高层和大跨度钢结构的应用和发展
(12011***)
（******大学）
摘要：本文首先分析了我国钢结构发展的潜力，指出高层和大跨度为钢结构未来发展的主要方向，然后对高层和大跨度钢结构的特点、应用、以及发展特点做了综述，并且对钢结构的现代施工技术状况做了相关分析，最后展望了我国未来钢结构发展的广阔前景。 关键词：高层，大跨度，特点，施工技术 中文图书分类号：TU375.4 文献标识码: A
引言
由于钢结构体系具有自重轻,安装容易,施工周期短,抗震性能好,投资回收快,环境污染少,工程受损或报废后,钢材可再生利用等优点,所以钢结构的发展与应用从一定的程度上反映了一个国家的建筑发展水平,也反映了一个国家的综合经济实力。世界各国都在大力发展钢结构,原建设部总工程师姚兵同志曾指出:21世纪的建筑结构是金属结构的世纪。
我们国家钢产量已经连续5年超过亿吨,居世界领先地位,形成了供大于求的局面,这为钢结构的发展奠定了物质基础。国家为了适应经济建设的发展需要,对钢结构应用的政策也由原来的限制采用改为鼓励使用,这就为钢结构的应用创造了良好的政策氛围。同时钢结构的设计、施工技术也在不断革新,具备了大力发展钢结构的技术条件。业主也对建筑的功能和建造工期提出了更高的要求,钢结构是能够很好满足业主这种需求的一种结构形式,这说明钢结构有很大的市场和发展空间。从上述分析中看出,我国家已经具备了大规模发展钢结构的条件,所以我们国家做出了大力发展钢结构的规划，将高层钢结构、空间大跨钢结构、轻型钢结构、住宅钢结构和钢—混凝土结构作为钢结构的主要发展方向。
随着社会经济的飞速发展以及人民生
活水平提高，大跨度结构是经济和社会发展的中的重要需求。近二十年来结构工程所取得的巨大成就下，各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物，其中高层和大跨度钢结构是钢结构发展的重要方向，本文就高层和大跨度钢结构的应用和发展做一概述。
1.高层和大跨度钢结构的应用
钢结构本身具有自重轻、强度高、施工
快捷等突出优点，高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑，采用钢结构尤为理想。 1.1高层与超高层钢结构的应用
高层钢结构是钢结构应用的重要领域
[1]
,高层钢结构与混凝土高层结构相比具有
如下特点:(1)自重轻,截面小,可降低基础造价,室内有效面积大,与玻璃幕墙结合,建成现代感很强的建筑外形；（2)施工速度快、工业化程度高,可降低人工费用,增加建筑的投资回报率抗震性能较好,利于向高层、超高层发展；（3)绿色环保、可持续发展；(4)12~18层的高层钢结构造价基本与混凝土结构持平,综合造价可望低于混凝土结构。
高层钢结构主要应用在以下几个方面:(1)现代高层、超高层公共建筑,标志性建筑,商业中心；(2)星级饭店,旅馆；如:北京香格里拉饭店、长富宫饭店；(3)商用写字楼、综合楼、办公楼；(4)民用住宅、高层公寓。
民用住宅的开发与试点正在进行。
因而自1885年美国芝加哥建起第一座高55m的钢结构大楼以来，一幢幢高层、超高层钢结构建筑如雨后春笋一般拔地而起。目前已建成的钢建筑，如巴黎埃菲尔铁塔、东京的东京塔、美国芝加哥的西尔斯大厦、纽约的帝国大厦、香港中银大厦等，它们既是大都市的标志性建筑，又是建筑钢结构应用的代表性实例。1996年年马来西亚建成的高达450m的双塔石油大厦，也是纯钢结构的建筑。
为满足特殊功能或综合功能需求而设计的巨型钢结构，是高层或超高层建筑中一种崭新的体系，具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构功能，很有发展前景。日本千叶县的
NEC大楼（43层，180m高）、德国法兰克福商业银行新大楼（63层，298.47m高）、香港汇丰银行大楼等等，都是巨型钢结构大厦。
1.2大跨度钢结构的应用
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。空间结构从功能上讲是指能够形成较大的连续空间的结构体系,主要包括网架、网壳、索-膜结构以及组合、杂交结构。其特点是:连续的大跨度、大空间、大面积;、外观轻巧、美观、具有现代感的线型;抗震性能较好,结构受力较为单纯;构件类型较少,建设周期短,易于实现工业化;绿色环保和可循环使用。大跨钢结构主要应用在:体育馆、会议厅、展馆、活动中心等大型公共活动建筑、机库、厂房、装饰门厅。
大跨度的网架（壳）与悬索钢结构是主要的应用方向。20世纪60年代简称的美国洛杉矶加州大学体育馆（91m*122m）是最早、
跨度最大的平板网架。20世纪70年代美国休斯顿建成的宇宙全国穹顶（直径196m）以及新奥尔良级穹顶（Superdome，直径207m）是最大的双层网壳、世界最大的室内最大体育场是美国亚特兰大体育馆（椭圆形平面，186m*235m），也是1996年奥运会主会场。1993年建成的日本福冈体育馆（直径122m），是迄今最大的开合钢结构屋顶。英国为应届千禧年而建成的千年穹顶是当今世界跨度最大的屋盖。
历届奥运会和各种世界博览会都成为展示建筑钢结构的机会，种种新的技术得到充分的发挥运用。如2000年澳大利亚悉尼主体育场，采用两个200m*70m的双曲抛物面网壳，可容纳11万人。
机场和机库工程中也基本采用了钢结构。如英国伦敦希思罗机场曾采用了大门横向宽度为138m的高低跨网架，香港新机场、马来西亚机场等，采用了大面积单体壳网形式。除高层建筑大量采用钢结构外，低层建筑中也越来越多地采用钢结构。
采用钢结构的桥梁建筑也实现了1000m左右的大跨度，世界上最大的斜拉索桥是日本多多罗大桥（全长890m）。最大的悬索桥为日而不能明石大桥（1991m），香港的青马大桥则是最大跨度的铁路两用悬索桥（1377m）。
2.高层和大跨度钢结构的发展特点
2.1高层钢结构发展的特点
1)构件立体化[2]
。高层建筑在水平荷载作用下,主要靠竖向构件提供抗推刚度和强度来维持稳定。在各类竖向构件中,竖向线性构件(如柱)的抗推刚度较小;竖向平面构件(剪力墙或平面框架)虽然在其平面内具有较大的刚度,然而其平面外的刚度依然小到可略去不计;由墙或密柱深梁组成的筒体或巨型柱,尽管其基本元件依旧是线形构件或平面构件,但它已转变成具有不同力学特
性的立体构件,在任何方向均具有较大的抗推刚度及抗扭刚度,能抗御任何方向较大的倾覆力矩及扭转力矩。
2)结构支撑化。框筒是用于高层建筑的一种高效抗侧力体系,然而,它固有的剪力滞后效应(在水平荷载作用下,由于框架横梁的剪切变形,使框架柱的轴力呈非线性分布的现象)削弱了它的抗推刚度和水平承载力。特别是当房屋平面尺寸较大,或因建筑功能需要而加大柱距时,剪力滞后效应就更加严重。为使框筒能充分发挥潜力并有效地用于更高的房屋建筑之中,在框筒中增设支撑已成为一种强化框筒的有力措施。若把在抵抗倾覆力矩中承担压力或拉力的构件,由原来的沿房屋周边分散布置,改为向房屋四角集中,在转角处形成一个巨柱,并利用交叉斜杆连成一个文体支撑体系,是高层建筑钢结构中的又一发展新趋势。由于巨大的角柱在抵抗任何方向倾覆力矩时都具有最大的力臂,从而该结构体系更能充分发挥结构和材料的潜力。
3)巨柱周边化。巨型柱属立体构件,本身具有较大的抗推刚度和抗扭刚度。若将巨柱沿建筑平面的周边布置,则该结构具有更大的抗推刚度和抗扭刚度,能抗御特大的水平荷载与扭转荷载。该种结构布置方案特别适于特高特大型超高层建筑。
4)体形圆锥化。为了减小风载体形系数和增大抗推抗扭刚度,现代高层特别是超高层建筑体形呈圆锥或截头圆锥化趋势。如日本东京拟建的米兰留培楼(Millenniu Tower),高度800 m,采用圆锥状体形日本/空中城市大厦)10000为截头圆锥体。
5)材料高强轻型化。随着建筑高度的增加,结构自重增大,从而引起地震作用增大,以致结构面积占建筑使用面积的比例和结构对地基的压力增大。因此为了尽量减小或消除上述的一系列不利影响。选用轻质高强
材料(如选用压型钢板或铝板作围护外墙或隔墙等)是高层建筑钢结构的又一发展趋势。
6)动力反应智能化。对于特高特大型或复杂体形的高层或超高层建筑,为了减小风振或地震反复,在结构上安装传感器、质量驱动装置、可调刚度体系和计算机等所组成的人工智能化反应控制系统,来控制整个结构的地震反应,使它处于安全界限以内。这是高层建筑钢结构在结构减震控制方面的发展趋势。如日本拟建的/动力智能大厦)200 (DJB上)200),地下7层,地上200层,高800 m,建筑总面积150万m2。在安装了人工智能化动力反应控制系统后,其结构在地震作用下的侧移削减40%左右。可以看出,巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系,是为了满足特殊功能或综合功能而产生的,它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能,是一种很有发展前景的结构。
2.2大跨度钢结构发展的特点
大跨度钢结构主要指空间结构，主要包
括网架、网壳以及组合结构（两种以及两钟以上不同建筑材料组成）和杂交结构（两种或两种以上不同的结构形式构成）。这是一类受力合力、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得了蓬勃发展，其主要特点[3]
如下：
1)结构形式灵活多变。结构形式多样化应该是空间结构最突出的优点之一，空间结 构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求，从上世纪60年代网架在我国开始获得应用以来，到80~90年代大中小跨度的网架几乎已经遍及各地，空间结构形式灵活多变。近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁架结构，它的外形丰富、结构轻巧，传里简捷、；制作安装方便、经济效果好，是当前应用较
多的一种结构体系。对于空间结构形式的变化，一方面是建筑上的需要，另一方面在技术上也能做到，因此世界各国正在以较大的热情进行相互学习与应用，预计今后还会有更大发展，使空间结构的造型更趋丰富多彩。
2)杂交结构兴起。“杂交”结构是由不同类型结构组合而成的一种新的结构体系，它有别于采用不通材料而组成的“组合”结构。它最大的优点是充分利用某种类型结构的长处来避免或者抵消另一种与之组合的结构的短处，从而改进了整体结构体系的受力性能。前几年在中国研究并开发的横向加劲单曲选索结构就是一种桁架与单向索组合而成的杂交结构体系，美国工程师盖格尔所研发的“素穹顶”（Cable Dome）则是典型的索与膜的杂交结构。在“素穹顶”的基础上，美国工程师李维开研发的“双曲抛物面—张拉整体穹顶”则是杂交结构先处理概念的体现。
3）现代预应力技术的引入。预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术应用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类看大跨度结构，从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间结构体系。如预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。这一类结构受力合力、刚度大、重量轻，制作安装方便，在近十多年来得到开发与发展，并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用，且收到国内外科技界和工程界的关注和重视。通过适当配制拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或是结构产生外荷载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。
4）高轻质材料的应用。在普通碳素钢获得大量饮用的同时，膜材也在许多大跨度建筑中得到了应用。膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构，这是一种以玻璃纤维织物或者聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支撑体系间的组合，而其支撑体系可为索—支柱或索—杆结构，它们唱在膜材获得预应力后协同工作。支撑体系也可采用杆系结构。如空间桁架、网壳等，即为刚性骨架支撑张力膜结构。在膜结构兴起的同时也必然为空间钢结构的应用与发展提供了更广阔的空间。 5）计算技术越来越进步。随着计算机的发展和广泛应用，非线性有限元分析方法星期，并组建称为结构稳定分析中的有力工具。近年来，计算技术已经有了常驻的进步，许多单位研制开发了商品化的专用设计程序，它们都是建立在理论研究与大量工程实践的基础上而推向市场的。它们一般都具有完善的前后处理功能，可在微机上进行复杂的空间网格结构设计。有的软件除用于空间网格结构外，也可用于索、杆、梁体系的设计分析。这些程序的推出为大跨空间钢结构设计提供了有效手段，也为大跨度空间钢结构的推广应用创造了有利条件。
6）试验研究越来越广泛。随着大跨度空间钢结构形式的日益复杂以及新材料的广泛应用，理论计算和研究彰显重要。但是，理论计算也存在一定的局限性，为确保就诶够体系安全可靠，技术先进，又经济合理，确保理论分析的正确性和可靠度，必须采取一定的实验手段，如模型试验、节点试验以及实体结构测试，通过试验，为工程设计提供一些有价值的参考数据和依据，以解决一些目前尚无可信度的理论分析模式能解决的难题，解决无标准、规范和首次采用的新型节点的设计二号制作工艺。
7）空间结构应用范围拓展。近十年来，空间结构中最为重要、也最为活跃的发展领域之一。从结构形式来说，从网架、网壳到膜结构。从材料来说，从天然材料到人工合成材料；从计算分析来说，从静力到动力、从线性到非线性。在原结构体系上，不论是设计还是施工都走向成熟，与此同时也孕育着新的应用范围。
3.钢结构施工技术
3.1技术发展现状
总体而言,建筑钢结构施工技术已达到国际水平,取得不少突破;已能加工、制作和安装各种大型钢结构。但是,先进加工、吊装设备仍靠进口。目前,钢结构加工、制作及安装等施工的专业化设备及队伍基本形成,已具有相当的钢结构加工、制作及安装能力。
在钢结构加工制作技术方面,已实现了施工详图设计电脑化、材料管理程序化、加工工艺和焊接工艺自动化。
在钢结构安装方面,采用各种安装策略(高空散装法、分条或分块安装法、整体吊装法、整体(顶)升法、整体滑移法、分单元累积滑移法、分条分块滑移法、折叠展开法),完成了一大批复杂的大型现代空间结构的安装。
在施工组织管理技术方面,发展了总体施工规划技术,异常情况应急处理技术及安全管理等技术。
在复杂钢结构施工分析方面,建立了一系列复杂钢结构施工跟踪分析策略与实用方法。
3.2施工技术展望
应开展复杂张力结构体系的施工跟踪与控制研究[4]
。施工每一阶段结构或构件的内力和位移都在不断变化,需要对其进行跟踪计算,找到施工过程最危险的阶段进行准
确控制,才能确保结构施工的安全。柔性结构体系的结构形态与预应力直接相关,结构构件内力与结构几何形态密切相关,施工成形过程决定结构最终构形和受力状态。因此,应该考虑施工方案的
合理性,确保施工过程可实现预先的设计状态。
应开展施工中的关键问题研究:如时变结构的施工控制;构件内力、变形随结构生长累积变化及控制;施工过程中结构的稳定性、安全性保障;温度对结构变形及结构内力的影响。
应开展数值模拟指导下的现代钢结构施工技术的研究,体现在施工方案优化和施工控制两方面。对施工方案优化,包括数值模拟证明施工方案的可行性、说明施工流程的合理性、说明施工资源分配与布局、描述施工作业过程、为施工作业提供安全保障、说明施工方案的经济性能。另一方面,在施工控制中,数值模拟提供施工阶段结构及构件的受力状态、变形状态、运动状态,数值模拟提供施工动态作业进程、描述结构的生长过程、为施工控制提供依据。
机器人技术在钢结构施工中的应用研究。在钢构件制作方面的数控多维切割;自动焊接技术;数控钻孔、切削、刨边等技术。在钢结构安装方面的机器人实现滑移技术和提升技术。
开发拥有自主知识产权且功能齐全的施工详图软件,实现施工详图设计软件的国产化。
4.结语
相比混凝土结构和砌体结构,钢结构具有无可比拟的优势, 通过上述分析可以发现,发展钢结构建筑符合国际发展潮流的要求,也符合我国的国策和可持续发展的要求。而且,发展钢结构建筑的各种条件基本
都已具备,高层和大跨度钢结构的社会需求必将越来越旺盛，抓住此机会，我国钢结构建筑一定会有突飞猛进的发展,同先进国家的差距会越来越小,并将最终接近或达到国际先进水平,从而提高我国建筑科技的水平。
参考文献
[1] 沈祖炎. 钢结构学，中国建筑工业出版社，
2005.
[2] 肖亚明.我国钢结构的发展现状及前景，2004. [3] 陈桥生.大跨度空间钢结构的发展与施工技术，
2004.
[4] 牛莉.我国高层钢结构的发展，2003.
钢结构大作业
