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1、第第7章章 高层钢结构建筑施工高层钢结构建筑施工 教学提示：随着大城市的人口高度密集，城市建筑逐渐向高空发展，高层和超高层建筑迅速出现。有着综合优势的钢结构已经成为我国高层建筑的主要结构类型，钢结构建筑被称为21世纪的“绿色工程”。 教学要求：本章让学生了解钢结构高层建筑工程关于结构体系、结构用钢材、结构的连接技术、构件制作、结构安装及结构的防腐与防火等等几大方面的内容。重点让学生掌握钢结构高层建筑钢材的选用、零件不同的加工方式、结构安装的顺序和施工要点、构件制作和结构安装的焊接及螺栓连接的施工工艺、钢结构防腐和防火的涂装工艺。 钢结构由于强度高，自重轻，塑性、韧性，抗震性能钢结构由于强度高，
2、自重轻，塑性、韧性，抗震性能好，工业化程度高，施工周期短，环境污染少，建筑好，工业化程度高，施工周期短，环境污染少，建筑造型美观等综合优势，在发达国家和地区的高层、超造型美观等综合优势，在发达国家和地区的高层、超高层建筑中广泛应用。现代建筑全钢结构包括屋盖钢高层建筑中广泛应用。现代建筑全钢结构包括屋盖钢结构和现代高层钢结构。钢结构建筑的发展是一个国结构和现代高层钢结构。钢结构建筑的发展是一个国家和地区经济繁荣、科技进步的重要标志。家和地区经济繁荣、科技进步的重要标志。 澳大利亚、英国、加拿大、日本、美国、芬兰、法国、澳大利亚、英国、加拿大、日本、美国、芬兰、法国、瑞典、丹麦等国家，均已形成了相
3、当规模的产业化钢瑞典、丹麦等国家，均已形成了相当规模的产业化钢结构建筑体系。美国高层房屋结构中超过一半使用了结构建筑体系。美国高层房屋结构中超过一半使用了钢结构。日本有钢结构。日本有1/3的房屋使用钢结构。我国高层及的房屋使用钢结构。我国高层及超高层建筑采用钢结构也越来越多，北京、上海、广超高层建筑采用钢结构也越来越多，北京、上海、广州、深圳等地区已陆续建造了数十幢钢结构高层建筑。州、深圳等地区已陆续建造了数十幢钢结构高层建筑。 目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、框架体系、框架-支撑支撑 (剪力墙剪力墙 )结构体系、错层桁架结构体
4、结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图7.5所示。所示。7.1 钢结构高层建筑的结构体系钢结构高层建筑的结构体系(a)框架；(b)框架-支撑；(c)框架-支撑-腰(帽)桁架；(d)错列桁架；(e)开口筒；(f)框筒；(g)桁架筒；(h)筒中筒；(i)筒束图7.5 高层钢结构主要结构形式 框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构，承受作用于各个平面的荷载。框架结构杆系结构，承受作用
5、于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支撑，可以形成较大的空间，为在垂直平面上不设支撑，可以形成较大的空间，为平面布置提供了最大的灵活性，结构平面形式图平面布置提供了最大的灵活性，结构平面形式图7.6图 7.6 框架结构体系的平面形式 7.1.1 框架一支撑框架一支撑 (剪力墙剪力墙)结构体系结构体系 高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水平位移在规定的限值范围内，纯框架结构体系到的水平位移在规定的限值范围内，纯框架结构体系到达一定高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，达一定高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，通过在框架结
6、构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙通过在框架结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水平剪力，即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大平剪力，即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移，这种结构型式一般称之为框架减少水平位移，这种结构型式一般称之为框架-支撑支撑结构，其类型如图结构，其类型如图7.7(a)、(b)所示。所示。 图 7.7 由交叉支撑组成的框架-支撑结构体系 7.1.2 错列桁架结构体系错列桁架结构体系 由框架由框架-支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁支撑结构派生演变成。其特点是下一
7、楼层的桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁架呈楼层桁架呈“品品”字形交错排列。此结构的楼板架设字形交错排列。此结构的楼板架设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于与桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻每层桁架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦。可以使水平力传至基础。这种结构适用桁架的上弦。可以使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高
8、层于公寓、旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高层建筑，短边刚度往往较小，而短边方向的风载又较大。建筑，短边刚度往往较小，而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点是短边刚度较大，容易满足以上错列桁架结构的优点是短边刚度较大，容易满足以上设计要求，而且此结构的经济效果非常突出，其用钢设计要求，而且此结构的经济效果非常突出，其用钢量比框筒结构低量比框筒结构低40%。 7.1.3 外筒式结构体系外筒式结构体系 外筒式结构体系如图外筒式结构体系如图 7.5(e)、(f)、(g)所示，有开口筒、所示，有开口筒、框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过60层后，层后，水
9、平荷载作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有水平荷载作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架-核心核心筒结构的内筒平面尺寸较小，其侧向刚度受到限制，筒结构的内筒平面尺寸较小，其侧向刚度受到限制，所以有时把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽，长所以有时把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽，长边则在中间断开，在平面两端形成槽形悬臂构件，称边则在中间断开，在平面两端形成槽形悬臂构件，称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长，中间可为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长，中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此再
10、加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其抗水平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖抗水平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖梁跨度较大，可建到梁跨度较大，可建到70层。层。 7.1.4 筒体结构体系筒体结构体系 筒体结构体系如图筒体结构体系如图7.5(h)、(i)所示，主要有筒中筒、筒所示，主要有筒中筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核
11、心内筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展的核心内筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形成一个整体，共同承受水平荷载和盖结构连接起来形成一个整体，共同承受水平荷载和竖直荷载，可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参竖直荷载，可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力，框筒的剪力泄后现象得到改善，其合适与抵抗侧力，框筒的剪力泄后现象得到改善，其合适高度也可达到高度也可达到100层左右。层左右。 筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，再到筒束结构体筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，再到筒束结构体系。
12、此体系合适高度约为系。此体系合适高度约为110120层，如采用桁架式层，如采用桁架式筒束结构体系，有可能把合适高度提高到筒束结构体系，有可能把合适高度提高到140层以上。层以上。 结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的98%或或更高，但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小更高，但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小的其他元素，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢的其他元素，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢化学成分的微量变化，会直接影响钢材的机械性能、化学成分的微量变化，会直接影响钢材的机械性能、加工性能和使用性能。有时为获得更高的强度和韧性，加工性能和
13、使用性能。有时为获得更高的强度和韧性，必须加入少量其他元素，特别是碳和锰。对于焊接结必须加入少量其他元素，特别是碳和锰。对于焊接结构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可焊性都是主构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可焊性都是主要指标，对碳、磷极限含量都严格控制，防止热脆和要指标，对碳、磷极限含量都严格控制，防止热脆和冷脆等。冷脆等。 7.2 钢结构用钢材钢结构用钢材 7.2.1 结构用钢材的种类结构用钢材的种类 钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢材按其化学元素组成，主要有以下几类：材按其化学元素组成，主要有以下几类： 1. 碳素结构钢碳素结
14、构钢 碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表7-2。其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种。其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种。碳素结构钢低碳钢中碳钢高碳钢含碳量0.03%0.25%0.26%0.60%0.61%2%表 7-2 碳素结构钢的含碳量 碳素结构钢可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 （1）普通碳
15、素结构钢）普通碳素结构钢(GB/T700-2006) 根据现行的国家标准碳素结构钢根据现行的国家标准碳素结构钢(GB/T700-2006)的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值屈服点数值(N/mm2)、质量等级代号、质量等级代号(A、B、C、D)、脱氧方法代号脱氧方法代号(F、 Z、TZ)等四个部分符号按顺序组成。等四个部分符号按顺序组成。Q是是“屈屈”字汉语拼音的首位字母；质量等级中字汉语拼音的首位字母；质量等级中A级最级最差，差，D级最优；级最优；F、b、Z、TZ则分别是则分别是“沸沸”、“镇镇”及及“特镇特镇”汉语拼音的首位
16、字母，分别代表沸腾钢、汉语拼音的首位字母，分别代表沸腾钢、镇静钢及特殊镇静钢镇静钢及特殊镇静钢 (表示脱氧程度不同表示脱氧程度不同 )。其中代号。其中代号Z、TZ可以省略。如：可以省略。如：Q235-A.F表示屈服点为表示屈服点为235N/mm2的的A级沸腾碳素结构钢。级沸腾碳素结构钢。Q235-D表示屈服表示屈服点为点为235N/mm2的的D级特殊镇静碳素结构钢。级特殊镇静碳素结构钢。 （2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢(GB699-2015) 优质碳素结构钢是用以满足不同加工要求而赋予相应优质碳素结构钢是用以满足不同加工要求而赋予相应性能的碳素钢，是碳素钢经过热处理（如调质处理和性能的碳素钢，是碳素钢经过热处理（如调质处理和正火处理）得到的优质钢。按优质碳素结构钢技术正火处理）得到的优质钢。按优质碳素结构钢技术条件条件(GB699-2015)的规定，共有的规定，共有28个品种，根据其个品种，根据其含锰量的不同分为四种：含锰量的不同分为四种：0.35%0.65%；0.5%0.8%，0.7%1.0%，0.9%1.2%。优质碳素钢与普。优质碳素钢与普通碳素钢的主要区别在于钢中含杂质元素
