高层装配式钢结构建筑设计关键技术分析

司振威

（中国五冶集团有限公司，四川 成都 610023）

0 引言

装配式钢结构建筑在环保、节能、高效、工厂化生产等方面具有明显优势，钢结构建筑具有极强的可塑性，适应当前建筑样式多样化的需求[1-6]。装配式钢结构建筑系统是内部系统、钢结构、设备和管道及围护结构和谐统一的系统，在高层建筑设计中，一定要把握住其结构设计的关键技术。

1 装配式钢结构的优缺点

1.1 优点

（1）轻质、高强。

（2）构件布置灵活。在空间布置方面，装配式钢结构建筑相对于传统砖混或框架结构更为自由、灵活，模数化的构件尺寸使用户可以更加自由布置，同时不影响结构的可靠性。

（3）结构可靠性高。钢结构材料重量轻、强度高、延性好，抗震性能与抗冲击性能优异。

（4）施工效率高、周期短，整个施工效率可以得到有效提升。

（5）产业化适应性强。与混凝士结构建筑相比，钢结构建筑更容易实现设计的标准化、构配件生产的工厂化、现场施工的装配化、完整建筑产品供应的社会化。钢结构工厂制作质量可靠，尺寸精确，安装方便。可引入数控机床、计算机等控制设备，提高预制构件的安装精度。

（6）经济效益和环境效益突出。

1.2 缺点

（1）相对于装配式混凝土结构，装配式钢结构外墙体系较复杂。

（2）防火问题、防腐问题需格外重视。

（3）精度要求更高。

2 高层建筑装配式钢结构类型

2.1 钢框架结构

特点：建筑平面根据需要分隔，布置灵活；框架结构的梁、柱构件易于标准化，是装配式钢结构建筑的主要结构类型。采用轻质隔墙，大大降低房屋自重，节省材料。框架杆件类型少，且大部分采用型材，安装制造都很简单，施工速度快。

2.2 钢框架-支撑结构

钢框架—支撑结构体系的基础是框架结构体系，通过在房屋的横向、纵向布置一定数量的竖向支撑而形成的一种结构体系，在高层钢结构建筑中应用比较广泛。

2.3 钢框架-筒体结构

钢框架—筒体结构，是指由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系。大疆天空之城大厦采用的就是束筒结构，既满足建筑的采光要求，同时使结构的重心下移，利于结构的稳定性。

2.4 巨型框架结构

巨型框架结构是以巨型框架（主框架）为结构主体，并在其间设置小型框架（次框架）所组成的结构体系。

3 高层建筑钢结构构件设计要点

主要受力构件按照其功能和构造特点可分为承重构件和抗侧力构件两大类。

（1）承重构件包括梁、柱（一般梁、柱和框架梁、柱）；

（2）抗侧力构件包括框架梁、框架柱、中心支撑和偏心支撑、抗震剪力墙等。高层建筑钢结构构件的主要特点是：构件的截面尺寸较大、钢板厚度较大 。

3.1 高层建筑钢结构设计一般步骤

（1）计算各种荷载作用下各构件的内力（即作用效应计算）；

（2）进行内力组合；

（3）试选构件截面（形式和尺寸）；

（4）构件截面验算；

（5）检验是否满足构造要求。

3.2 框架柱设计

对于仅沿一个方向与梁刚性连接的框架柱，宜采用H形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。对于在相互垂直的两个方向均与梁刚性连接的框架柱，宜采用箱形截面或十字形截面。箱形截面框架柱角部的拼装焊缝，应采用部分熔透的V形或U形焊缝，其焊缝厚度不应小于板厚的1/3，且不应小于14mm；对于抗震设防结构，焊缝厚度不应小于板厚的1/2；当钢梁与柱刚性连接时，H 形截面框架柱与腹板的连接焊缝和箱形截面框架柱的角部拼装焊缝，在钢梁上、下翼缘的上、下各500mm的区段内，应采用坡口全熔透焊缝，以保证地震时该范围柱段进入塑性状态时不破坏。

3.3 中心支撑设计

类型：十字交叉（X形）支撑、单斜杆支撑、人字形或V形支撑、K形支撑等形式。支撑斜杆宜采用双轴对称截面。通常，当楼房超过12层时，宜采用轧制H型钢，其两端与框架刚性连接；当楼房不超过12层时，可采用单轴对称截面，但应注意采取防止屈曲措施。

3.4 钢板剪力墙设计

（1）钢板剪力墙是用钢板或带加劲肋的钢板制成。

（2）钢板剪力墙嵌置于钢框架的梁、柱框格内。

（3）钢板剪力墙与钢框架的连接构造，应能保证钢板剪力墙仅参与承担水平剪力，而不参与承担重力荷载及柱压缩变形引起的压力。

3.5 钢梁设计

3.5.1 梁的截面形式及强度

一般采用H型钢。当高度受限、跨度大、受荷大时，可选用箱形截面。对于墙梁等维护构件，可采用槽形等截面形式。梁的强度主要包括抗弯强度和抗剪强度，其计算公式见《钢结构设计规范》（GBJ 50017）。

3.5.2 梁的构造要求

（1）变截面框架梁的截面变化，宜改变梁翼缘的宽度和厚度，而保持梁的腹板高度不变；

（2）当梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板相连时，可不验算组合梁的整体稳定，但仍应根据条件在其下翼缘设置隅撑；

（3）框架梁的端部以及有集中荷载作用点等可能出现塑性铰的部位梁的受压翼缘应设置侧向支撑（7度及以上抗震设防的结构，上、下翼缘均应该设置侧向支撑），且实腹钢梁相邻侧向支撑点之间的长细比应满足规范要求；

（4）焊接梁的翼缘一般用一层钢板组成；当跨度大，采用两层钢板时，外内层厚度比宜为0.5~1.0，外层断点应符合《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）要求。

4 高层建筑钢结构连接节点设计

4.1 钢柱柱脚节点

钢柱柱脚形式主要为：端承式柱脚和埋入式柱脚。端承式柱脚，轴力通过柱底板传递至混凝土基础，柱脚剪力主要通过柱底板与下部混凝土之间的摩擦力承担，过大的剪力墙抗剪键承担，弯矩通过混凝土承压和地脚螺栓抗拉组合实现；埋入式柱脚，轴力与端承式一致，剪力墙埋入端钢柱传递至混凝土基础，弯矩通过埋入钢柱侧面的抗剪栓钉传递至混凝土基础。

端承式柱脚简化做法的优势：加工简单，施工方便，减少了锚栓的套丝长度，省略了锚栓支架，与土建穿插施工，先施工锚栓然后绑扎面筋，面筋施工完后利用定位板安装锚栓。

《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）中规定埋入式柱脚的埋置深度不应小于3倍型钢柱截面高度，同时《矩形钢管混凝土结构技术规程》（ECS 159:2004）中第7.3.2条规定埋入式柱脚底板埋入基础的深度宜为柱截面高度的2~3倍。

埋入式柱脚施工要点：垫层施工完成后绑扎底板钢筋，浇筑第一次混凝土。施工顺序对钢结构施工效率要求很高，在承台面筋施工前钢柱吊装就位，钢构件存在深化设计、加工制作、运输吊装等工序，要求钢结构启动迅速，特别是二次深化工作对项目进程的影响，技术人员要充分认识施工流程，合理制定施工计划。

4.2 梁柱节点

梁柱节点依据《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159:2004）规定，主要有以下3种做法。

（1）带短梁内隔板式连接。

适用范围：能焊接内隔板的钢柱，对于圆管柱，一般要求管径不小于800mm，对于箱型柱，一般要求壁厚大于16mm（壁厚大于16mm以上才建议采用电渣焊，因电渣焊的线能量输出过大，构件容易变形过大）。

优点：与钢柱的焊缝在加工厂完成，焊接质量可靠，现场安装工作量较少，安装就位采用腹板螺栓固定。钢梁牛腿分段位置在塑性铰范围之外，塑性铰范围大约为梁跨度的1/10跨长和2倍梁高范围。

（2）内隔板式连接。

适用范围：适用范围同带短梁内隔板式连接。

优点：钢梁每侧一条焊缝，构件整体性好。采用全焊接节点，节约高强螺栓数量。钢柱和钢梁完美分开，不会因钢柱加工费高于钢梁导致制作成本的上升，同时，运输过程中减小了构件尺寸和不规则程度，运输较为方便；如果钢柱两侧钢梁不等高，采用钢梁腹板加腋形式，钢梁深化量差效果显著。

（3）外隔板式连接。

适用范围：无法采用内隔板的钢柱或根据项目需要。

优点：在加工外隔板时，钢管柱内部依然可以做内隔板，节点重量大；压型钢板铺设钢柱不再包边，施工方便；外隔板毛重和净重差距很大，深化量差比较大。

4.3 刚接节点

刚接节点通常分为栓焊连接节点、全焊连接节点和全栓连接节点。现在最常见的是栓焊连接节点，全焊连接节点常用在悬挑梁端部节点或与钢管等类似的封闭截面杆件，全栓连接节点在民用建筑钢结构中很少采用，其中比较重要的原因是民用建筑钢结构用钢板比较厚，而高强螺栓连接做到等强连接需要用到的高强螺栓数量比较多，高强螺栓孔对杆件削弱大。

（1）栓焊连接。

以H 型钢为例，栓焊连接上下翼缘为焊接，腹板为高强螺栓连接。在受力过程中，梁作为受弯构件，上下翼缘受拉压，腹板主要受剪，加之腹板钢材较薄，所用高强螺栓数量较少，等强连接容易实现。

栓焊连接施工顺序：对高强螺栓初拧至设计预拉力的60%，再行施焊，焊后对螺栓终拧。不过一般翼缘焊接对腹板影响不大，施工现场可以考虑直接先栓后焊。

（2）全焊连接。

全焊连接在H型钢对接时采用马板固定上翼缘，对于斜支撑全焊连接，可以在腹板上设置安装螺栓，用安装螺栓固定，焊接上下翼缘后，拆除安装螺栓及连接板，焊接腹板焊缝。

全焊连接箱型截面一般采用上翼缘或腹板面开焊接操作人孔，临时连接采用腹板内侧连接板，安装螺栓固定。

（3）全栓连接。

高强螺栓要做到等强连接需要的高强螺栓数量较多（钢板厚度薄的情况下可以实现），在超高层项目中，楼层外建筑小悬挑钢梁会采用全螺栓连接来达到刚接的效果。超高层中，不建议采用全栓节点，该节点对压型钢板铺设施工存在碰撞。

4.4 梁铰接节点

铰接节点通常用在非悬挑主次梁连接位置，根据构造做法，主要分为以下3种形式。

（1）连接形式一（如图1所示）。

图1 连接形式一

优点：双面连接板，工程量大，对称不产生扭矩，安装方便。

缺点：主梁翼缘要求较宽，不然不满足螺栓穿孔；另外高强螺栓使用数量多。

（2）连接形式二（如图2所示）。

图2 连接形式二

优点：安装容易，不受主梁翼缘宽度影响。

缺点：单剪板节点受力较差，对主梁扭矩较大，应注意成品保护。

（3）连接形式三（如图3所示）。

图3 连接形式三

优点：对主梁扭矩较小。

缺点：安装困难，主梁翼缘要求较宽。

以上3种梁连接形式，不推荐使用第三种，因第三种连接节点安装不便，应慎用。

5 结束语

装配式钢结构重量轻、强度高、结构可靠性高、施工效率高、产业化适应性强、经济效益和环境效益突出，但其防火和防腐问题需要引起重视，其对设计、制造、施工的技术水平有更高的精准度要求。当楼房超过12层时，中心支撑设计宜采用轧制H型钢，当不超过12层时，可采用单轴对称截面类型钢。钢柱柱脚形式主要为端承式柱脚和埋入式柱脚；梁柱节点主要包括带短梁内隔板式连接、内隔板式连接和外隔板式连接。超高层建筑中刚接节点不建议采用全栓节点。