8 钢结构高层建筑施工

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1、8 钢结构高层建筑施工,8.1 概 述,8.1.1 钢结构高层建筑的结构体系 目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系 、框架支撑(剪力墙)结构体系、错层桁架结构体系、外 筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图 8-1 所示。,(a)框架(b)框架支撑(c)框架支撑腰（帽）桁架(d) 错列 (e)开口筒 (f) 框筒 (g) 桁架筒(h) 筒中筒(i) 筒束 图8-1 钢结构高层建筑结构体系,1 纯框架结构体系 纯框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造 连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构， 承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设 支撑，可以形成较大

2、的空间，为平面布置提供了最大的灵 活性，框架结构可以有多种结构平面。 该体系主要适用于 30 层以下的建筑。如25 层的北京长 富宫饭店，即为钢框架结构体系。,2 框架一支撑(剪力墙)结构体系 纯框架结构体系到达一定高度后，难以承受水平荷载作用 下的水平剪力，通过在框架结构某些节间的竖向平面内增 设起剪力墙作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来 承受水平剪力。这样即能有效地提高结构体系的抗剪刚 度，又能大大减少水平位移，这种结构型式一般称之为框 架支撑结构，其类型如图8-2(a)、(b)所示。,（a） （b） 图8-2 框架支撑结构体系（交叉支撑） 图8-3 空间错列桁架,3 错列桁架结构体

3、系 由框架支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁架 位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁 架呈“品”字形交错排列，如图 8-3 所示。此结构的楼板架 设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与 桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁 架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦 。这种结构主要适用于公寓、旅馆等狭长建筑物。 4 外筒式结构体系 外筒式结构体系如图 8-1(e)、(f)、(g)所示，有开口筒、 框架筒、桁架筒等几种。,5 筒体结构体系 筒体结构体系如图 8-1(h)、(i)所示，主要有筒中 筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一 种

4、方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结 构剪力墙式的核心内筒，外围结构为密柱深梁钢框 筒，从而发展形成筒中筒结构体系。筒式结构的发 展，从单筒到筒中筒，进而又把许多个筒体排列而 成筒束结构体系。,8.1.2 高层钢结构用钢材 1结构用钢材的种类 钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的 钢材按其化学元素组成，主要有以下几类： 1) 碳素结构钢 碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢 材强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按 其含碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳 钢，见表 8-1。其中低碳钢是最主要并最多使用的 钢材品种。,表8-1碳素结构钢的含碳量,碳素结构钢又可以分为

5、普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。,2) 低合金钢(GB/T 15911994) 低合金钢是一种在普通碳素钢基础上添加少量的一种或多 种合金元素(总量低于5%)如钒、铌、钛、铬、镍等，以提 高其强度，耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性的钢材。 3) 耐候钢 在钢的冶炼过程中，加入少量的 Cu、P、Cr、Ni 等特定 合金元素，可以在金属基体表面上形成保护层，以提高钢 材耐大气腐蚀性能，这类钢材称为耐候钢或耐大气腐蚀 钢，按照国家现行标准 GB/T 4171-2008的规定，耐候钢 适用于耐大气腐蚀的建筑结构，产品通常在交货状态下使 用。我国目前生产的耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构 用耐候钢两种。,

6、4) 其他钢材 (1) 桥梁用结构钢 (2) 耐火钢 普通建筑用钢在 350以上高温时屈服强度迅速下降到室温的 2/3 以下， 不能满足设计要求。日本研究者通过在钢中添加微量的 Cr、Mo、Nb 等合金元素开发出来，在 600的高温屈服强度相当于室温下的 2/3以上屈服强度的耐火温度为 600的建筑耐火钢，其用途广泛，可用于办公楼、商场、宾馆、钢结构高层建筑大厦等建造。 (3) 铸钢、不锈钢及高强度钢等 高强度钢是通过冶炼加进多种的合金元素及热处理工艺而获得，用在受强度控制的大跨度、特重型结构中时，可以明显的节约钢材。如应用在高层建筑的底部几层承重结构中。,2 结构钢材的品种 1) 钢板、钢带

7、 钢板和钢带的主要区别在于钢板是平板状矩形的钢材，而钢带是指成卷交货的钢材。 钢板按轧制方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板，在建筑钢结构中主要用热轧钢板。根据厚度、长度与宽度的变化，钢板分为薄板、厚板、特厚板和扁钢等。 2) 普通型材 工字钢、槽钢、角钢三种类型是工程结构中使用最早的型钢。,(1) 工字钢 有普通热轧工字钢和轻型工字钢两种。翼缘内表面有着 16倾斜度，使翼缘外薄而内厚，就造成工字钢在两个主 平面内的截面特性相差极大。不宜单独用做轴心受压构件 或承受斜弯曲和双向弯曲的构件， 在应用中难以发挥钢 材的强度特性，已逐渐被 H型钢所淘汰。 (2) 槽钢 有普通热轧槽钢和轻型槽钢两种，其伸出

8、肢较大，可用于 屋盖檩条，承受斜弯曲或双向弯曲。另外槽钢翼缘内表面 斜度 110 比工字钢平缓，安装螺栓较容易，但其腹板 较厚，使槽钢组成的构件用钢量较大。相比而言，型号相 同的轻型槽钢比普通槽钢的翼缘宽而薄，腹板厚度更小， 截面特性更好。,(3) 角钢 是传统钢结构工程中应用非常广泛的型材，有等边角钢和不等边角钢两大类，可以组成独立的受力构件，或作为受力构件之间的连接零件。 3) H型钢 H型钢有热轧H型钢和焊接H型钢两种。 其中热轧H型钢又分为宽翼缘H型钢(HW)、中翼缘 H型钢(HM)、窄翼缘 H型钢(HN)和 H型钢柱等。焊接 H型钢由平钢板用高频焊接组合而成。H 型钢的截面特性要明显

9、优于传统的普通型钢，受力更加合理，故已广泛用于钢结构高层建筑建筑中。H型钢经过剖分又 可而成为T 型钢。,4) 冷弯型钢 冷弯型钢是由薄钢板或钢带经冷轧(弯)或压模而成，其截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边 Z 型钢、槽钢、卷边槽钢等开口截面以及方形和矩形闭口截面等。 5) 厚度方向性能钢板 国家标准厚度方向性能钢板(GB/T 5313)是对有关标准的钢材要求做厚度方向性能试验时的专用规定，适用于板厚为 15400mm、屈服点不大于 500 N/mm2的镇静钢板。要求内容有两方面：含硫量的限制和厚度方向断面收缩率的要求值。据此分为 Z15、Z25、Z35三个级别。,3 钢材的选用

10、钢材的选用原则是既能使结构安全可靠和满足要求，又要最大可能节约钢材和降低造价，不同的使用条件应有不同的质量要求。一般情况下应考虑：结构的重要性、荷载情况、连接方法、结构所处的温度和工作环境等几方面的情况。国内推荐采用B级和优于B级的Q235和Q345钢材。,1) 选用钢结构高层建筑钢材的有关规定 高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 991998)规定：钢结构高层建筑的钢材，不采用Q235A 级钢，宜采用 Q235 等级 B、C、D 的碳素结构钢，以及 Q345 等级 B、C、D、E的低合金高强度结构钢。其质量标准应分别符合我国现行国家标准碳素结构钢(GB/T 7002006)低合金高强度结构钢

11、(GB/T 15912008)的规定。当有可靠根据时，可采用其他牌号的钢材。 采用焊接连接的节点，当板厚50mm，并承受沿板厚方向的拉力作用时，应按现行国家标准厚度方向性能钢板(GB 5313)的规定，附加板厚度方向的断面收缩率，并不得小于该标准 Z15 级规定的允许值(Z15 级断面收缩率：三个试样平均值大于 15%，单个试样值大于 10%)，以防止发生层状撕裂破坏，见图8-4所示。,图 8-4 钢板层状撕裂破坏示意图 对于抗震设防区的钢结构高层建筑钢材应保证：强屈为 1.21.8、有明显屈服台阶、伸长率大于20%、有保持延性的良好可焊性。不应采用 15MnV 或 15MnVq 钢，可采用

12、Q235 和 16Mn钢材。,2) 钢结构高层建筑选用的钢材 (1) 钢材的种类 有三大类： 低碳钢(普通碳素钢) 普通低合金钢 热处理低合金钢(淬火回火合金钢) 我国低碳钢应用最普遍的是 Q235，类似于美国的 A36、日本的 SM41、德国的 ST37、俄罗斯的 CT3 等。这些钢材已使用了半个多世纪，加工和使用性能都好，成本较低。但因其强度较低，在现代钢结构高层建筑中，一般只用于次要构件，如次梁、梯段、工字梁腹板等。国内外钢材牌号对应关系见表8-2。,表8-2 国内外钢材牌号对应关系表,4 钢材的验收 对钢结构的钢材进行验收是保证钢结构工程质量的重要环节，应该遵照钢结构工程施工质量验收规

13、范(GB 502052001)对钢材的有关规定执行。其主要内容包括以下几项。 (1) 钢材的数量和品种是否与订货单符合。 (2) 钢材的质量保证书是否与钢材上打印的记号符合。每批钢材必须具备生产厂家提供的材质证明书，写明钢材的炉号、化学成分和机械性等项目。应检查各项目是否齐全，并根据国标(GB/T 7002006) 和 (GB/T 15912008)中的有关规定，核对钢材的各项指标。 以上验收检查的数量为全数检查； 检验的方法是检查质量合格证明文件及检验报告等。 (3) 检验钢材的表面质量，其表面不得有结疤、裂纹、折叠和分层等缺陷，其深度不得大于该钢材厚度负允许偏差值的 1/2。 本项检查验收

14、的数量为全数检查；检验方法是观察检查。 (4) 根据国标中的有关规定核对钢材的规格尺寸以及各类钢材外形尺寸的允许偏差。 在 YB 33012005中规定了焊接 H型钢外形尺寸的允许偏差，见表 8-3,8.2 钢结构构件的制作与安装 8.2.1 钢结构构件的制作 钢结构的制作有施工现场制作和专业工厂加工。由于钢结构高层建筑工程规模大、构件种类多，技术复杂、制作工艺要求严格，一般采用专业工厂来加工制作，制作完成运到施工现在进行安装。钢结构在加工厂制作的主要工艺流程见图 8-5所示。,详图设计和审查图纸端部加工和摩擦面处理,原材料矫正,放样、号料、切割,制孔、边缘加工,组装和焊接,端部加工和摩擦面处

15、理,成品涂装、编号,验收和发运,图8-5 钢结构构件制作工艺流程,8.2.2 钢结构的安装 1 结构安装前的准备工作 1) 钢结构构件的预检和配套 钢结构构件在出厂前，制造厂应根据制造规范、规定和设计图纸的要求进行产品检验，填写质量报告和实际偏差值。在钢结构构件交付结构吊装单位后，结构吊装单位再在制造厂质量报告的基础上，根据构件种类分类，再进行复检或抽检。,2) 钢柱基础检查 第一节钢柱直接安装在钢筋混凝土柱基底板上。钢结构的安装质量和工效同柱基的定位轴线、基准标高直接有关。安装单位对柱基的预检重点是：定位轴线间距、柱基面标高和地脚螺栓预埋位置。其偏差要满足规范要求。 (1) 检查定位轴线 (

16、2) 检查柱间距 (3) 检查单独柱基中心线 (4) 检查柱基地脚螺栓 柱基地脚螺栓检查内容为： 检查螺栓长度； 检查螺栓垂直度； 检查螺栓间距；, 实测基准标高。 规范的允许偏差：建筑物定位轴线L/2000（L为建筑 长度或宽度），且不大于3mm；基础上柱的定位轴线 1mm；基础上柱底标高2mm；地脚螺栓（锚栓）位 移2mm。,3) 标高块设置及柱底灌浆 为了精确控制钢结构上部结构的标高，在钢柱吊装之前，要根据钢柱预检（实际长度、牛腿间距离、钢柱底板平整度等）结果在柱子基础表面浇筑标高块。标高块用无收缩砂浆，立模浇筑，其强度不宜小于30N/mm2，标高块面须埋设厚度为l620mm的钢面板。浇筑标高块之前应凿毛基础表面，以增强粘结。待第一节钢柱吊装、校正、和锚固螺栓固定后，要进行底层钢柱的柱底灌浆，灌浆前应在钢柱底板四周立模板，用水清洗基础表面，排除多余积水后灌浆。灌浆用砂浆基本上保持自由流动，灌浆从一边进行，连续灌注，灌浆后用湿草包或麻袋