钢砼结构在高层民用建筑中的设计与应用
摘要：钢砼结构作为建筑施工中一种重要的结构形式，在民用建筑中应用非常广泛。本文从钢砼结构在高层民用建筑的几种基本结构形式出发，简要分析钢砼结构在高层民用建筑中的设计与应用问题。
关键词：钢砼结构；高层建筑；民用建筑
Abstract: steel concrete structure construction as one of the most important structure forms, in civil building is widely used. This paper, from the steel concrete structure high civil buildings in several basic structure of form, this paper briefly analyzes concrete structure steel high civil buildings in the design and application of problems.
Keywords: steel concrete structure; High-rise buildings; Civil building
0 前 言
20世纪90年代以后，我国钢材产量不断提高，钢砼结构在建筑行业得到了迅速发展。随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑。在结构设计中遇到的各种难题也日益增多，因而作为一个结构设计者需要在遵循各种规范下大胆灵活地解决一些结构方案上的难点、重点。
1 钢砼结构高层民用建筑的基本结构形式
1．1框架一剪力墙结构
在框架结构中布置一定数量的剪力墙就组成了框架一剪力墙结构。它是小高层和高层民用建筑中应用比较广泛的一种主体结构形式。其特点是平面灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。
1．2大开间剪力墙结构
随着时代的发展和人们生活水平的提高，原来建造的小开间剪力墙体系民用建筑在建筑功能上的局限性变得13益明显。从强度方面看，小开问结构中墙体的作用不能得到充分的发挥，并且过多的剪力墙布置还会导致较大的地震力，增加工程费用。另外，由于结构自重较大，也增加了基础的投资，因此，大开间剪力墙应运而生。承重墙的开间达到4．5～7．5m，进深达到7．5一llm，室内一般无承重的横墙和纵墙。可以按照住户的不同要求灵活分隔，随着家庭的变化
还可重新布置。
1．3短肢剪力墙结构
短肢剪力墙(墙肢截面高度与厚度之比为5—8的剪力墙)介乎于异形框架柱和一般剪力墙之间，由于这种结构体系在建筑功能、结构形式、投资效益、节能指标等多方面效果良好，已成为小高层和高层民用建筑的主要结构形式。
二、高层民用建筑钢砼结构设计的要点
1．水平荷载逐渐成为钢砼结构设计的控制因素。
在低层民用建筑中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着钢砼结构设计；而在小高层和高层民用建筑中，尽管竖向荷载仍对钢砼结构设计产生着重要影响，但水平荷载将成为控制因素。对某一特定建筑来说，竖向荷载大体上是定值；而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值会随动力特性的不同而产生较大幅度的变化。
2．轴向变形不容忽视。
对于采用框架体系或框架一剪力墙体系的小高层和高层民用建筑，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，这就使得中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到很大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
3．侧移成为钢砼结构设计的控制指标。
与低层民用建筑不同，结构侧移己成为小高层和高层民用建筑钢砼结构设计的关键因素。随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构的顶点侧移一般与房屋高度H的四次方成正比。在设计小高层和高层民用建筑时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移控制在一定的范围内。这是因为：(1)过大的侧移会使人不舒服，影响房屋的正常使用。(2)过大的侧移会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形而导致不能正常运行。(3)过大的侧移会因P - △效应使结构产生附加内力，甚至因侧移与附加内力的恶性循环导致
建筑物的倒塌。
4．结构延性是钢砼结构设计的重要指标。
相对于低层民用建筑而言，小高层和高层民用建筑更柔一些，地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒
塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
三、高层民用建筑钢砼结构的实际应用
1．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8～12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。钢柱标高的控制一般有两种方式：
(1)按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm，不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形，建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格，这种制作安装一般在l2层以下，层高控制不
十分严格的建筑物。
(2)按设计标高制作安装。一般在l2层以上，精度要求较高的层高，应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高，每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。无论采用何种安装方式，都应在翻样下料制作过程中充分表达出来，并应符合设计要求的总高度。
2．框架梁的制作与安装。
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。框架梁应按设计编号
正确就位。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。
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孑L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，初拧和终拧都得按预先设定的鲜明色彩在螺帽头上加以表刀o
当前，在无成熟的优化设计分析软件的情况下，主要是高层民用建筑结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案，这是在结构设计中最常用的也是最简单的优选或者说是优化方法。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。
四、结语
随着我国经济的发展，人民生活水平进一步提高，用户对住宅功能的要求也越来越高，人们希望建筑物在使用过程中具有更大的灵活性，能够适应多功能变换的需求。所以无论是哪种建筑施工形式，要本着美观与实用结合的方式，才能做出更好的建筑作品。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。