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1、全钢结构高层建筑的构造做法 摘 要 介绍一瞳超长、T-规则、构件及材料种类多、连接类型多且复杂的全钢结构高层建筑的构造做法，对钢板Z向性能的要求、铸钢件的构造设计及技术要求，可供类似L-程设计参考 ABS lRACl 1t is int roLhiced that a StlpCtlong ad i rregular hbzh rise sl(、f1tru(1urc building which has several kinds of units，various materials and complex conjunctions，1t is also int roduced that th
2、e required performance of steel plate in the Z direction and the constructional detail and technical requirements of cast steel elementsW hich may be a reference for simjIar st ructures 1 工程简介 成都高新科技商务广场C座为全钢结构，平面形状为长202 n1，宽041 m 的梭形(图1)，地上13层，高514622 m，由于使用功能及建筑造型的需要，本工程结申句形式复杂，采用的钢材种类多、构件类型多、节点形式
3、多。构造设计既要满足结构受力的要求，还要满足工厂制作、运输及现场安装的要求。 鉴于本工程的复杂性，对丁复杂、重要的节点用有限元方法进行理论分析，并对三种典型框架节点做了抗震试验。 2 连接节点的构造设计 21 圆柱与框架梁的连接 211 中问层圆柱Lj框架梁的连接 钢框架柱的安装单元采用带外环板的悬臂梁段的柱贯通型单元，两层为一个 元，柱高84 m，柱工地接头设于主梁顶面以上10 m处。梁的安装单元为每跨一根。带外环板的悬臂段与框架梁相连，上、F翼缘采用全熔透工地焊接，腹板采用109级高强度螺栓摩擦型连接(图2)。为了避免应力集中，采用图2a所示无折点平滑过渡的弧形环板。为 减少因钢材下料造成
4、的浪费，设计上允许外环板拼接，拼接位置在应力值较小的45。处，但要求错开加劲肋位置，以避免焊缝重叠，外环板拼接焊缝采用全熔透等强焊接。钢构件在工厂焊接成安装单元，在工地现场与梁拼装。由于运输的限制，悬臂段长度与柱直径总长控制在24 ITI以内。 212 顶层圆柱与框架梁的连接 顶层圆柱与框架梁的连接在构造上有别于中间各层(图3)，若顶层仍采用中问各层的构造，在柱顶需设置封头隔板(图3b)，这种连接形式在焊接和受力时容易产生柱壁钢板层状撕裂现象。在节点设计中，节点的构造应避免采用约束度大和易产生层状撕裂的连接形式。有两种构造方案可选择：1)在图3b的基础上将圆柱端头伸出接头焊缝区，伸出长度不小于
5、柱管壁厚度(图3c)；2)将上环板下料成不开洞的整板与柱相连(图3d)。两种构造形式中方案1能改善、方案2能防止焊接时柱壁钢板的层状撕裂。本工程屋面大部分为无钢筋混凝土楼板的玻璃采光屋面，建筑要求屋面结构平整，无凸出结构部件，因此方案1不能满足建筑要求。本工程采用方案2，即上环板整体下料，可避免层状撕裂的现象出现，并减少了一圈焊缝，不足之处是钢板下料浪费较大。 图3 顶层圆钢柱与梁连接节点 22 中部转换桁架与柱的连接 221 节点处构造 中部转换桁架上、下弦杆采用箱形截面，尺寸为800 mm X 800 mm，壁厚50 mm。腹杆采用 10、壁厚36 ITtrlq的钢管。由于建筑要求，腹杆与
6、弦杆连接时转换成十字板连接。支承桁架的框架柱采形截面，在与弦、腹杆连接的部位柱截面变为口形状。 中部转换桁架是该工程最重要的受力构件之一， 除考虑桁架自身满足各种工况的受力及变形要求外，桁架与柱的连接构造便成为设计的重点，构造上要保证连接处受力可靠、传力明确、焊接牢固、易于施工。 桁架与柱的连接焊缝若设置在柱边，则焊缝将位于受力最大处，并且现场拼接焊时其各构件已处于约束状态，桁架上弦上翼板采用图4b所示连接方式在焊接时易出现柱翼板(板厚50 ram)的层状撕裂，采用图4c所示连接方式则焊缝与柱截面焊缝存在部分堆积现象。本工程采取桁架上、下弦杆连接面外移至距柱边600 mm处焊接(图4d)，将节
7、点处柱两侧翼缘钢板包括外伸段600 mm 整体下料(图4e)，这个尺寸是根据运输要求而决定的(要求构件最宽处24 ITI)。在桁架上、下弦杆的翼板处按规范要求应在柱内设置隔板，但口形柱中间两区格无论采取任何焊接方法，都无法保证隔板四边均与柱腹板焊接。本工程采取往口形柱中间两区格灌C40混凝土的方式来改善其传力性能，其余四边区格仍采取加隔板的构造措施(图4f)。 222 桁架弦杆拼接焊缝构造 桁架上、下弦杆与柱连接采用直缝现场焊接，这样下翼板焊缝必然会出现仰焊，如此大的焊缝采用仰焊其施工难度大，且焊缝质量也不易保证。为了避免仰焊，桁架在制作时取掉一块上翼板(图5)，焊工进入箱形断面内焊接下翼板(
8、800 mm X 800 mm的箱形断面内有足够的焊接空间)，最后焊上小块上翼板，所有连接焊缝均采用二氧化碳气体保护电弧剖口焊。由于桁架外露，为保证建筑美观要求，桁架弦杆下翼板采用不加垫板背面清根的剖口焊，其余剖口焊背面均加焊接垫板。 a 连接 ；b 易广：t- 状撕裂的焊接；C一焊缝堆积的焊接；d一采用的焊接；e 钢柱侧板下料；f 节点处钢柱断面 图4 1部转换桁架 柱连接 23 对钢材Z向性能的要求 建筑抗震设计规范(GB 500112001)规定：采用焊接连接的钢结构，当钢板厚不小于40 mm且承受沿板厚度方向的拉力时，应按厚度方向性能钢板(GB 5031385)的规定，板厚方向的断面收
9、缩率不应小于该标准ZI5级规定的允许值；高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 9998)对此的要求是钢板厚度等于或大于50 mm。建筑钢结构焊接规程(JGJ 9991)规定：对较厚的板件( 25mm)，在T形接头、角接接头和十字形接头中应采取防止层状撕裂的措施。 规范规定的厚钢板Z向性能ZI5是最低要求，影响层状撕裂的因素很多，如钢材的含硫量、节点设计的合理性、焊接工艺的合理性等。设计中要注意不要以为厚钢板有了ZI5的保证就可以高枕无忧，对复杂的连接应进行层状撕裂危险性指数(LTR) 评价，以确保连接的可靠性。 对本工程中焊接复杂且钢板厚度大的构件中部转换桁架与柱连接处的柱断面(图6)进行层状撕
10、裂危险性指数(LTR)评价，验证ZI5级是否满足层状撕裂的要求，否则通过选择合理的焊接工艺和提高钢板的Z向性能级别来满足要求。在桁架与柱的连接处，柱截面形式为图4f所示，其组合焊缝在节点区域均要求全熔透焊，为了减小焊接变形及对钢板层状撕裂的影响，尽量采取双面剖口焊及窄间隙焊。对图6中的焊接接头进行层状撕裂综合危险性系数(ELTR)计算： LTR=INF(A)+INF(B)+INF(C)+INF(D)+INF(E) (1) 式中 INF(A) 焊缝有效厚度的影响取03S， S为焊缝有效厚度； INF(B) 焊接形式的影响； INF(C) 接头横向拘束的影响取02 ； INF(D) 拘束度的影响；
11、 INF(E) 预热条件的影响，不预热取0， 预热温度100时取一8。 焊接接头1：LTR=337 焊接接头2：LTR=259 焊接接头3：LTR=22 焊接接头4：LTR=7 到Z35级，50 mm 厚钢板Z向性能达到Z25级要求，同时焊接时要求预热，预热温度100 。表1 LTR与对应的 要求值 24 铸钢件构造 本工程12层为十字形和H三H形柱，以上各层为圆管柱，转换桁架上也为圆管柱，采用上圆下方铸钢件作为两种形式柱及转换桁架上柱的过渡，共用铸钢件116个，铸钢节点系首次在我国高层钢结构框架中使用。 其中用量最大的铸钢件形式见图7，该铸钢件重158 t。铸钢件上连圆管柱，下连十字形柱(与
12、铸钢件连接处十字柱变为方形柱)，竖向拐点位置即是连接H型钢框架梁上下翼缘的位置，锥台上下各设一道隔板，既是H型框架梁连接受力的需要，同时也是增强铸钢件整体刚度的需要。铸钢件壁厚根据铸钢与框架柱钢材的设计强度换算而来。 图7 十字柱与圆柱转换铸钢件 铸钢件采用砂型铸造方法制造，构造上所有内折角必须做成圆角，同时中间两隔板必须开洞以便脱模，内折角的圆角半径及隔板开洞大小先根据砂型铸造工艺要求初步确定，再用有限元软件进行铸钢节点受力分析并进行局部尺寸调整。本工程对铸钢节点进行了低周反复荷载抗震试验和静力试验，试验表明节点能满足受力及延性的要求。 为保证铸钢节点满足设计要求，对铸钢件的力学性能、化学成分、延性、可焊性、外观、制造、检验等提出了必须满足的条件，以保证铸钢件的成功应用。表2为本工程“铸钢件交货技术条件”中外形尺寸允许偏差的要求，对无法用人工测量的壁厚，要求用测厚仪测量。 表2 铸钢件尺寸偏差要求 3 结束语 钢结构构造措施应包括：避免采用有应力集中的构造；设计中应尽量避免有层状撕裂现象的连接形式；避免采用有层状撕裂现象的焊接方式；避免采用高空仰焊的连接方式等。为了保证最合理的构造设计，设计中需要钢结构制作及安装单位的参与，这样才能确定出合理、可行的方案。 参考文献 1 中国钢结构协会 建筑钢结构施工手册北京：中国计划出版社，20029
