(wǎng)殼周邊支承于鋼梁及鋼筋鹼邊梁上。屋蓋的三個角均懸挑出建筑外墻13.35m。整個屋蓋覆蓋面積為430弓mZ。三塊網(wǎng)殼覆蓋面積為3753m“。結(jié)構(gòu)新穎，受力明確，耗鋼少，在國內(nèi)尚屬首次采用。三叉形空間框架由三組與水平面呈26“59‘夾角的鋼梁組成，是屋蓋系統(tǒng)的主要承重結(jié)構(gòu)，鋼梁設(shè)計成上窄下寬，梁高2800mm。網(wǎng)殼鹼邊梁做成槽形以加大側(cè)向剛度與網(wǎng)殼邊析架共同工作。

(二)朝陽體育館組合索網(wǎng)且益結(jié)構(gòu)

朝陽體育館屋蓋結(jié)構(gòu)由兩片預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)組成，索網(wǎng)懸掛在中央索拱結(jié)構(gòu)和外側(cè)的邊緣構(gòu)件之間。中央索拱結(jié)構(gòu)由兩條懸索和兩個格架式的鋼拱組成;索和拱的軸線均為平面拋物線，分別布置在互相對稱的四角斜平面內(nèi)，通過水平和豎向連桿兩兩相連，構(gòu)成鞍形索網(wǎng)分列于中央索拱結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，以格架式鋼拱和外緣的鋼筋鹼邊拱作為邊緣構(gòu)件。鋼筋鹼邊拱的軸線也是位于斜平面的拋物線，邊拱本身通過一系列短柱支承于看合框架上。屋蓋之間的軸線尺寸是:兩拋物線邊拱頂點之間的距離為66m，邊拱兩端點之間的跨距為78m。索網(wǎng)基本尺寸為3mX3m。

中央拱體系是屋蓋的主要承重結(jié)構(gòu)，它承受由索網(wǎng)傳來的以及作用本身范圍內(nèi)的總計超過二分之一的屋蓋荷載。鋼拱的跨度為57m，而懸索的跨度為59m。懸索錨定于三角墻鮑頂部。鋼拱截面為等腰三角形的立體格架式結(jié)構(gòu)，其上下弦和腹桿均為鋼管，上下弦節(jié)點長度均為3m，正好與索網(wǎng)的格架配合。鋼拱兩端設(shè)計成嵌固支座。

四、如何在建筑工程中發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)

(一)發(fā)展現(xiàn)代栩結(jié)構(gòu)中的靳理論、新形式和析材料

1.發(fā)展張力結(jié)構(gòu)體系張力結(jié)構(gòu)體系指承重結(jié)構(gòu)的大部分桿件或膜面承受拉力，小部分以受軸壓力或彎矩為主。最經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系將具有最多數(shù)量的軸拉桿件和最小數(shù)量并且長度不大的軸壓桿件。張力結(jié)構(gòu)體系包括:懸索結(jié)構(gòu)(包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和索析架結(jié)構(gòu))，吊掛結(jié)構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)，充氣結(jié)構(gòu)。

2.廣泛采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼筋鹼結(jié)構(gòu)中，我國已廣泛應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，但在鋼結(jié)構(gòu)中還很少應(yīng)用，應(yīng)組織力量研究并進行試點工程。

3.發(fā)展新的鋼材品種包括(1)高強鋼材:如低合金鋼、熱處理鋼、冷拔鋼等，(2)經(jīng)濟斷面型鋼:如H型鋼、T型鋼、輕型薄壁型鋼、冷彎型鋼、.異形型鋼，(3)壓型鋼板，(4)鋁合金材料。

4.發(fā)展鋼與鹼組合結(jié)構(gòu)

(1)以鋼結(jié)構(gòu)為骨架，外包鋼筋鹼，這種組合結(jié)構(gòu)已用于超高層鋼結(jié)構(gòu)中。

(2)鋼管鹼結(jié)構(gòu)，已用于單層工業(yè)廠房及地鐵站合等工程中。

(3)鋼與鹼組合梁是在鋼梁上加剪力鍵后澆搗鹼樓板，使鋼梁與鹼共同工作。

(二)在政策方面對采用銅結(jié)構(gòu)不能限制過嚴

要因地因時制宜，不能單純看造價，要看總的投資效益。在合資企業(yè)和特區(qū)等的一些企業(yè)中，為了盡快發(fā)揮投資的效益，要求盡快建成投產(chǎn)，采用鋼結(jié)構(gòu)雖然造價高一些，但從總的投資效益考慮還是合算的。

(三)一以自力，生為主發(fā)展栩結(jié)構(gòu)

1.我國的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)已建和在建的已有11幢，其設(shè)計工作主要由國外或國內(nèi)外合作進行，其制作與安裝分別由國外或國內(nèi)承包，其中由國外總承包的也有不少分包給國內(nèi)承擔。·通過這些高層鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)，我國在設(shè)計、制作、安裝方面已積累了一定的經(jīng)驗。從我國自行制作安裝的高層鋼結(jié)構(gòu)來看，施工質(zhì)t是好的，能滿足施工規(guī)范的要求，井得到國外專家的贊許。因此，今后應(yīng)立足于國內(nèi)，自行設(shè)計、制作、安裝高層鋼結(jié)構(gòu)，不必再完全依賴國外。

2.在高層鋼結(jié)構(gòu)中，還有一些I’m題需要研究解決。如選擇和創(chuàng)造適合我國國情的結(jié)構(gòu)體系，地跳區(qū)直接動力分析法—時程法的研究應(yīng)用，梁柱節(jié)點連接性能的研究，組合樓板的研究應(yīng)用。在制作方面，厚鋼板焊接工藝要求高，因此對焊接收縮變形，殘余應(yīng)力要進行研究。在安裝方面，對安裝焊接收縮量以及日照溫差的影響等均應(yīng)進行研究。

3.在工業(yè)廠房中也有一些問題需要研究，如現(xiàn)代鋼廠的廠房，其高度、跨度、吊車起重t都很大，因此對經(jīng)濟合理的基本柱距，屋蓋結(jié)構(gòu)的合理型式，廠房骨架的空間工作，吊車梁的工作機理及節(jié)點的工作性能等要進行研究。

4.高層鋼結(jié)構(gòu)所需鋼材是發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)中的一個主要問題。A3和16Mn等鋼材，我國基本上都能生產(chǎn)，但供貨規(guī)格不全、又不及時，往往不能滿足施工進度的要求。此外，還不能生產(chǎn)H型鋼和T型鋼，厚板材質(zhì)尚需進一步提高。因此，在我國建設(shè)的一些高層鋼結(jié)構(gòu)有不少是從國外進口鋼材。H型鋼和T型鋼能節(jié)省大量的制作工作量，這不但高層鋼結(jié)構(gòu)需要，工業(yè)廠房等也需要，應(yīng)盡快由國內(nèi)生產(chǎn)供應(yīng)。高層鋼結(jié)構(gòu)所需配套材料，如玻瑞幕墻，防火涂料等也要立足于國內(nèi)生產(chǎn)。