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高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工

2006-11-19 22:31    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結(jié)構(gòu)高層建筑在美國(guó)芝加哥拔地而起,到了二次世界大戰(zhàn)后由于地價(jià)的上漲和人口的迅速增長(zhǎng),以及對(duì)高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的研究日趨完善、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和施工技術(shù)水平的不斷提高,使高層和超高層建筑迅猛發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑中由于自重大,柱子所占的建筑面積比率越來(lái)越大,在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑;同時(shí)高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生,在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計(jì)建造可說(shuō)是同步前進(jìn)。

  超高層建筑的發(fā)展體現(xiàn)了發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑科技水平、材料工業(yè)水平和綜合技術(shù)水平,也是建設(shè)部門(mén)財(cái)力雄厚的象征。

  我國(guó)的高層與超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑自改革開(kāi)放以來(lái)已有20年的歷史,并在設(shè)計(jì)和施工中積累了不少經(jīng)驗(yàn),已有我國(guó)自行編制的《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 99-98.

  東南網(wǎng)架集團(tuán)的“東南科技研發(fā)中心”的初步設(shè)計(jì)已于2003年9月20日在蕭山賓館通過(guò)專(zhuān)家的論證和區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)的審查。這是一幢地下二層,地上二十六層,層高3.6m,集研發(fā)、設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、檢測(cè)為一體的多功能智能大樓。建筑物為總高度100m、建筑總面積4.0萬(wàn)平方米的全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑,建筑造型新穎、美觀、大方,充分展示了鋼結(jié)構(gòu)的特性和現(xiàn)代建筑風(fēng)格。

  全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑,國(guó)內(nèi)為數(shù)不多,在杭州市乃至浙江省屬于首創(chuàng),這體現(xiàn)了東南網(wǎng)架集團(tuán)對(duì)建設(shè)部授予“鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化基地”的榮譽(yù)和責(zé)任。

  東南網(wǎng)架集團(tuán)已設(shè)計(jì)、制作、安裝了4000多項(xiàng)難度大、造型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程,如廣州新體育館主場(chǎng)館、廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)、廣州國(guó)際會(huì)展中心、黃龍?bào)w育中心、河南省體育場(chǎng)、杭州大劇院、寧波新橋化工辦公樓、廈門(mén)氣象局綜合樓等工程,在鋼結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計(jì)、制作、安裝經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高廣大員工在超高層鋼結(jié)構(gòu)上的技術(shù)水平,從結(jié)構(gòu)體系、材料選用、制作與安裝等方面加以闡述。

  二、高層及超高層結(jié)構(gòu)體系

  對(duì)于高層及超高層建筑的劃分,建筑設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一規(guī)定,一般認(rèn)為建筑總高度超過(guò)24m為高層建筑,建筑總高度超過(guò)60m為超高層建筑。

  對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講,按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度以經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的設(shè)計(jì)原則,選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系,一般分為六大類(lèi):框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框—筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系。

  高層和超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(代號(hào)RC)外,還采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(代號(hào)SRC),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(代號(hào)CFS)和全鋼結(jié)構(gòu)(代號(hào)S或SS)。

  東南科技研發(fā)中心,建筑高度100m,柱網(wǎng)為8.4m,抗震設(shè)防烈度為6度,采用框架—剪力墻或框—筒結(jié)構(gòu)體系較為經(jīng)濟(jì)合理,這種結(jié)構(gòu)體系的剪力墻或筒體是很好的抗側(cè)力構(gòu)件,常常承擔(dān)了大部分的風(fēng)載和地震荷載產(chǎn)生的水平側(cè)力,總體剛度大,側(cè)移小,且滿足玻璃幕墻的外裝飾要求。

  三、材料的選用

  鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn),但其缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)大,耐火性差。隨著冶金技術(shù)的提高,耐火鋼的研究成功并投入生產(chǎn),為鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

  目前寶鋼投入生產(chǎn)的有B400RNQ和B490RNQ兩種型號(hào)的耐火鋼,其物理力學(xué)指標(biāo)、化學(xué)性能及抗沖擊韌性和可焊性,都能達(dá)到結(jié)構(gòu)鋼的要求。普通鋼材當(dāng)達(dá)到600℃的高溫時(shí)已完全喪失承載能力,寶鋼生產(chǎn)的這兩個(gè)品種鋼材當(dāng)達(dá)到600℃時(shí)其屈服強(qiáng)度還有150~220Mpa.

  一般高層和超高層建筑當(dāng)采用框—剪、框—筒結(jié)構(gòu)體系時(shí)的經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)計(jì)為:鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)=鋼材費(fèi)用(約占40%)+制作安裝費(fèi)用(約占30%)+防火涂料費(fèi)用(約占30%),防火涂料所占總造價(jià)的比重較大。如果使用高強(qiáng)度耐火鋼雖價(jià)格略有上升,但防火涂料價(jià)格有較大幅度下降,可望部分抵消由此帶來(lái)的成本上升,而且可靠度及安全性有了一定的保障。

  高強(qiáng)度耐火鋼的應(yīng)用在高層及超高層建筑中,也展示了東南集團(tuán)在采用新材料、新技術(shù)上的重大創(chuàng)舉。

  四、制作與安裝

 。ㄒ唬┙y(tǒng)一測(cè)量?jī)x器和鋼尺量具

  建造一幢超高層大樓,涉及到土建、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻和各類(lèi)設(shè)備的安裝,使用的測(cè)量?jī)x器和使用的鋼尺必須由國(guó)家法定的同一計(jì)量部門(mén)由同一標(biāo)準(zhǔn)鑒定。

  高層、超高層建筑施工周期較長(zhǎng),尚需定期對(duì)測(cè)量?jī)x器和鋼尺量具進(jìn)行定期校驗(yàn)以保證建筑物各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)定的指標(biāo)。

  一般以土建部門(mén)的測(cè)量?jī)x器和鋼尺量具為準(zhǔn)。

 。ǘ┒ㄎ惠S線、標(biāo)高和地腳螺栓

  鋼柱的定位軸線可根據(jù)場(chǎng)地的寬窄,在建筑物外部或內(nèi)部設(shè)置控制軸線。本工程高度在100m,設(shè)置二個(gè)控制樁,以供架設(shè)經(jīng)緯儀或激光儀控制樁的位置,要求以能滿足通視、可視為原則。

  鋼柱的長(zhǎng)度以滿足起重量的大小和運(yùn)輸?shù)目赡苄裕话銥?~3層為一節(jié),對(duì)每一節(jié)柱子安裝不得使用下一節(jié)柱子的定位軸線,應(yīng)從地面控制軸線引到高空,以保證每節(jié)柱子安裝正確無(wú)誤,避免產(chǎn)生累積誤差。

  柱腳與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的連接,一般采用埋入式剛性柱腳,地腳螺栓是在安裝就位第一節(jié)鋼柱時(shí),控制平面尺寸和標(biāo)高的臨時(shí)固定措施。

  (三)鋼柱的制作與安裝

  鋼柱是高層、超高層建筑決定層高和建筑總高度的主要豎向構(gòu)件,在加工制造中必須滿足現(xiàn)行規(guī)范的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

  100m高的超高層鋼柱一般分為8~12節(jié)構(gòu)件,鋼柱在翻樣下料制作過(guò)程中應(yīng)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(zhǎng)度不等于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,即使只有幾毫米也不能忽略不計(jì)。而且上下兩節(jié)鋼柱截面完全相等時(shí)也不允許互換,要求對(duì)每節(jié)鋼柱應(yīng)編號(hào)予以區(qū)別,正確安裝就位。

  矩形或方形鋼柱內(nèi)的加勁板的焊接應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范要求采用熔嘴電渣焊,不允許采用其他如在箱板上開(kāi)孔、槽塞焊等形式。

  鋼柱標(biāo)高的控制一般有二種方式:

  1. 按相對(duì)標(biāo)高制作安裝。鋼柱的長(zhǎng)度誤差不得超過(guò)3mm,不考慮焊縫收縮變形和豎向荷載引起的壓縮變形,建筑物的總高度只要達(dá)到各節(jié)柱子制作允許偏差總和及鋼柱壓縮變形總和就算合格,這種制作安裝一般在12層以下,層高控制不十分嚴(yán)格的建筑物。

  2. 按設(shè)計(jì)標(biāo)高制作安裝。一般在12層以上,精度要求較高的層高,應(yīng)按土建的標(biāo)高安裝第一節(jié)鋼柱底面標(biāo)高,每節(jié)鋼柱的累加尺寸總和應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求的總尺寸。每一節(jié)柱子的接頭產(chǎn)生的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形應(yīng)加到每節(jié)鋼柱加工長(zhǎng)度中去。

  無(wú)論采用何種安裝方式,都應(yīng)在翻樣下料制作過(guò)程中充分表達(dá)出來(lái),并應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求的總高度。

  (四)框架梁的制作與安裝

  高層、超高層框架梁一般采用H型鋼,框架梁與鋼柱宜采用剛性連接,鋼柱為貫通型,在框架梁的上下翼緣處在鋼柱內(nèi)設(shè)置橫向加勁肋。

  框架梁應(yīng)按設(shè)計(jì)編號(hào)正確就位。

  為保證框架梁與鋼柱連接處的節(jié)點(diǎn)域有較好的延性以及連接可靠性和樓層層高的精確性,在工廠制造時(shí),在框架梁所在位置設(shè)置懸臂梁(短牛腿),懸臂梁上下翼緣與鋼柱的連接采用剖口熔透焊縫,腹板采用貼角焊縫?蚣芰号c鋼柱的懸臂梁(短牛腿)連接,上下翼緣的連接采用襯板(兼引弧板)全熔透焊縫,腹板采用高強(qiáng)螺栓連接。

  由于鋼筋混凝土施工允許偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)的精度要求,當(dāng)框架梁與鋼筋混凝土剪力墻或鋼筋混凝土筒壁連接時(shí),腹板的連接板可開(kāi)橢圓孔,橢圓孔的長(zhǎng)向尺寸不得大于2d0(d0為螺栓孔徑),并應(yīng)保證孔邊距的要求。

  框架梁的翻樣下料長(zhǎng)度同樣不等于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,需考慮焊接收縮變形。焊接收縮變形可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算再按實(shí)際加工之后校核,確定其翻樣下料的精確長(zhǎng)度。

  框架梁上下翼緣的連接可采用高強(qiáng)螺栓連接或焊接連接,目前大部分采用帶襯板的全熔透焊接連接。施工時(shí)先焊下翼緣再焊上翼緣,先一端點(diǎn)焊定位,再焊另一端。

  腹板則采用高強(qiáng)度螺栓連接,要充分理解設(shè)計(jì)時(shí)采用摩擦型還是承壓型高強(qiáng)螺栓。采用摩擦型高強(qiáng)螺栓的摩擦系數(shù)應(yīng)選用合理。

  采用高強(qiáng)螺栓群連接時(shí),孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多軸數(shù)控鉆孔,前者精度低,后者精度高,應(yīng)優(yōu)先考慮采用后者。當(dāng)采用模板制孔時(shí),應(yīng)保證模板的精度,以確保高強(qiáng)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(kuò)孔。嚴(yán)禁使用氣割擴(kuò)孔,若用氣割擴(kuò)孔,則應(yīng)按重大質(zhì)量事故處理。

  高強(qiáng)螺栓群應(yīng)同一方向插入螺栓孔內(nèi),高強(qiáng)螺栓群的擰緊順序應(yīng)由中心按幅射方向逐層向外擴(kuò)展,初擰和終擰都得按預(yù)先設(shè)定的鮮明色彩在螺帽頭上加以表示。

  五、樓蓋的設(shè)計(jì)

  高層、超高層建筑的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度,是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側(cè)力構(gòu)件,同時(shí)使鋼柱與各豎向構(gòu)件(剪力墻或筒體)起到變形協(xié)調(diào)作用。

  一般鋼結(jié)構(gòu)建筑物的樓板和屋蓋,都采用軋制的壓型鋼板加現(xiàn)澆鋼筋混凝土(簡(jiǎn)稱(chēng)鋼承混凝土)樓板和屋蓋,厚度一般不小于150mm.目前在設(shè)計(jì)鋼承混凝土樓板和屋蓋時(shí)沒(méi)有考慮鋼承混凝土樓板和屋蓋與鋼梁共同作用。主要是對(duì)于板底呈波形的計(jì)算原理不甚了解或認(rèn)為計(jì)算繁瑣,就按平板計(jì)算,這樣既不安全又增加了鋼梁的用鋼量。

  如果采用鋼梁與鋼承混凝土樓板共同作用,簡(jiǎn)稱(chēng)MST組合梁,只要計(jì)算正確,配筋合理,栓釘可靠,則可以節(jié)約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右,而且不需對(duì)鋼梁進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

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