钢结构在工程中的应用

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一、高层建筑钢结构

(一)结构体系结构体系的最优选择是设计高层钢结构的首要问翅，优选的原则是要在保证结构安全的前提下尽t减少钢材的消耗t。结构的安全除满足强度外还要满足结构顶部和层间水平位移的限值。

1.框架结构钢框架分半刚接框架和刚接框架。刚接框架宜用于30层以下建筑，半刚接框架宜用于20层以下建筑。例如北京长富宫中心，地下2层，地上26层，高94m，采用框架结构。框架结构对平面布置灵活性大，且构造简单，易于施工。

2.框架剪力墙结构剪力墙可以是钢筋硷剪力墙、钢筋硷带缝剪力墙及钢板剪力墙。例如北京京广中心主楼地上54层，高204m，6层以上设带缝的钢筋硷剪力J.。

3.框架支撑析架体系在框架柱梁之间加抗剪支撑构成竖直的析架支律体系。例如上海锦江饭店分馆地上43层，高153m，采用这种体系，在核心部分的框架间设置竖向K型支撑和钢板剪力墉。支律析架中当支撑的中心偏离于梁柱交点时成为偏心支撑析架。这种体系在轻微和中等侧向力作用下，可以具有很大的刚度，而在强烈地震时具有很好的延性。

4.有水平带状支撑的框架支撑析架体系当竖向支撑析架设置在建筑中部时，外围柱一般不参加抗侧力工作，所以常在建筑的顶层和中间层设置整层楼高的水平带状支撑。此体系使外围框架共同参加抵抗倾复力矩，限制了结构在侧向力作用下的转动，减少了结构的侧移。与无带状支撑体系相比，刚度可提高20%~25写。如北京京城大厦及上海锦江分馆就采用了带状析架。这种体系可做到50一60层。

5.框架核心筒体系核心筒承受全部或大部侧向及扭转荷载，外围结构按重力荷载设计。在强震地区，外围结构可以做成抗剪框架，承受部分地震力。核心筒可以是钢的或钢筋硷的。如上海静安希尔顿饭店就采用了这种体系。这种体系在50层以下比较经济。

6.筒中筒体系此体系外围多为密柱深梁的钢框筒，核心部分可以是钢结构或钢筋硷结构筒体。外筒宽度很大，可以有效地抵抗层间剪力。内外筒由楼板连接起来，形成一个整体，可以十分有效地抵抗侧向力。例如北京中国国际贸易中心的主楼，地下2层，地上39层，高155m，为筒中筒体系，其耗钢量为139kg/mZ。

7.束筒体系束筒体系是由框架筒体相连而成的体系。如美国芝加哥希而斯大厦110层，高4招m，采用这种体系，它是由九个方形钢框架筒组成刚度很大的束筒体，其耗钢量为16Ikg/m“。

8.外围交叉析架筒体系这种体系由于外围形成了很宽的竖向析架，故空间刚度很大，水平力是由交叉斜杆的轴向力来抵抗，所以有很高的效益。例如美国芝加哥考克大厦100层，399m高，采用这种体系;其耗钢量为1峨skg/m“，较同等高度的框架结构节约钢材约10%。

除了上述儿种结构体系外，还有一种钢与硷组合结构体系，这种结构具有钢结构强度高及硷结构耐火性能好的优点，往往用于上部为钢结构而底部与地下室为硷结构的过渡层;也可上下全部为组合结构。以上海静安希尔顿饭店为例，在相同条件下，全钢结构体系与组合结构体系加以对比。七部结构自重以组合结构为100，钢结构为82;施工工期以组合结构为1，钢结构为0.75;L部钢材消耗量以组合结构为I33kg/m“，钢结构为165kg/mZ。由于组合结构耗钢低，其_〔程造价比全钢结构低。在我国目前的条件下，组合结构体系有其优越性，更加符合我国的经济、技术、材料、及施_L条件。

(二)高层钢结构设计中的几个问题

1.二阶效应二阶效应是指竖向荷载作用于已发生变形的结构上，对结构变形和内力的影响以及轴向力对柱弯曲刚度的影响。几阶效应对钢结构水平位移和内力的影响主要取决于柱的轴压比、长细比、梁柱线刚度之比、层间位移和结构层数。

(l)二阶效应将增加楼层的水平位移、且各层水平位移的增加率近似相等。

(2)对于同一结构，减小柱的长细比和柱的轴压比均将减小__几阶效应的影响。

(3)对于同一结构，随着梁柱线刚度的比值增大，则二阶效应的影响程度减小。

2.节点变形对高层钢结构水平位移和内力的影响

(1)节点夹角变形:一般常用的节点既非完全刚接，也非完全铰接，而呈非线性。对这类柔性节点框架通常用两端有抗弯弹簧的梁来考虑梁柱节点的柔性，弹簧刚度由试验得到。

(2)节点剪切变形:在钢框架结构设计中，一般假定梁柱节点为刚接。而试验结果表明，由于节点域腹板薄，在力的作用卜将产生类似纯剪力作用而产生剪切变形。增加节点域腹板厚度将提高布点域的剪切刚度，从而减小节点域的变形影响。改变梁柱线刚度之比，也将改变节点域变形对结构水平位移的影响。

3.高层钢结构动力方法的应用凤荷载、地震荷载都是高层建筑的主要荷载，在地震烈度较高地区，地震荷载往往是控制荷载。在地震区采用静力沙析方法是不能反映结构的实际工作状态的。新的《抗震规范》和《高层建筑规程》都规定了高度超过60m的高层建筑应采用直接动力分析—时程分析法进行抗震计算。北京京城大厦、京广中心、国贸中心等高层结构均采用直接动力分析法输入几种地震波进行计算。从计算结果看，采用直接动力分析法可以考虑结构沿高度方向刚度分布不均匀的影响，并可按弹性及弹塑性不同阶段分析检验结构的薄弱部位，比基底剪力法或振型分析法更为精确完善。

4.节点设计节点设计一般应保证构件连接有足够的强度。对抗震结构，主要承重构件的连接应按等强度连接。在连接方法上应优先采用焊接。梁与柱的连接有全焊节点与检焊节点两种。全焊节点比栓焊节点具有更好的延性，但栓焊节点也能满足工程抗震要求，在国内已普迫采用。

在梁柱节点处.由梁传来的压力或拉力对柱形成局部应力，可能导致柱腹板由千局部压屈而失效或使柱翼缘板与腹板相邻处的焊缝开裂。因此在柱腹板L对准梁上下冀缘板处应加水平加劲肋。

(三)高层钢结构的制作与安装

从制作方便考虑，柱子截面最好采用焊接工作量最小的H型钢，最麻烦的是由4块板组成的方型截面。因为这种截面除4条通长的焊缝外，在每个柱梁接头处在箱形截面的里面还要焊2道加劲板，使焊接工作复杂化。

高层钢结构的安装顺序是:平面内从中心向四周扩展，垂直方向是从下向上进行安装。柱、主梁、次梁的安装应先编安装顺序图，按图进行安装。在柱子安装后要进行一次测量校正。安装主梁时对柱子要进行再次校正，这次要比第一次校正更重要。除了按轴线要求，还要考虑焊缝收缩的预留量，同时还要考虑温度变化产生的影响。通过试验，柱梁一个接头焊缝的收缩量为1.49一2.2mm，可按Zmm考虑。

二、单层工业厂房钢结构

单层工业厂房包括重型厂房、轻型厂房、飞机库等。

(一)重型厂房钢结构

钢铁企业中从7。年代中期武钢盯工程开始至L海宝钢，建设了不少重型厂房。这些厂房高度更高，柱距和跨度更大，吊车更重，车间内部温度更高，需要良好的通风条件，建设速度要求快等。在这种条件下，钢结构具有十分显著的优越性，对钢结构设计也带来了一些新问题。

1.柱距由12m为基本模数发展到以18m、24m为基本柱距。

2.屋面采用压型钢板后，坡度为1/10~l/2。。宝钢工程单坡屋面最长达87m。

3.当采用压型钢板后，屋架间距多数为10m一20m，此时可采用独立擦条或二合一擦条。当屋架间距超过20m后，宜采用纵横方向的次析架。

4.屋架一般采用人字型，上下弦可以是平行的，也可以具有不同的坡度。有时可以将下弦跨中部分设计成水平段。

5.柱肢采用轧制H型钢，格架式柱的腹杆采用轧制T型钢。

6.吊车起重量大的重级工作制吊车梁采用焊接工字形截面，当跨度超过20m、吊车起重量又不大时，除夹钳等吊车外，可采用焊接吊车析架，对跨度较大或吊车较重且下部净空有要求时，宜设计成焊接箱形截面。

7.设计中需要注意的问题

(1)屋架水平支撑析架各有关杆件在风及其他荷载作用下产生的内力，在采用轻屋面的高大厂房中更不可忽视，如兼作横向水平支撑析架的屋架弦杆在柱顶剪力和风载作用下所产生的附加内力可达到屋架本身内力的50%左右。

(2)排架分析中柱顶水平剪力对屋架杆件内力的影响。

(3)吊车梁在吊车轮压偏心作用下，制动析架腹杆的实际内力将比仅按制动力计算的理论值增加30%一50%，弦杆增加20%。

(4)吊车梁腹板上部弯曲应力很大，有时能超过钢材的屈服强度。

(二)轻型厂房铜结构如深圳的雪柜厂主要厂房，面积为17647m2，土建要求10个月完成，柱网为18mx巧m，外围柱距为gm，采用钢筋硷柱，内柱采用H型钢。屋面梁及托梁均采用H型钢，攘条用18a槽钢gm跨连续核条，屋面采用压型钢板。由于采用了H型钢作柱、梁，槽钢作核条，钢结构制作和安装非常简单，厂房屋盖仅三个半月基本完成。

(三)飞机库飞机库由于跨度大，屋盖结构主要是钢结构，网架是常用的结构形式。如咸阳民航机库跨度为5组m，长为招m，屋盖采用变高度两向正交斜放直接焊接钢管节点网架。

呼和浩特民航机库则采用预应力斜拉屋盖，跨度为42m，两个边跨各为9.5m，柱距为9m，总长“m，屋面梁底标高为13m。屋面采用大型屋面板。屋面梁下悬挂有Zt电动单梁吊1台，屋盖采用预应力斜拉素体系。主梁由四个角钢组成组合截面，预应力束为高强平行钢丝束。塔柱为钢筋硷构件。与42m梯形析架方案比较，有下列优点:

1.高强度斜拉素为42m跨主梁提供了2个中间支点，减小了梁的高度(h=lm)，屋盖

钢材可节省20%。

2.因梁高由4m降至lm，节约了围护结构。

三、大跨度公共建筑屋盖结构

(一)石景山体育馆网壳且益结构

石景山体育馆屋盖平面呈三角形，边长gg.7m。整个屋盖结构由3组(6根)与水平面呈26059‘夹角的钢梁及三块四边形双层双曲钢网壳组合而成。6根钢梁与屋脊的顶环梁连接，每块网壳周边支承于钢梁及钢筋硷边梁上。屋盖的三个角均悬挑出建筑外墙13.35m。整个屋盖覆盖面积为430弓mZ。三块网壳覆盖面积为3753m“。结构新颖，受力明确，耗钢少，在国内尚属首次采用。三叉形空间框架由三组与水平面呈26“59‘夹角的钢梁组成，是屋盖系统的主要承重结构，钢梁设计成上窄下宽，梁高2800mm。网壳硷边梁做成槽形以加大侧向刚度与网壳边析架共同工作。

(二)朝阳体育馆组合索网且益结构

朝阳体育馆屋盖结构由两片预应力索网组成，索网悬挂在中央索拱结构和外侧的边缘构件之间。中央索拱结构由两条悬索和两个格架式的钢拱组成;索和拱的轴线均为平面抛物线，分别布置在互相对称的四角斜平面内，通过水平和竖向连杆两两相连，构成鞍形索网分列于中央索拱结构的两侧，以格架式钢拱和外缘的钢筋硷边拱作为边缘构件。钢筋硷边拱的轴线也是位于斜平面的抛物线，边拱本身通过一系列短柱支承于看合框架上。屋盖之间的轴线尺寸是:两抛物线边拱顶点之间的距离为66m，边拱两端点之间的跨距为78m。索网基本尺寸为3mX3m。

中央拱体系是屋盖的主要承重结构，它承受由索网传来的以及作用本身范围内的总计超过二分之一的屋盖荷载。钢拱的跨度为57m，而悬索的跨度为59m。悬索锚定于三角墙鲍顶部。钢拱截面为等腰三角形的立体格架式结构，其上下弦和腹杆均为钢管，上下弦节点长度均为3m，正好与索网的格架配合。钢拱两端设计成嵌固支座。

四、如何在建筑工程中发展钢结构技术

(一)发展现代栩结构中的靳理论、新形式和析材料

1.发展张力结构体系张力结构体系指承重结构的大部分杆件或膜面承受拉力，小部分以受轴压力或弯矩为主。最经济合理的结构体系将具有最多数量的轴拉杆件和最小数量并且长度不大的轴压杆件。张力结构体系包括:悬索结构(包括索网结构和索析架结构)，吊挂结构，薄膜结构，充气结构。

2.广泛采用预应力技术在钢筋硷结构中，我国已广泛应用了预应力技术，但在钢结构中还很少应用，应组织力量研究并进行试点工程。

3.发展新的钢材品种包括(1)高强钢材:如低合金钢、热处理钢、冷拔钢等，(2)经济断面型钢:如H型钢、T型钢、轻型薄壁型钢、冷弯型钢、.异形型钢，(3)压型钢板，(4)铝合金材料。

4.发展钢与硷组合结构

(1)以钢结构为骨架，外包钢筋硷，这种组合结构已用于超高层钢结构中。

(2)钢管硷结构，已用于单层工业厂房及地铁站合等工程中。

(3)钢与硷组合梁是在钢梁上加剪力键后浇捣硷楼板，使钢梁与硷共同工作。

(二)在政策方面对采用铜结构不能限制过严

要因地因时制宜，不能单纯看造价，要看总的投资效益。在合资企业和特区等的一些企业中，为了尽快发挥投资的效益，要求尽快建成投产，采用钢结构虽然造价高一些，但从总的投资效益考虑还是合算的。

(三)一以自力，生为主发展栩结构

1.我国的高层建筑钢结构已建和在建的已有11幢，其设计工作主要由国外或国内外合作进行，其制作与安装分别由国外或国内承包，其中由国外总承包的也有不少分包给国内承担。·通过这些高层钢结构的建设，我国在设计、制作、安装方面已积累了一定的经验。从我国自行制作安装的高层钢结构来看，施工质t是好的，能满足施工规范的要求，井得到国外专家的赞许。因此，今后应立足于国内，自行设计、制作、安装高层钢结构，不必再完全依赖国外。

2.在高层钢结构中，还有一些I’m题需要研究解决。如选择和创造适合我国国情的结构体系，地跳区直接动力分析法—时程法的研究应用，梁柱节点连接性能的研究，组合楼板的研究应用。在制作方面，厚钢板焊接工艺要求高，因此对焊接收缩变形，残余应力要进行研究。在安装方面，对安装焊接收缩量以及日照温差的影响等均应进行研究。

3.在工业厂房中也有一些问题需要研究，如现代钢厂的厂房，其高度、跨度、吊车起重t都很大，因此对经济合理的基本柱距，屋盖结构的合理型式，厂房骨架的空间工作，吊车梁的工作机理及节点的工作性能等要进行研究。

4.高层钢结构所需钢材是发展钢结构中的一个主要问题。A3和16Mn等钢材，我国基本上都能生产，但供货规格不全、又不及时，往往不能满足施工进度的要求。此外，还不能生产H型钢和T型钢，厚板材质尚需进一步提高。因此，在我国建设的一些高层钢结构有不少是从国外进口钢材。H型钢和T型钢能节省大量的制作工作量，这不但高层钢结构需要，工业厂房等也需要，应尽快由国内生产供应。高层钢结构所需配套材料，如玻瑞幕墙，防火涂料等也要立足于国内生产。