李冠東

0 引言

高層建筑結構部分是影響高層建筑安全與穩(wěn)定的基礎，鋼結構是現(xiàn)代建筑中常用的結構類型。選擇鋼結構可以有效減少高層建筑的自重，進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。鑒于鋼結構的優(yōu)勢，具體的高層建筑施工中，需要合理應用高層建筑施工技術。具體的應用中，鋼結構體系梁柱的連接節(jié)點設計問題是影響鋼結構應用質量的關鍵?；诖?，本文對高層建筑鋼結構施工技術展開分析，再詳細地對鋼結構體系梁柱的連接節(jié)點設計展開探討，具體內容如下。

1 高層建筑鋼結構優(yōu)劣分析

鋼結構是由鋼板、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。高層建筑鋼結構的應用，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，在實際應用中，鋼結構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，由于鋼結構的熱傳導率較高，會降低鋼結構的彈性及強度。如果出現(xiàn)火災，鋼結構的強度會降低30%，嚴重影響高層鋼結構的安全性。

結合鋼結構本身的性能將其應用于高層建筑施工中，可以提高鋼結構施工效率，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構的焊接、連接等問題，降低焊接斷裂及連接不穩(wěn)等問題的出現(xiàn)，對進一步提高建筑鋼結構的綜合施工水平有促進作用。

2 高層建筑鋼結構施工技術應用

2.1 鋼結構焊接技術

鋼結構的連接形式有多種方法。在實際應用中，要根據(jù)不同的材料，對焊縫表面進行預處理，以保證焊縫表面符合要求。首先是結構，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行。在高層建筑鋼結構的焊接中，必須對焊縫進行嚴格的檢查，以保證其質量符合要求。一般采用非破壞性技術對鋼結構進行焊接，以防止焊接缺陷的產(chǎn)生。此外，在進行焊接時，應加強對鋼材材質的檢測，防止因焊接而造成的裂紋，從而保證鋼結構的安全和穩(wěn)定。

2.2 吊裝施工技術

在鋼結構工程中，吊裝是一項必不可少的技術。主要采用大型起重設備進行吊裝，并對高層建筑的施工條件、結構形式、立面形狀等進行了詳盡的介紹。根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)，對起重作業(yè)區(qū)域進行了分區(qū)，并確定了合適的起重方案，進行了鋼結構的吊裝：（1）鋼柱的吊裝。第一節(jié)鋼柱吊裝時，必須在預埋地腳螺栓處安裝防護套，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，必須嚴格控制起重的速度，防止超速，保證鋼梁的豎直。在鋼柱到達安裝位置后，先擰緊臨時連接板上的高強度螺栓，以提高力矩。校正完畢后，對齊高度進行校正，保證誤差在容許范圍之內，若有較大的誤差，可分成若干次，最后的控制偏差應在±2 mm 以內[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，保證鋼結構的安全、穩(wěn)定，并能降低工程造價。

2.3 鋼結構測量技術

鋼構施工測量是一項高精度的工作，在工程測量中應仔細設置參考點、參考網(wǎng)絡、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。在工程施工中，塔式起重機是工程測量技術的關鍵。在選用塔吊時，內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構[2]。

2.4 鋼結構的安裝工藝和施工技術

2.4.1 鋼結構的安裝工藝

在高層建筑鋼結構施工中，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，除確保各構件的剛性外，還應確保吊車在攀爬時的穩(wěn)定。因此，在進行高層建筑立面施工時，應考慮到三點：（1）吊車的工作特性應符合在這一流水區(qū)段中最重的物件；（2）吊車的爬高必須達到下一節(jié)流水段構件的高度：（3）每節(jié)流水段內立柱的長度必須能夠滿足構件制造和搬運堆放的要求。

2.4.2 鋼結構施工技術

（1）特殊鋼結構安裝。特殊鋼結構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。特殊鋼結構在整個工程建設中扮演著舉足輕重的角色。在不同的工程項目中，特殊鋼結構通常都是不一樣的，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。由于這種結構的重量較重，大型吊車很難接近起重，因此通常采取“地面拼裝，整體提升”的施工技術與技術。針對起重設備，一般選用鋼絲繩式液壓起重設備，特別是吊裝距離大、噸位大的起重機，采用這種設備及施工技術，具有很好的安全性和可操作性[3]。

3 鋼結構體系梁柱的連接節(jié)點設計

3.1 改進型高層建筑鋼結構梁柱節(jié)點足尺試驗設計

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

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

3.2 梁端加強型節(jié)點設計

梁端加強節(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；二來會貶低學生，認為他們太差勁，連認真上課都做不到。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)的外側形成塑性鉸，從而減小了梁下翼緣對接焊縫的應力。加腋節(jié)點一般為三角形肋骨，采用 H 型鋼或工字鋼進行切削。這種結構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，令蓋板外側較弱的截面在梁根部之前進入塑性，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計要求，合理的設計方案可以確保塑性鉸的位置，并提出了在梁端與梁端結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構，使得結構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構的剛度降低”，而實際上，由于梁的弱化而導致的結構剛度下降很少，如果將翼緣減半，則會導致結構的剛度下降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，強度降低在6%以下。通過實驗和資料的分析，綜合考慮了結構的延性、強度、剛度等各項重要指標，得出了一種新型的狗骨型連接梁翼緣結構的弱化設計方法。

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)點前形成塑性機制，從而防止梁柱結合處發(fā)生脆性斷裂。腹板開孔結構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，并未造成強度和剛度的大幅度下降。

3.4 帶側板的鋼節(jié)點設計

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，對節(jié)點進行了簡單的修改，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。由于這種結構具有兩種獨特的創(chuàng)新：梁端與柱翼緣分離，采用了全水平側板。梁柱間的物理隔離可以改進傳統(tǒng)節(jié)點傳遞力的途徑，消除三軸應力集中，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板，梁翼緣間接利用加強板和柱子相連。蓋板式連接節(jié)點的好處在于其構造簡單，受力明確。且當遭受中強震時，螺栓會產(chǎn)生滑動，進而減小節(jié)點連接剛度，以此來耗散能量，加強構件延性，最終翼緣板屈服。

4 鋼結構施工中的問題分析

在實際工程中，鋼結構施工中存在一些問題，嚴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：

鋼結構材料的選擇。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，從而影響到鋼結構的穩(wěn)定性；

鋼結構需具有較好的防火性能，以防止火災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。焊接問題直接關系到鋼結構的質量和安全，如果出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，將導致鋼結構的承載力降低，從而導致安全事故。因此，應根據(jù)焊接情況選用有效的 IR 技術，對焊縫進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不正常部位，應立即進行相應的處理；

連接節(jié)點的設計。在進行連接節(jié)點的設計時需要與鋼結構的內力分析相結合，并保障結構分析模型和連接節(jié)點的設計相符。設計需要保障傳力的直接和連續(xù)，并強化對破壞順序的控制，避免對鋼結構整體造成不利影響。

5 結語

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