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未来高强度钢材的使用和趋势研究


  本文探讨了高层建筑设计的主要推动力、常用的水平和垂直荷载系统以及高强度钢材对建筑物可行性的重要作用。本文将用到WSP在美国、英国和亚洲的大量高层建筑项目的典型工程。通过各代表工程研究探讨关键设计要素,并阐述通过使用高强度钢材、Nb等微合金化元素实现的重要好处。
  高层建筑设计涉及在满足客户、建筑师、监管机构以及大量相关设计专业人士的需求之间实现某种平衡。这种平衡通常意味着需对保证建筑物稳定性的主要结构元件进行尺寸调整,以尽量减少它们对建筑物的影响。正是在这种情况下,结构工程师开始考虑使用高强度钢材(355 N/mm2及以上)以便实现相关目标。
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  高层建筑的设计
  1.1设计流程
  在高层建筑项目的设计中,每个利益相关方都有不同的需求,因此,他们的愿望就成了高层建筑设计的推动力。例如,建筑师对美学和整体功能感兴趣,服务工程师对可持续运营以及服务的有效整合感兴趣,而监管机构感兴趣的是设计对城市景观可能产生的影响以及如何确保生命安全目标处于重中之重的地位。
  作为设计主要推动力之一的客户愿望很简单,即项目必须在经济上可行,否则一切将无从谈起。因此,必须在尽可能节约成本的同时,满足客户对项目的功能需求及其他期望。 对于结构工程师来说,设计高层建筑或许不难,但前提是工程师掌握了各相关领域的具体要求。高层建筑的横向稳定系统及整体结构形态,在项目成本与功能的可行性方面发挥着重要作用。结构造价可高达总建筑成本的15%-20%,但其效益和效率对项目的其他组成部分均有影响。最佳结构方案的选择需征求项目各利益相关方的意见。
  1.2结构形态
  高层建筑基本上都是拔地而起的悬臂施工。楼层层数越多,重力就越大,支柱、剪力墙和地基所需材料的强度也越大。此外,楼层越高,风力、地震力等水平荷载也越大。如果假设高层建筑使用的都是悬臂施工,那么楼层越高,水平荷载的杠杆臂也就越大,同时建筑物地基的倾覆力矩也越大。因此,在一定高度以上,横向稳定系统成了结构性问题的重点。
  总体结构性能需要满足一些标准。第一个显然是强度标准;结构系统的整体强度必须使之足以承受所施加的荷载。但是,在高层建筑设计中往往以适用性为主。高层建筑结构必须足够坚固稳定,不仅要能保证建筑物保护层外墙在承受侧向力对建筑物造成的变形时不透水,还能确保其动态特性不会让其高层居住者在脉动风荷载的作用下,因不可避免的晃动而感到不适。除这些主要的性能特点外,高层建筑还须抗震、在发生突发事故时不坍塌,而且坚固耐久,即达到一定的设计使用年限。

  有诸多可以采用的横向稳定结构,每种结构形式的适用性主要取决于楼层高度、场地限制、岩土条件及其他利益相关者的需求等。这种结构系统可以通过使用稳定支撑与周围立柱相接合的方式加强,如图1所示。类似于滑雪者在拐弯时使用伸出杆来获得额外的横向稳定性,稳定支撑系统有效地增加了横向力分散作用的基础面。稳定支撑系统的关键部件首先是稳定支撑本身,因为它们必须在附墙柱和核心结构之间传递高剪切力;其次是附墙柱,完全从刚度的角度来说,有时附墙柱的面积必须增加。稳定支撑系统有时可与环带桁架一起使用,环带桁架基本上将荷载分散到更多的构件上,从而提高了刚度并确保单个尺寸较小。

  悬臂支撑系统的主要缺点是它们占用了宝贵的地面空间。管状物和斜肋构架等周界结构的优点是它们可以在释放内部空间的同时,自行承受水平荷载。周界结构的作用是承受导致外表面发生拉伸和压缩变化的风荷载以及作用于侧面的剪力。这种管状物的部件(如柱子和拱肩)的刚度对于抵消可能影响结构效率的剪力滞至关重要,如图2所示。纽约世界贸易中心的双子塔或许是周界管状系统最著名的实例。

  斜肋构架可以是更有效的周界结构,因为斜肋构架承受的纯轴向载荷主要是剪力负载。斜肋构架还不需要立柱,因为其构件既承受重力,又承受水平荷载。通过密切留意斜肋构架构件的角度和刚度,可大大降低剪力滞的低效趋势。
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  高强度钢材的使用
  目前,高层建筑设计中使用的钢材最普遍的等级是S355和S460,S355主要用于制造热轧建筑型钢和钢板,S460主要用于制造钢筋。虽然S355常用于西方高层建筑,但它在发展中经济体的广泛应用仍处于初级阶段,因此具有巨大的经济和工程潜力。屈服强度在355-460N/mm2及以上的高强度钢材,通常需要更高的韧性和延展性以及更强的抗疲劳性能和可焊性。从结构角度来看,所有这些都是理想特性,在某些情况下,如在地震带中,这些特性尤为重要。
  实现这一目标的关键途径之一是通过铌(Nb)微合金化,来提高钢材的强度和韧性。这是在钢的加工过程中,使用Nb进行微合金化的冶金好处,由此可以降低合金元素含量及碳含量,同时在相同或更高的屈服强度和拉伸强度下,保持高韧性和良好的可焊性。与所有元素一样,Nb的合金含量必须根据所用钢材或钢板的生产工艺路线和性能要求进行选择。
  但有一个主要特性不会随着钢材生产工艺路线的改变发生根本变化,那就是钢材的刚度或杨氏模量。因此,如果要使用截面尺寸的主要推动力是刚度而不是强度,那么使用更高强度的钢材将没有多大优势。因此,要搞清高强度的优势在哪里?可以发挥最大作用,必须了解每个构件的实际作用。选择垂直框架结构系统的最大推动力往往是建筑物的终端用途。如果建筑物主要用于商业办公,那么垂直结构系统通常采用钢架结构。如果建筑物主要用于住宅(包括酒店),那么垂直结构系统通常采用混凝土框架结构。横向稳定系统需与垂直框架系统结合。因此,如果框架系统是钢结构,那么横向稳定系统可以是钢结构或混凝土结构。如果垂直框架系统是混凝土结构,那么横向稳定系统往往也采用混凝土结构。
  如果垂直框架系统是钢结构,大部分吨位将位于楼面系统的钢梁中。对于商业及办公建筑来说,最主要的是权衡支柱间距(跨度)和施工深度,以尽量减少层高。S355是用于保持断面尺寸最小化、保持刚度以及保持在挠度限值内的最佳强度等级钢。对于较长的跨度,钢梁往往被适用性或刚度驱动,因此,这些构件使用比S355更高强度的钢材可能没有什么好处。在施工区域受到限制的情况下,钢梁越来越重要的加工路线是用于服务集成的带孔的焊接截面。因此,良好的可焊性成为所用高强度钢材的基本性能。
  如果垂直框架系统是混凝土结构,则驱动力往往是适用性。因此,无梁板建筑的主要形式是后张预应力平板,并需要降低层高。高后张法钢绞线用于控制楼面板的开裂,进而控制楼面板的适用性。
  可使用高强钢的高层建筑设计的关键结构部件如下:
  ◆支柱和支撑- 主要承受压缩的单个构件,构成垂直承重系统或周边管/斜肋构架系统的一部分;
  ◆剪力墙-通常构成内部核心系统一部分的单个构件;
  ◆连接梁-将剪力墙连接在一起形成核心结构的单个元件;
  ◆伸臂桁架/墙-将外围立柱与内部核心结构相连的桁架或墙壁;
  ◆环带桁架-将外围立柱连接在一起的桁架;
  ◆转换结构-有助于将垂直荷载从单个构件传递到其他垂直承载构件的结构;
  ◆连接-任何系统或组件中构件之间的连接。
  对于高层钢框架结构,结构底部的支柱和支撑通常在正常截面范围之外,这意味着要使用的截面由板制成。常见的形式包括焊接工字形和箱形截面、管柱-通常是钢管混凝土柱-以及钢-混凝土组合构件。高强钢在减小构件尺寸、通过减小构件重量来提高可施工性、以及确保焊接形式的良好可焊性方面具有优势。
  对于高层混凝土框架结构,则通过使用强度越来越高的混凝土来减小支柱构件尺寸。为了能够利用这些混凝土,还需要加强钢筋产生的约束。另外,在地震高发地带,这些构件还需要提供最小约束钢筋以满足变形性能的要求。这通常会导致横截面拥挤,特别是需要在柱式接头处搭接钢筋或者这些构件遇到地基时。使用更高强度的钢筋(670 N/mm2及以上)可以减少这种拥挤。
  混凝土剪力墙施工也是如此。剪力墙主要在弯曲和剪切
  中起作用。减小剪力墙的厚度对于最大化楼面板上的净面积很重要。钢筋需要放置在墙内的特定区域内,以确保良好的延性和强度性能。在地震高发地带和疾风地带,通常没有足够的空间来放置钢筋,这意味着不能建造某些剪力墙,或者需要增加尺寸。同样,采用更高强度的钢筋(670 N/mm2及以上)来减少这种拥挤,同时保持剪力墙的最小厚度。
  混凝土剪力墙中的连接梁或连梁是重要的高应力构件,它们使稳定系统的各种元件协同工作。连接梁往往放置在开口和门口上方,因此通常受到深度和厚度的限制。这些构件主要用于剪切和弯曲,因此常常被大量配筋。在可施工性方面,拥挤是一个问题,高强度钢筋已被用于减少这种情况,同时,确保满足变形和延性要求。
  在高层建筑中,传输系统(通过建筑物的负载路径在其中被转移)几乎是不可避免的。这些传输系统需要进行设计和细化,以尽量减少对架构、空间和成本的影响。高强度钢材可用于减小构件尺寸及重量,以减少对空间的影响,确保在施工期间,可以更容易地将这些构件放置在建筑物内。
  最后,必须将钢框架结构连接在一起,以制作有效的框架系统。这对周界管状结构和斜肋构架结构尤其重要。将构件连接在一起的首选方法是采用螺栓连接方式,以减少对现场焊接的需求。通常在主要横向稳定构件中传递的力可能很大,这意味着传递力所需的钢板和螺栓使得连接非常繁琐。周界结构必须与立面系统结合在一起,有时连接尺寸与立面的夹点处不协调。可以使用高强钢来减小钢板尺寸,并确保主体结构与立面更容易结合。
  总的来说,强度更高意味着每个组件的重量更低。它降低了制造成本以及运输和装卸等重要的成本。随着壁厚的减小,焊接金属体积也减小。焊接金属的体积决定了制造组件所需的生产时间,由于框架制造往往是项目完成的关键途径,因此这是一个不断增长的经济驱动力。由于与Nb微合金化炼成的高强度钢材能提供细晶粒,所以如果冷成形性和可焊性是制造的关键方面,它们就非常适合。当低碳也是含Nb微合金化钢设计的一部分时,其益处尤其大。
  总之,在现代高层建筑中使用高强度钢材适合结构框架的某些区域,其性能有利于减小构件尺寸,从而确保框架系统与建筑围护结构和地面空间更有效地结合。与S235相比,采用S355等强度可以节省整体重量,从而节约成本;而选择性使用更高强度(例如S460)可以进一步节省支柱的重量(与S355相比,最多可节省14%)。在材料成本方面,与S355相比,采用S460可节省约10%;与S235相比,可节省约25%。
  所有这些都是通过在钢板和钢梁中添加微量的铌,以及更高强度的钢筋来实现的,这样能开发出更坚固、更坚韧和易于焊接的钢材,即使是最厚的截面也是如此。未来,随着建筑物新结构形式的发展,使用高强度钢材的机会将更多。
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  超高层建筑和巨高层建筑
  CTBUH(高层建筑与城市住宅委员会)对超高层建筑的定义是超过300m的建筑物,对巨高层建筑的定义是超过600m的建筑物。2010年,孟买建造了700多米高的印度塔。这座塔非常纤细,其主要横向稳定系统是由塔外围的三个坚固的核心结构,通过该塔与各种高度的大量多层联动装置连接而成。除了这些联动装置之外,暴露的超对角支撑也将主要核心结构连接在一起。
  由于施加在系统上的风荷载很多,联动装置和超对角支撑都承载着大量的荷载。在如此纤细的塔中,楼面板的净总效率至关重要,而高强度钢材则是减少主要联动装置尺寸的理想选择。
  迪拜的棕榈塔超过1000m高。这座塔是位于迪拜海滨的多用途高塔,形态非常纤细,其主要横向稳定系统由四个相互连接的部分组成。被称为人行天桥的关键联动装置位于200多层建筑物中每25层的5层。建筑的分段形式也减少了整体风荷载。每个部分的主要垂直荷载都通过大量高强度混凝土巨型支柱进入地面。这些支柱需要使用高强度钢筋,以利用提出的更高强度的混凝土。这些人行天桥通过各个部分内周的剪力墙以及外周的五层高结构钢桁架相连接。这些部分在内外周与五层高混凝土和钢结合梁相连。这些连接结构承载了大量载荷,并且使用高强度钢材来确保这些构件具有足够的强度和延性,以在许多循环加载中起作用。
  从这两个建筑可以看到,未来将引入新的结构形式(相连的核心结构和相连的分段结构),这些结构形式将满足建筑越来越高的愿望。这些形式将需要具有更高强度、延性、韧性和耐久性的新型建筑材料,在钢制品中预计会使用铌等微合金化元素。更高强度的钢材将在今天和未来发挥重要作用,将这些梦想变为现实。


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