第七章 高层钢结构施工

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1、高层钢结构施工主讲：刘炳南一 高层钢结构的发展钢结构应用于高层建筑已有百余年的历史。首先采用 钢结构建造高层建筑的是美国，1885年在芝加哥建造了一 幢高55米的家庭保险公司十层大厦，1889年在法国巴黎 建成了高320米的埃菲尔铁塔，从而使钢结构逐步在高层 建筑中得到应用和推广。1931年美国纽约的帝国大厦落成 (高381米，108层)，使钢结构开始应用于超高层建筑的领 域。特别是1960年以来，高层钢结构工程迅速发展，钢结 构已成为高层建筑设计选型的主要对象。统计资料表明， 高层钢结构工程建造最多的是美国，大都集中在纽约和芝 加哥等城市，其次是加拿大，日本居第三位，集中在东京 、大阪等城市

2、，其他地区如西欧、东欧、北美、南亚等大 城市也相继建造了一些高层钢结构建筑。特别值得一提的是日本，日本在19世纪还是 一个以木结构建筑占统治地位的国家，二次世界 大战后，特别是到1965年后，高层钢结构发展迅 速，从1968年霍关大厦(高147米)建成后，日本高 层钢结构工程大发展，平均每年拟建成20幢左右 的速度前进，从1965年到1982年期间，建成高层 钢结构工程400幢左右，有些工程的规模也是很 大的。日本在房屋建筑结构选型上，提出如下原 则规定：在设计方案选择时，10层以下的建筑采 用钢筋混凝土结构，1020层的建筑采用劲性钢 筋混凝土结构，凡20层以上的高层建筑需采用钢 结构。 钢

3、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。超高层建筑的发展体现了发达国家的建筑 科技水平、材料工业水平和综合技术水平，也是 建设部门财力雄厚的象征。我国的高层与超高层 钢结构建筑自改革开放以来已有20年的历史，并 在设计和施工中积累了不少经验，已有我国自行 编制的高层民用建筑钢结构技术规程JGJ 99- 98。 1996年建成的深圳地王大厦高度325米，是国内第一 幢超高层钢结构大厦，1998年建成的大连远洋大厦，系钢

4、 结构高层建筑(高度201米，51层)，从设计、制造、安装以 及钢材供应，全部由我国自己完成，这标志着我国高层建 筑钢结构完全国产化已经形成。高层钢结构建筑在我国发展较快，与国家的政策支 持、技术基础及经济基础是密不可分的。建设部已明确提 出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具 体要求，使我国长期以来实行的“节约钢材”政策已转变为“ 合理用钢”的政策；在钢结构科研工作上，新颁布了一系列 国家规程，标准和规范；在价格上，对超高层建筑，虽然 综合价格高出同类钢筋混凝土结构45，但其抗震性 能好，施工速度快而必须采用，而轻型钢结构、压型钢板 拱壳结构的单位面积造价，与同类单层钢筋混凝土结

5、构大 体持乎。这些都充分说明钢结构在我国具有广泛的发展前 景。 二 高层钢结构概述高层钢结构一般是指六层以上（或30 以上），主要采用型钢、钢板连接或焊 接成构件，再经连接、焊接而成的结构体 系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架 混凝土核心筒结构形式。后者在现代 高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事 实上，它属于钢混凝土混合结构。 与混凝土高层相比：n 自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面 积大，与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑 外形。n施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用， 增加建筑的投资回报率。 n抗震性能较好，利于向高层、超高层发展。 n绿色环保、可持续发展。 n层的高层钢

6、结构造价可达到与混凝土 持平，综合造价可望超过混凝土。 钢结构的特点中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会在 关于推行钢结构住宅的倡议书中，对钢结构 住宅体系与传统结构体系进行了比较，得出钢结 构具有以下优势：1.由于采用了轻型屋顶及墙体结构，而且其支 撑钢结构的材料强度高、用料省、体型小，所以 自重较轻。结构重量轻节省了减少了运输和吊装 费用，基础负载也相应减少、减低了基础造价。2.由于钢材强度高，房屋自重轻，故以钢骨架 作支承结构时，可建造开间、进深较大的房屋， 而且所需构件的截面小，在相同建筑面积下的建 筑空间利用率增加5%-7%。3.钢结构具有良好的延性，抗震性能好且受损 轻，而且由于钢

7、材便于加工，灾后容易修复。4.钢结构除基础外，构件全部由专业工厂标准 化生产，建筑质量容易保证；工业化程度高，施 工速度快，施工周期比传统建筑可缩短一半；各 部件运抵现场组装，施工现场文明，现场湿作业 少，噪声粉尘和建筑垃圾也少；施工作业受天气 及季节影响较少，并且可以工厂制作与现场安装 平行进行，甚至一些标准化的住宅体系，可以随 订货，随建造，大大缩短建造周期和资金占用时 间。应用范围 n现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业 中心。如：北京国贸中心、环球金融大厦。 n星级饭店，旅馆。如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店 n商用写字楼，综合楼，办公楼。 如：长春光大银行、上海国际航运大厦。

8、n民用住宅，高层公寓；民用住宅的开发与试点正 在进行。如：天津市梨园小区等。 主要材料 n型材：包括截面形式为：“”型钢，“十”字形钢、“口” 字型钢。目前我国莱钢、马钢、鞍钢一厂自行生产的 100mm700mm的热轧“”型钢，上海大通生产 的高频焊接轻型H型钢均已投放市场。 n钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的压型 钢板。 材料的选用 钢结构有很多优点，但其缺点是导热系数大，耐火性 差。随着冶金技术的提高，耐火钢的研究成功并投入生产 ，为钢结构的进一步发展创造了条件。目前莱钢投入生产的有Q235级别的LFR390耐火H型 钢；与安徽科技大学合作开发出Q345级别的LFR490耐火

9、H型钢。在耐候耐火抗震H型钢的研发上，与东北大学合 作，根据LFR490MPa级耐火耐候钢的性能要求进行了成 分设计和成分筛选试验，最终找到一种有效而又经济的合 金配比，开发出物美价廉的建筑用高强度耐火耐候抗震H 型钢，其物理力学指标、化学性能及抗冲击韧性和可焊性 ，都能达到结构钢的要求。普通钢材当达到600的高温 时已完全丧失承载能力，莱钢生产的这几个品种钢材当达 到600时其屈服强度还有150220Mpa。一般高层和超高层建筑当采用框剪、框 筒结构体系时的经济性统计为：钢结构造价=钢材费用（约占40%）+制作安 装费用（约占30%）+防火涂料费用（约占30%） （其中防火涂料所占总造价的比

10、重较大）如果使用高强度耐火钢虽价格略有上升，但 防火涂料价格有较大幅度下降，可望部分抵消由 此带来的成本上升，而且可靠度及安全性有了一 定的保障。高强度耐火钢的应用在高层及超高层 建筑中，也展示了莱钢建设在采用新材料、新技 术上的重大创举。三 钢结构构件n受弯构件：梁 强度 刚度（挠度）n轴心受压构件：桁架（屋架） 强度 刚度（长细比） n偏心受压构件：柱 强度 刚度（挠度或长细比） 钢结构构件的一个特点是截面多样性：一方面，钢材 的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的 各向非匀质性区别显著：同为线性结构构件，钢结构的截 面多样性是木结构所无法比拟的，这也是有工字钢而没有 “工字木

11、”的原因，杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说 明了这一点；另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接 设计也产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下，不同 型钢的选择可以导致不同形式的连接。 1、钢柱高层钢结构中的柱子，其截面多为宽翼缘工字 形截面、箱形截面或十字形截面。宽翼缘工字形截面多用轧制的宽翼缘H型钢， 特点是截面抗弯刚度大，两方向大致等稳，构造 简单，制造方便，便于连接，最为常用。当荷载大或存在双向弯矩时，多用箱形截面 ，高度大的多采用。十字截面由两个轧制工字钢或钢板组合成， 特适宜于承受双向弯矩，如上海27层瑞金大厦。钢柱的制作与安装钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主 要竖向

12、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812 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。 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。 柱与柱的连接，如H型钢柱可用高强螺栓连

13、接 或高强螺栓与焊接共同使用的混合连接；如为箱 形截面柱，多用焊接。(图8.1)柱与梁的连接，因梁多为H型钢梁，多用高强 螺栓连接、焊接或混合连接。 (图8.2)梁与梁，支撑与梁、柱的连接，同样可用高 强螺栓连接或焊接连接。2、钢梁钢结构高层建筑的梁，多为轧制或焊接的H型钢梁， 在需要时亦可制作成复合截面。杜宇高层建筑的大梁、悬 臂梁，或悬挂结构的悬臂梁，亦可用焊接箱形截面的梁。高层钢结构结构中的钢梁分为三类，即实腹式钢梁、 格构式钢梁和钢与砼板组合梁。 当截面高度相同时，轧制H形钢比焊接工字截面便宜，应优先采用；若截面高度不适合既 定净空高度，可给翼缘加焊钢板。当钢梁承受 水平荷载时，翼缘可

14、用槽钢加强（图10.17）。用三块钢板焊接的工字形钢梁，由于可选用最佳钢板厚度，因而材料利用最为经济，但加 工费用高于轧制钢梁。对于超长度焊接钢梁， 为节约材料，可沿梁长改变梁断面(图10.18)。当钢梁所受承载较大或受较大扭矩时，可采 用焊接箱形梁。若净空高度受到限制时，可采用 双槽钢和钢板组成的截面，但钢梁内部必须进行 防锈处理。还有一种楼盖箱形梁，其下翼缘板向 外伸出以支承钢砼预制板，这种截面造价高，但 楼盖高度小（图10.19） 。钢与砼组合梁充分利用钢和铜材料的各自优 点，使砼楼盖受压，而钢梁则充分受拉。为使钢 梁与砼板能有效地协同工作，在钢梁与砼交界处 必须设置机械连接（如栓钉），

15、以承受接触面的 水平剪力（图10.20）。3、构件连接高层、超高层框架梁一般采用H型钢，框架梁与钢柱宜采用刚性连接，钢柱为贯通型，在框架梁的上下翼缘处 在钢柱内设置横向加劲肋。 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

16、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。 高强螺栓群应同一方向插入螺栓孔内，高强螺栓群的 拧紧顺序应由中心按幅射方向逐层向外扩展，初拧