李冠東

0 引言

高層建筑結(jié)構(gòu)部分是影響高層建筑安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)，鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑中常用的結(jié)構(gòu)類型。選擇鋼結(jié)構(gòu)可以有效減少高層建筑的自重，進(jìn)而提升高層建筑抗震等級。而且，鋼材料具有良好的韌性和塑性，可增加高層建筑的荷載能力，提升高層建筑的穩(wěn)定性。鑒于鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，具體的高層建筑施工中，需要合理應(yīng)用高層建筑施工技術(shù)。具體的應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)體系梁柱的連接節(jié)點設(shè)計問題是影響鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用質(zhì)量的關(guān)鍵?；诖?，本文對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)展開分析，再詳細(xì)地對鋼結(jié)構(gòu)體系梁柱的連接節(jié)點設(shè)計展開探討，具體內(nèi)容如下。

1 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)劣分析

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、熱軋鋼板和薄壁型鋼等材料組成，在跨度大、載荷大的構(gòu)件中，抗拉、抗壓及延展性等可滿足高層建筑施工需求。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，具有回收效率高、節(jié)能、施工周期短、抗震性能好等優(yōu)點。但是，在實際應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)的焊接處極容易出現(xiàn)安全隱患。而且，在溫度升高的情況下，由于鋼結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)率較高，會降低鋼結(jié)構(gòu)的彈性及強(qiáng)度。如果出現(xiàn)火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會降低30%，嚴(yán)重影響高層鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)本身的性能將其應(yīng)用于高層建筑施工中，可以提高鋼結(jié)構(gòu)施工效率，并降低工程施工成本。但是，在實際施工過程中仍需要考慮鋼結(jié)構(gòu)的焊接、連接等問題，降低焊接斷裂及連接不穩(wěn)等問題的出現(xiàn)，對進(jìn)一步提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的綜合施工水平有促進(jìn)作用。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用

2.1 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)的連接形式有多種方法。在實際應(yīng)用中，要根據(jù)不同的材料，對焊縫表面進(jìn)行預(yù)處理，以保證焊縫表面符合要求。首先是結(jié)構(gòu)，然后是節(jié)點，最后是整體的展開。焊接工作的重點是橫梁、鋼板支架等，其焊接工藝是沿垂直方向向上進(jìn)行。在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接中，必須對焊縫進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，以保證其質(zhì)量符合要求。一般采用非破壞性技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，以防止焊接缺陷的產(chǎn)生。此外，在進(jìn)行焊接時，應(yīng)加強(qiáng)對鋼材材質(zhì)的檢測，防止因焊接而造成的裂紋，從而保證鋼結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

2.2 吊裝施工技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)工程中，吊裝是一項必不可少的技術(shù)。主要采用大型起重設(shè)備進(jìn)行吊裝，并對高層建筑的施工條件、結(jié)構(gòu)形式、立面形狀等進(jìn)行了詳盡的介紹。根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)，對起重作業(yè)區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)，并確定了合適的起重方案，進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)的吊裝：（1）鋼柱的吊裝。第一節(jié)鋼柱吊裝時，必須在預(yù)埋地腳螺栓處安裝防護(hù)套，以防止在吊裝時發(fā)生沖撞，使錨桿失去作用。在起重過程中，必須嚴(yán)格控制起重的速度，防止超速，保證鋼梁的豎直。在鋼柱到達(dá)安裝位置后，先擰緊臨時連接板上的高強(qiáng)度螺栓，以提高力矩。校正完畢后，對齊高度進(jìn)行校正，保證誤差在容許范圍之內(nèi)，若有較大的誤差，可分成若干次，最后的控制偏差應(yīng)在±2 mm 以內(nèi)[1]。（2）牛腿。建筑工藝在實際工程中，采用兩端套管接頭的方法，不僅需要很高的施工工藝，而且很容易發(fā)生接頭誤差。如果采用搭接方法，不僅會造成大量的鋼材損耗，而且會增加工程造價。根據(jù)以上兩種方案，采用雙頭牛腿，將鋼筋兩端焊于牛腿，使其承受外力的傳遞，保證鋼結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，并能降低工程造價。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)測量技術(shù)

鋼構(gòu)施工測量是一項高精度的工作，在工程測量中應(yīng)仔細(xì)設(shè)置參考點、參考網(wǎng)絡(luò)、校驗方法、數(shù)據(jù)傳輸路徑等。塔吊的選型、吊裝、測控、施工安全等是目前常用的測試技術(shù)。在工程施工中，塔式起重機(jī)是工程測量技術(shù)的關(guān)鍵。在選用塔吊時，內(nèi)攀爬式塔吊比附著式塔吊更節(jié)省造價，因而被廣泛用于高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)[2]。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)的安裝工藝和施工技術(shù)

2.4.1 鋼結(jié)構(gòu)的安裝工藝

在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中，因吊裝、制造等原因，將其分為不同的部分，通常采用鋼柱分段來劃分。在高層建筑的吊裝作業(yè)中，除確保各構(gòu)件的剛性外，還應(yīng)確保吊車在攀爬時的穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行高層建筑立面施工時，應(yīng)考慮到三點：（1）吊車的工作特性應(yīng)符合在這一流水區(qū)段中最重的物件；（2）吊車的爬高必須達(dá)到下一節(jié)流水段構(gòu)件的高度：（3）每節(jié)流水段內(nèi)立柱的長度必須能夠滿足構(gòu)件制造和搬運堆放的要求。

2.4.2 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

（1）特殊鋼結(jié)構(gòu)安裝。特殊鋼結(jié)構(gòu)往往以組合的方式出現(xiàn)，其體積大、重量大，其連接方式多種多樣，對連接的要求也很高。特殊鋼結(jié)構(gòu)在整個工程建設(shè)中扮演著舉足輕重的角色。在不同的工程項目中，特殊鋼結(jié)構(gòu)通常都是不一樣的，所以，在特殊的情況下，不可能建立起一套完整的安裝技術(shù)和安裝方式，這也是目前我國高層建筑施工的一個難題。

（2）外展式桁架與天橋的施工方式。由于這種結(jié)構(gòu)的重量較重，大型吊車很難接近起重，因此通常采取“地面拼裝，整體提升”的施工技術(shù)與技術(shù)。針對起重設(shè)備，一般選用鋼絲繩式液壓起重設(shè)備，特別是吊裝距離大、噸位大的起重機(jī)，采用這種設(shè)備及施工技術(shù)，具有很好的安全性和可操作性[3]。

3 鋼結(jié)構(gòu)體系梁柱的連接節(jié)點設(shè)計

3.1 改進(jìn)型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點足尺試驗設(shè)計

在設(shè)計時要運用合理化方法積極開展高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點足尺試驗構(gòu)件的設(shè)計工作，因此，在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點足尺試驗分析中，要對連接梯形加寬擴(kuò)翼節(jié)點進(jìn)行合理設(shè)計，對于柱子的高度、內(nèi)隔板的厚度、箱形橫截面、長度、梁截面、節(jié)點處端面的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效計算，明確技術(shù)要求，并對梁端強(qiáng)化-螺栓全拼接節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化，從而提高節(jié)點設(shè)計效果。

為了提高試驗的質(zhì)量和水平，保障試驗的安全，需要對試驗應(yīng)用的裝置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，使得試驗的質(zhì)量和水平達(dá)到有效狀態(tài)。具體來講，第一，明確T 字形結(jié)構(gòu)；第二，對鋼結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行模擬，重點對梁的反彎點位置進(jìn)行有效計算；第三，將試驗應(yīng)用的試件豎直放置，將應(yīng)用的柱子設(shè)置為半圓形的弧形軸并放置在槽內(nèi)，應(yīng)用合理化的方式對于柱底進(jìn)行水平支撐，保持柱底具有良好的穩(wěn)定性，避免其受到負(fù)荷影響從槽內(nèi)滑出；第四，進(jìn)行材料性質(zhì)的科學(xué)試驗，對于試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象、應(yīng)變變化規(guī)律、滯回曲線和骨架曲線、梁總轉(zhuǎn)角和塑性轉(zhuǎn)角、節(jié)點域轉(zhuǎn)動能力、梁的變形等方面進(jìn)行有效分析，提高試驗的質(zhì)量和水平。

3.2 梁端加強(qiáng)型節(jié)點設(shè)計

梁端加強(qiáng)節(jié)點采用加腋、蓋板等方法加固節(jié)點，利用節(jié)點的受力比其他部分大，從而將塑性鉸推到梁上。

面對學(xué)生的這些問題，一年前的我，一來會自我貶低，覺得自己怎么這么沒用，小小一個班級都管理不好；二來會貶低學(xué)生，認(rèn)為他們太差勁，連認(rèn)真上課都做不到。為了釋放心中壓抑的情緒，我可能會在班里用惡狠狠的話語罵上一通?？梢韵胂?，我的臉色極其難看，聲音相當(dāng)刺耳，沒經(jīng)過理性思考說出來的話十分難聽，整個人成了“惡魔”的代言人。

3.2.1 梁端加腋節(jié)點

梁端加腋式節(jié)點通過加腋的方式增大了鋼管接頭的有效截面高度，從而在梁腋區(qū)的外側(cè)形成塑性鉸，從而減小了梁下翼緣對接焊縫的應(yīng)力。加腋節(jié)點一般為三角形肋骨，采用 H 型鋼或工字鋼進(jìn)行切削。這種結(jié)構(gòu)的延性滿足梁柱的剛度要求，而塑性鉸出現(xiàn)在梁翼緣寬度為加腋末端的一倍左右。梁端加肋節(jié)點具有較好的抗震性能，常用于加固。但它的加腋點和翼緣焊接在梁下，作業(yè)空間很小，增加了施工的難度，所以施工人員一般不會選擇這樣的方法。另外，加腋對室內(nèi)空間的空間和美感也有一定的影響，因此受到了更多的約束[5]。

3.2.2 梁端加蓋板型節(jié)點

梁端加蓋式連接件通過在梁端處焊接蓋板，以增大梁根截面的截面抗彎矩，令蓋板外側(cè)較弱的截面在梁根部之前進(jìn)入塑性，使塑性鉸在梁間成形。通過對蓋板式梁柱的連接實驗，發(fā)現(xiàn)梁端加蓋板式節(jié)點可以滿足鋼框架塑性鉸外移的設(shè)計要求，合理的設(shè)計方案可以確保塑性鉸的位置，并提出了在梁端與梁端結(jié)合的梁端加蓋板型節(jié)點不會降低小梁的承載力，且在多層住宅中使用時不會影響房屋的美觀。

3.3 削弱梁截面型節(jié)點設(shè)計

弱化梁截面節(jié)點是利用減少梁端梁和柱節(jié)點附近梁的截面面積，使得受弱化部分的承載力比梁端節(jié)點的承載力低，從而在大地震時梁柱的薄弱部位先形成塑性鉸，從而防止節(jié)點出現(xiàn)脆性斷裂。

3.3.1 狗骨型節(jié)點

利用靠近節(jié)點的梁和梁的邊緣來削弱結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)在地震中弱化形成塑性鉸鏈，就像是熔斷器一樣，從而防止了延性不強(qiáng)的梁柱連接出現(xiàn)脆性斷裂。狗骨型節(jié)點給人的感覺是“因為削弱了梁截面必然使結(jié)構(gòu)的剛度降低”，而實際上，由于梁的弱化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剛度下降很少，如果將翼緣減半，則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度下降6%～7%；如果減少40%，則會減少4%～5%[6]。

從實驗的觀點來看，這種新型的梁-柱節(jié)點具有良好的穩(wěn)定性和抗震性能，并且具有很低的塑性變形能力，也就是能量消耗。與常規(guī)節(jié)點相比，剛性降低在5%以下，強(qiáng)度降低在6%以下。通過實驗和資料的分析，綜合考慮了結(jié)構(gòu)的延性、強(qiáng)度、剛度等各項重要指標(biāo)，得出了一種新型的狗骨型連接梁翼緣結(jié)構(gòu)的弱化設(shè)計方法。

狗骨節(jié)點具有良好的延性和減震能力，在加工節(jié)點零件時，需要對圓弧進(jìn)行精確的切割，切割面要平滑，沒有尖銳的棱角。

3.3.2 腹板削弱型節(jié)點

利用弱化梁截面，使相鄰節(jié)點的受力小于節(jié)點，而非節(jié)點區(qū)之外的薄弱部分則在節(jié)點前形成塑性機(jī)制，從而防止梁柱結(jié)合處發(fā)生脆性斷裂。腹板開孔結(jié)構(gòu)的失效形式為梁翼緣和腹板的局部變形，其延性破壞符合抗震設(shè)計的要求，并且與常規(guī)試驗相比，有效減小試件的承載力下降，并且二者的滯回曲線基本一致，并未造成強(qiáng)度和剛度的大幅度下降。

3.4 帶側(cè)板的鋼節(jié)點設(shè)計

總之，將梁柱的塑性鉸從梁端向梁端移動，通常有兩種方法：一是在梁端增加蓋板、肋骨、梁腋，加強(qiáng)梁柱的節(jié)點，并減弱梁的截面（即狗骨和梁腹板的弱化）。這些節(jié)點都是以前北嶺地震的節(jié)點為基礎(chǔ)，對節(jié)點進(jìn)行了簡單的修改，將其命名為“北嶺后前北嶺地震節(jié)點”。采用側(cè)板鋼節(jié)點，一方面可以將塑性鉸從梁-柱間的連接點向梁傳遞，同時也解決了傳統(tǒng)的兩個傳統(tǒng)問題。由于這種結(jié)構(gòu)具有兩種獨特的創(chuàng)新：梁端與柱翼緣分離，采用了全水平側(cè)板。梁柱間的物理隔離可以改進(jìn)傳統(tǒng)節(jié)點傳遞力的途徑，消除三軸應(yīng)力集中，有效地防止了柱翼緣撕裂破壞；采用全高邊框，可以有效加強(qiáng)節(jié)點的中心剛性，并將塑性鉸接在梁上[7]。

3.5 蓋板式連接節(jié)點

該類節(jié)點則在梁的上下翼緣再焊接加強(qiáng)板，梁翼緣間接利用加強(qiáng)板和柱子相連。蓋板式連接節(jié)點的好處在于其構(gòu)造簡單，受力明確。且當(dāng)遭受中強(qiáng)震時，螺栓會產(chǎn)生滑動，進(jìn)而減小節(jié)點連接剛度，以此來耗散能量，加強(qiáng)構(gòu)件延性，最終翼緣板屈服。

4 鋼結(jié)構(gòu)施工中的問題分析

在實際工程中，鋼結(jié)構(gòu)施工中存在一些問題，嚴(yán)重地影響了施工費用和施工的安全性。因此，必須考慮以下幾方面：

鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇。鋼材必須具有優(yōu)良的防腐蝕、防銹能力，若選用的材質(zhì)不考慮其耐用性，那么在以后的使用過程中，將會產(chǎn)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象，從而影響到鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

鋼結(jié)構(gòu)需具有較好的防火性能，以防止火災(zāi)對高層建筑的安全產(chǎn)生影響，保證高層建筑的安全性；

在高層建筑中存在的焊接缺陷。焊接問題直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全，如果出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，將導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的承載力降低，從而導(dǎo)致安全事故。因此，應(yīng)根據(jù)焊接情況選用有效的 IR 技術(shù)，對焊縫進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常部位，應(yīng)立即進(jìn)行相應(yīng)的處理；

連接節(jié)點的設(shè)計。在進(jìn)行連接節(jié)點的設(shè)計時需要與鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析相結(jié)合，并保障結(jié)構(gòu)分析模型和連接節(jié)點的設(shè)計相符。設(shè)計需要保障傳力的直接和連續(xù)，并強(qiáng)化對破壞順序的控制，避免對鋼結(jié)構(gòu)整體造成不利影響。

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在我國正處于一個起步階段，國家政策的指導(dǎo)方向、高層建筑的大量興建等為鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展與應(yīng)用提供了非常廣闊的前景。我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展趨勢是：整體結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，且把可靠性作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終理念。