来源:建筑钢结构网 作者:中建钢构有限公司（沪）王超 时间:2010-08-26
关键词:浅谈 高层 钢结构 设计
摘要：我国现代高层建筑钢结构自八十年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为深圳发展中心大厦。钢结构材料因具备自重轻、抗震性能好、建造速度快以及增加建筑有效使用面积等特点，在高层以及超高层建筑方面体现了良好的经济效益和力学性能，得到了日益广泛的应用。
摘要：我国现代高层建筑钢结构自八十年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为深圳发展中心大厦。钢结构材料因具备自重轻、抗震性能好、建造速度快以及增加建筑有效使用面积等特点，在高层以及超高层建筑方面体现了良好的经济效益和力学性能，得到了日益广泛的应用。
2、高层钢结构发展概况
高层钢结构主体结构体系可由某一类体系单独构成或多个体系按不同比例组合而成，发展至今最常见的主要有以下三类结构体系：
2.1框筒结构
该结构主要由中央核心筒与周边框架柱构成，采用在筒体与周边钢柱以及框架梁间设置钢梁用于支撑楼板，核心筒一般采用钢筋混凝土结构，如上海二十一世纪中心大厦（50层）。当层高较高或建筑结构较高时，核心筒以及钢柱采用钢-混凝土组合的劲性结构。
该体系的抗侧向位移刚度来源于核心筒与周边钢柱组成的承载体系，当出现刚度不够的情况，通常在设备层或避难层加设连接筒体与外框的外伸刚架作为结构加强体系。
2.2框架-剪力墙结构体系
为增加结构刚度，避免建筑产生过大的侧向位移。通常在框架结构中根据需要布置一定数量的剪力墙，剪力墙的类型包括以下三种：钢筋混凝土剪力墙、钢筋混凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。该结构体系应用广泛，如：上海盛大国际金融中心（40层）、钻石大厦（14层）等工程采用该结构形式。
其中，钢板剪力墙结构中，钢板厚度为8-10mm，通过利用钢板与钢框架组合形成刚性构件的方式承载侧向力，钢板剪力墙由于其自重轻，占用空间小等优点也得到了越来越多的应用。
2.3钢框架-支撑结构体系
该体系是在框架结构中布置支撑桁架结构，通过框架与支撑结构的协同工作，使竖向支撑桁架起到剪力墙的作用，承担大部分的水平剪力。
该结构优点在于如遇罕见地震导致支撑系统破坏时，可由框架结构承担水平力，增加了结构使用的可靠性。该结构体系在上海平安金融大厦（34层）等工程中得到了采用。
3、高层建筑钢结构设计重点
（1）高层结构设计应注意以下六个比值：1.轴压比：主要为控制结构的延性。2.剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。3.刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。4.位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。5.周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。6.刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。
（2）风荷载与地震荷载组成的结构水平荷载是结构设计的主要控制因素，结构内力与位移一般采用弹性方法计算，对于有抗震设防要求的结构，除进行地震作用下的弹性阶段计算外，还应验算可能进入的弹塑阶段状态。风振验算时对于建筑主体结构部分顶部有小型突出建筑时，应计入鞭梢效应，特别是对于顶部有桅杆类的结构的应着重分析。
（3）高层建筑钢结构计算模型根据具体结构形式和计算内容确定，一般可采用平面抗侧向力结构空间协同计算模型。当结构布置规则，质量及刚度沿高度分布均匀时可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则，无法划分为平面抗侧力单元时，考虑采用空间结构计算模型。
（4）高层建筑的基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况、上部结构的类型，确保建筑物不致发生过量沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求。还应注意与相邻建筑的相互影响，尤其是周边高层建筑影响，宜采用筏形基础，必要时可采用箱形基础。当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形要求时，也可采用交叉梁基础或其他基础形式；当地基承载力或变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。
4、钢结构深化设计技术发展历程
中国国内钢结构深化设计技术水平随着国内钢结构产业的蓬勃发展而取得了飞速进步。在不断吸收国外先进技术后，自八十年代至今，经历了由最初依靠人工制图、CAD辅助绘图发展到现今主要以包括structurecad、XSTEEL等高效集成建模软件制图的发展阶段，钢结构深化设计内容也由最初单纯的钢构件详图绘制发展到为制作加工、现场安装提供全面准确的数据支持服务。目前，业内最为先进的XSTEEL软件已能完成包括钢结构设计验算、构件与零件详图以及钢板放样下料等在内的从设计到施工环节的一系列重要工作，极大的简化了钢结构施工流程。
5、钢结构深化设计要点
5.1满足结构设计要求，体现结构设计意图
钢结构深化设计应以结构设计图纸为依据，并针对钢结构工程的特点（工程采用的钢材材质、连接件和焊材要求、摩擦面抗滑移系数和焊缝等级以及油漆涂装和防火要求）进行更为详尽的阐述与说明。对结构图中简化表述的各类钢构件精确的进行空间定位以及尺寸计算，各类构件尺寸造型以及连接形式必须以符合设计图纸的要求为基本原则。当出现无法满足结构图纸设计要求的情况后，应及时与设计方沟通，以便进行调整或优化。最终出具的深化设计图纸必须由设计单位确认后方可实施制作与安装施工。
5.2符合工艺工法要求，简化施工流程
钢结构深化设计的合理与否都将经历由制作到现场安装施工的各个环节的检验，不能满足施工工艺、工法的深化设计都是失败的。深化设计必须考虑包括如构件分段分节必须满足运输和起重设备要求以及安装环节构件吊装校正措施等等一系列问题。
同时钢结构深化设计应特别注意细节处理，如劲性构件表面的油漆涂装区域标注，钢构件轴线标高定位示意图等。由于从事钢结构制作、安装一线作业工人一般不会深入研究结构图纸，因此，钢结构深化图纸更应该针对各个易出问题的工序进行详细标注，确保在施工中不出现遗漏与错误。如对劲性构件表面的油漆涂装区域进行明确标注，避免出现劲性构件表面出现误涂的情况；在深化图纸中明确构件轴线标高定位数据，避免出现构件安装反向的失误；针对复杂结构角度不易测量的问题，增设接头间距标注以便于测量复核。
5.3提出合理化建议，缩短施工周期、降低施工风险
目前，各类高层钢结构工程施工普遍存在异种钢材采购、构件制作周期长，现场安装风险大等不利因素。钢结构深化设计同时，应积极思考各个施工环节的特点与难点，从整个项目管理的角度出发，提出合理的建议以优化整个项目施工流程。如在满足结构设计的前提下提议将原结构图纸中的焊接H型钢材替换为热轧H型钢材，以便缩短工厂制作周期；当采购环节受阻时，考虑将原设计厚板以高强度的薄板替代，避免影响工程进度；提议在结构钢梁上开设吊装孔或焊接吊装耳板以增强施工安全性等。
5.4全盘考虑各个专业施工，提前预见设计问题
对于单位工程而言，钢结构工程在只是其众多专业工程之一，无可避免的存在与其他专业施工交叉的问题，深化设计期间应全面分析考虑各类问题，并提出合理的解决方案。如遇劲性结构与混凝土结构内部的钢筋冲突时，可调整钢筋位置或在劲性钢结构开洞处理，钢结构梁与混凝土墙面预埋件采用连接板连接时，应考虑混凝土施工误差，预留连接板调整长度。
