厦门帝景苑超高层住宅建筑全钢结构的应用

1、厦门帝景苑超高层住宅建筑全钢结构的应用杨建民【摘要】：随着现代经济的不断发展，钢结构工程以其施工速度快、周期短、强度高、便于预制、安装、适用高层大跨度等的优越性已在工程领域广泛应用。在此，作者就全钢结构现代建筑在厦门帝景苑工程中的应用进行简述，阐述了全钢结构工程在高层建筑物上应用的优点、钢结构应用现状及存在问题，提出了钢结构在高层建筑物上应用的发展方向。【关键词】：高层建筑 全钢结构 新技术 屈曲支撑 粘滞阻尼器 应用 1高层建筑全钢结构的优点、应用现状及现存问题 近几十年来，由于钢材品种的增加、制造方法的改善、新结构形式的采用、计算方法和设计理论的发展，使得钢结构在工业与民用建筑、桥梁以及其

2、他工程结构中得到了广泛的应用。高层钢结构在建筑领域的优势越来越被市场所认同和青睐，为我国钢结构产业的发展注入了活力，这不仅要得益于科技的发展，还要归功于钢结构本身的优越性，钢结构同传统的钢筋混凝土结构相比主要有很多优点，特别是全钢结构的优点尤其明显。1.1 高层建筑全钢结构的优点全钢结构与其它结构相比，在使用功能、设计、施工、以及综合经济方面都具有明显优势，在住宅建筑中应用全钢结构的优势主要体现在以下几个方面：1.1.1 能够减少建筑中结构所占的面积针对建于地震区30层60层的钢筋混凝土结构的高层建筑，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值，达到1.8 m1.8 m2.0 m2.0 m，核心筒在底部的

3、壁厚将达0.6 m0.8 m，以满足结构侧向刚度和层间位移的要求，此两项结构面积约为建筑楼层面积的7。如果采用全钢结构，柱截面将大大减少，核芯筒采用钢柱及钢支撑时，包括外侧的装修做法，其厚度仍比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑面积的3 ，比钢筋混凝土结构可减少约4。全钢结构住宅比传统建筑能更好的满足建筑上大开间灵活分隔的要求，并可通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，户内有效使用面积提高约6。对业主来讲，将带来不少的经济效益。1.1.2 能够减轻结构自重，降低基础工程造价一般钢筋混凝土框剪结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷

4、载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为15kNm217kNm2，其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为10kNm212kNm2。相同条件下如果采用钢结构，全部重力荷载为10kNm212kNm2，其中：钢结构和混凝土楼板的结构自重约为5kNm26kNm2，可见，两类结构的结构自重的比例为2:1，全部重力荷载的比例约为1.5:1，相当于30层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于20层高的钢筋混凝土结构高层建筑。据有关计算，在建筑上部使用的高层钢结构的工程总投资与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5% 10%。荷载值的很大差异，决定了基础荷载必然减轻，基础技术处理难度及工程造价将大大减小。 全钢结

5、构建筑总重轻，钢结构住宅体系自重轻，约为混凝土结构的一半，可以大大减少基础造价。1.1.3 具有优良的抗震性，提高住宅的安全性将钢结构体系用于住宅建筑可充分发挥钢结构的延性好、塑性变形能力强，具有优良的抗震抗风性能，大大提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，能够避免建筑物的倒塌性破坏。如95年的日本阪神大地震中，99年的台湾大地震中未倒塌的几乎全部为H型钢制作的钢结构建筑物。1.1.4 综合造价低 仅仅就造价看，钢结构住宅似乎是高了些，但是综合了建筑的全部生命周期、钢结构住宅的节能、环保等效益，再加上钢结构建筑的材料基本可以永远循环利用的话，钢结构住宅的造价也就不高。1.1

6、.5 施工便捷工期短钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，在现场安装。在安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢结构安装交叉进行，实践证明，钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快2030，相应的施工周期将大大缩短，工期比传统住宅体系至少缩短三分之一，施工速度快，加快资金周转，大大提高投资效益。1.1.6 节能效果好内墙墙体采用轻型节能标准化预制墙板，保温性能好，节能50，每户每m2可节约取暖纳凉费用18元。帝景苑项目超高层建筑样板房精装修，采用香港利澳建材属下机构福建某轻质隔音板制造厂生产的轻质隔音板做室内隔墙材料，该材

7、料规格为244061090（mm），重量605（kg/m），具有薄体、轻质、防火、隔热、隔音、抗震的性能。1.1.7 环保效果好 所有住宅都有一定的使用寿命，一般钢筋砼结构的住宅拆除的原材料无法再利用，而且会产生大量垃圾污染环境。钢结构住宅施工时大大减少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色，可回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大部分材料可以再生或降解，不会造成很多垃圾。1.1.8 建筑风格灵活、丰实 大开间设计，户内空间可多方案分割，满足用户的不同需求。帝景苑项目超高层建筑首层中间大厅层高为15.2m，面积约324m2；户型面积在3001700m2之间。1.1.9 符合住宅产业化和可持续发

8、展的要求。钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高住宅产业的水平。帝景苑项目钢柱、钢梁、剪力墙钢板均为厂家加工制作，大型拖车运输至工地。1.2 钢结构应用现状 由于钢结构具有以上优点，目前世界上绝大多数的高层及超高层建筑均为钢结构体系：如1970年建成的110层、高443m的美国芝加哥西尔斯大厦；1996年建成的高450m的马来西亚双塔石油大厦；塔高646.38米的波兰华尔扎那电视塔；被称为“世界第一高楼”的“迪拜塔”，“迪拜塔”始建于2004年，2010年1月4日正式落成，塔高828米，楼层总数162

9、层。我国由于经济和技术的原因，80年代之前没有兴建一幢高层钢结构建筑。1985年以后，由于外资工程的兴建，建筑用钢材的发展，高层钢结构建筑开始在我国出现。到1990年底，在上海、北京、深圳建成了1l瞳高层钢结构建筑，京广中心是这个时期最高的结构(共57层，高208m)。此后，随着我国的改革开放和经济的不断发展，我国的钢材年产量已连续多年超过1108t，成为世界上钢产量最多的国家，钢材产量的增长为发展我国的钢结构建筑事业创造了良好的时机。自1993年开始，我国形成了新的高层建筑钢结构建设离潮。特别是随着上海浦东开发区的建设，上海高层建筑钢结构的发展尤其迅速，成为我国高层钢结构建设最集中的地方。位

10、于上海浦东新区陆家嘴的上海环球金融中心2008年8月29日竣工，楼高492m，地上101层，地下3层；东方明珠广播电视塔是上海的标志性文化景观之一，位于浦东新区陆家嘴，塔高约468m，于1991年7月兴建，1995年5月投入使用；上海中心大厦，项目面积m2，建筑主体为118层，总高为632m，结构高度为580m，机动车停车位布置在地下，可停放2000辆，2008年11月29日开工建设，2016年3月12日建筑总体正式全部完工。上述3座建筑，己经成为上海的标志性超高层建筑，并使我国的高层钢结构建筑进入世界前列。近几年，厦门的钢结构建筑也得到了突飞猛进的发展。2010年5月28日开工建设、2015

11、年10月交付使用的厦门世茂海峡大厦，是厦门第二高楼，由两栋300m的超高层（总高度300m）主体建筑及裙楼组成，其中地上27万m2，地下7.28万m2，包含酒店、办公和SOHO等业态；2010年开始正式建设、预计于2017年9月份竣工的福建第一高楼厦门国际中心，总建筑面积约18.56万m2，建筑高度339.88m，地下4层，地上61层。这两座建筑，将成为厦门市鹭江道及环岛路上崭新的厦门地标建筑。可以说，近十几年来建筑钢结构在中国处于建国以来最好的一个发展时期，随着经济建设发展的需要，钢结构作为一种理想的建筑结构，将在2l世纪中国的建筑工程中发挥出独特的和不可替代的作用。1.3 全钢结构工程存在

12、的主要问题 虽然全钢结构目前发展较快、应用较多，但是也存在着一魑问题，例如：1.3.1全钢构总体造价较高短期来看，造价比钢筋砼结构相对来说要高一些。帝景苑项目钢柱最大截面尺寸为口2500250080，钢板最厚达80mm；钢梁最大规格为H255010003060。由于钢柱截面尺寸较大，总用钢量大，导致总造价较钢筋砼结构高。1.3.2 钢结构耐火性能差钢材耐热而不耐高温。钢结构在火灾的情况下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350及500时，其强度可分别下降3050。至600时结构完全丧失承载能力，变形急剧增大，导致结构倒塌。因此，规范要求喷涂防火涂料

13、进行保护。帝景苑项目设计防火极限为3小时，采用厚涂型钢结构防火涂料，设计厚度钢柱为23mm，钢梁为1415mm。1.2.3 钢材易于锈蚀，应采取防护措施 钢材在潮湿环境中，特别是处于有腐蚀介质的环境中容易锈蚀，必须刷防腐涂料或镀锌，而且在使用期间还应定期维护。帝景苑项目暴露在室外钢构防腐保护层设计总厚度为280um，室内钢构防腐保护层设计总厚度为200um。 2. 厦门帝景苑超高层住宅建筑全钢结构的应用厦门帝景苑工程，位于福建省厦门市湖滨南路与湖滨西路交界处，北临筼筜湖，南临主干道湖滨南路，西侧为湖滨西路，东侧紧邻音乐岛酒店与电力大厦，是中国第一个全钢构超高层住宅建筑群，由1#5#超高层住宅楼

14、及6#、7#配套群楼和两个整体地下室组成。项目总用地面积54286.697m2，总建筑面积.25m2，用钢量约600kg/m3，总钢量约37万吨。其中，一期工程为1#3#楼、6#楼地下室及上部工程，由1#3#超高层住宅楼及6#会所和整体地下室组成；二期工程为#楼、#楼地下室及上部工程，由4#5#超高层住宅楼及7#会所和整体地下室组成。两个整体地下室均为地下四层；地上超高层均为62层，建筑高度 247.8m，采用矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑结构内支撑系统；群楼为商业用房，建筑高度21.37m23.2m,采用钢结构。帝景苑效果图 帝景苑1#、2#、3#楼 6#楼钢结构局部2.1 钢结构设计本工程1

15、、2、#楼为矩形钢管砼柱框架钢板砼剪力墙结构，楼盖采用型钢梁和钢筋砼现浇板组合楼板，3#楼为矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑结构；6、#楼为钢框架结构，楼盖采用型钢梁和钢筋砼现浇板组合楼板。工程钢结构部分主要由钢柱、钢梁、钢板剪力墙组成。其中，钢柱有目字型钢柱、日字型钢柱和箱型钢柱三种，Q390GJC，最大截面尺寸为口2500250080，钢板最厚达80mm；钢梁主要为热轧H型钢和焊接H型钢，材质为Q390GJC、Q345GJC和Q345B，最大规格为H255010003060；剪力墙钢板材质为Q345B，最厚达45mm。 3#楼钢板剪力墙局部 2#楼钢结构上部2.2 钢结构深化设计技术 钢结构深

16、化由分包单位在设计院确认的施工蓝图上进行深化，深化后的图纸由设计院审核确认后投入使用。深化后的图纸使制作简单明确，减少了材料浪费；使现场安装实现了建筑装配化，加快了工程进度，确保了后续工序同步施工。深化设计在节约、环保、降低成本、确保工程质量、进度与安全等方面起到了重要作用。2.3 高强度厚板钢材的应用 高强度厚板在本工程中得到了普遍应用，本工程低合金高强度钢有Q345、Q390等，超高层建筑结构用钢有Q345GJ、Q345GJZ等，钢柱材质为Q390GJC，钢板最厚达80mm。钢板设计有Z向性能的钢板厚度有40mmt100mm，设计厚度方向的断面收缩率有Z15、Z25两个等级。由于本工程焊接

17、工作量大，工序施工周期长，焊接变形控制难度大，钢结构施工单位制定了焊接工艺评定报告，作为现场焊接指导书。制作焊接及现场安装焊接严格按照工艺指导进行，焊接24小时后进行超声波检测，自检结果全部合格后，进行第三方检测并出具检测报告。2.4 钢管混凝土柱 砼的抗压强度好，抗弯能力弱；钢材具有良好的弹塑性，但在受压时容易丧失轴向抗压能力。钢管砼在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使砼处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。采用C50C70自密实砼浇筑钢管柱内，提高了钢管的刚度，钢管与砼共同作用，大大提高了钢管砼柱的承载力。2.5 住宅钢结构技术 本工程为矩形钢管砼柱-钢框架钢支撑结构，塑性良好，一般

18、情况下不会出现超载而产生的断裂。钢结构住宅韧性好，结构对动荷载的适应性强，良好的吸能和延展性使钢结构具有优越的抗震性能。钢结构住宅还有施工周期短、结构空间大等诸多优点。2.6 钢结构防火涂料使用 由于钢结构耐火性能差，所以规范要求对钢结构喷涂防火涂料进行保护。2.6.1 1#楼、2#楼防火涂料设计 帝景苑1#楼、2#楼钢结构设计人行通道两翼部分人行通道两翼部分人行通道两翼部分人行通道两翼部分防火等级为一级，各类型构件耐火极限及防火涂料规格型号、涂刷厚度如下表所示。NH（LG）室内厚型钢结构防火涂料序号构件类别设计耐火极限（h)防火涂料类型防火涂料型号涂装厚度（mm)耐火性能试验（h)1钢柱3室

19、内厚型NH(LG)2332钢梁3室内厚型NH(LG)1423其他2室内厚型NH(LG)142WH（SWH）室外厚型钢结构防火涂料序号构件类别设计耐火极限（h)防火涂料类型防火涂料型号涂装厚度（mm)耐火性能试验（h)1钢柱3室外厚型SWH2332钢梁3室外厚型SWH1423其他2室外厚型SWH142 材料选型：本项目防火涂料选用的是由公安部四川消防研究所于1988年成功研制、四川某防火材料有限公司生产的NH（LG）室内厚型钢结构防火涂料和WH（SWH）室外厚型钢结构防火涂料，该涂料系无机防火涂料，无任何有害成分和放射性，符合A类装饰材料标准，材料燃烧烟气成份毒性达到AQ1（安全一级）标准。该涂

20、料耐火性能优异，工程应用时间超过20年，是国内工程应用最长的钢结构防火涂料，以下表格为产品对应的主要技术指标：NH(LG)室内厚型钢结构防火涂料技术指标检测项目标准条款技术指标检验结果在容器中的状态GB14907-20025.2.1经搅拌后呈现均匀稠厚流体状态，无结块搅拌后呈均匀稠厚流体状态，无结块表干时间（h)GB14907-20025.2.1247小时初期干燥抗裂性GB14907-20025.2.1允许出现1-3条裂纹，其宽度应不大于1mm无裂纹干密度(kg/m3)GB14907-20025.2.1500470耐水性（h)GB14907-20025.2.124涂层应无起层、发泡、脱落现象浸

21、泡24小时后涂层无异常WH(SWH)室外厚型钢结构防火涂料技术指标检测项目标准条款技术指标检验结果在容器中的状态GB14907-20025.2.6经搅拌后呈现均匀稠厚流体状态，无结块搅拌后呈均匀稠厚流体状态，无结块表干时间（h)GB14907-20025.2.6248小时初期干燥抗裂性GB14907-20025.2.6允许出现1-3条裂纹，其宽度应不大于1mm无裂纹干密度(kg/m3)GB14907-20025.2.6650510耐酸性（h)GB14907-20025.2.6360涂层应无起层、脱落、开裂现象浸泡360小时后涂层无异常耐碱性（h)GB14907-20025.2.6360涂层应无

22、起层、脱落、开裂现象浸泡360小时后涂层无异常2.6.2 3#楼防火涂料设计 帝景苑3#楼钢结构设计防火等级一级，建筑物各承重构件的耐火极限标准及防火涂料要求：钢柱3.0H，选用北京某防火材料有限公司生产的NH（TN-LS）室内厚型钢结构防火涂料，涂层厚度23mm。钢梁、钢桁架2.0H，选用北京某防火材料有限公司生产的室内厚型钢结构防火涂料，涂层厚度15mm。钢结构防火涂料喷涂面积约22万m2 。 2.7 屈曲约束支撑的应用 屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或BRB(Buckling restrained brace),产品技术最早发展于1973年的日本，当时的一批日本学者成功研发了最早的墙板式防屈

23、曲耗能支撑，并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验；1994年北岭地震后，美国也开始对防屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。2.7.1 基本原理 防屈曲支撑可为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力，采用屈曲约束支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。 普通支撑受压会产生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低。在地震或风的作用下，支撑的内力在受压和受拉两种状态下往复变化。当支撑由压曲状态逐渐变至受拉状态时，支撑的内力以及刚度接近为零。因而普通支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，

24、在支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑。屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良。屈曲约束支撑一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，可以在结构中充当“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内。因此，屈曲约束支撑的应用，可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能。2.7.2 产品优点 与普通支撑相比，屈曲约束支撑具有以下优点：（1）承载力与刚度分离防屈曲支撑的最大优点是其自身的承载力与刚度的分离。普通支撑因

25、需要考虑其自身的稳定性，使截面和支撑刚度过大，从而导致结构的刚度过大，这就间接地造成地震力过大，形成了不可避免的恶性循环。选用防屈曲支撑，即可避免此类现象，在不增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力的要求。 （2）承载力高 （3）延性与滞回性能好 屈曲约束支撑在弹性阶段工作时，就如同普通支撑可为结构提供很大的抗侧刚度，可用于抵抗小震以及风荷载的作用。屈曲约束支撑在弹塑性阶段工作时，变形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器，可用于结构抵御强烈地震作用。 （4）保护主体结构 屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力，在大震下可起到“保险丝”的作用，用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏

26、，并且大震后，经核查，可以方便地更换损坏的支撑。 （5）减小相邻构件受力 当支撑为人字形或V字型布置时，由于普通支撑受压屈曲，受拉与受压承载力差异可能很大，而普通支撑的截面由受压承载力控制，但支撑受拉时其内力最大可达到受拉承载力，故与支撑相邻构件的内力由支撑受拉承载力控制。如采用屈曲约束支撑，支撑受拉与受压承载力差异很小，可大大减小与支撑相邻构件的内力（包括基础），减小构件截面尺寸，降低结构造价。2.7.3 产品性能屈曲约束支撑一般由3部分构成，即核心单元、约束单元及滑动机制单元，其中核心单元即芯材，又称为主受力单元，是构件中主要的受力元件，由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字形、T形、

27、双T形和一字形等，分别适用于不同的刚度要求和耗能需求。约束单元又称侧向支撑单元，负责提供约束机制，以防止核心单元受轴压时发生整体或余部屈曲。比较常见的约束形式为钢管填充混凝土或纯钢型结构约束。滑动机制单元又称为脱层单元，是在核心单元与约束单元间提供滑动的界面，使支撑在受拉和受压时尽可能有相似的力学性能，避免核心单元因受压膨胀后与约束单元间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加，这种滑动单元一般是由一些无粘结材料制作而成的。由于帝景苑3#楼为矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑结构，支撑在反复荷载作用下滞回性能较差。为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，采用了日本某工业株式会社生产的材质为SM490A-

28、1、SM490A-2、SM490A-3的SUB-9-1、TJII-Q100-500-2500(WW)、JY-SD-500型的屈曲约束支撑杆件，在支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑，有效地提高了支撑框架在中震和大震下的抗震性能。 屈曲约束支撑的安装 屈曲约束支撑的安装检查2.8 粘滞阻尼器的应用 高层钢结构建筑一般刚度和阻尼较小，地震作用比较敏感。安装阻尼器可以有效减轻结构的风振和地震响应。阻尼器主要有粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等。粘滞阻尼器可分为以下几种：圆柱状筒式粘滞流体阻尼器，以GERB公司生产制造为典型；粘滞阻尼墙，由日本的Sumitomo Construc

29、tionCompany始创；人造橡胶弹簧阻尼器，以法国Jarret公司生产制造为典型；粘滞液体阻尼器，以美国Taylor公式生产制造的为代表。粘滞液体阻尼器，简称粘滞阻尼器。粘滞阻尼器已经在高层建筑中得到广泛的应用，如北京银泰中心，上海广畅国际大厦，北京奥林匹克中心演播塔等。 粘滞阻尼器与支撑杆件组合，可以灵活布置在结构中，能较好的耗散地震输入能量，预防主体构件过度损伤。粘滞阻尼器对环境温度和激励频率的变化不敏感，产生的阻尼力与位移异相(相差兀2)；作为非结构构件，维修方便。 安置在结构中的液体粘滞阻尼器有以下明显的优点: (1)内置液体,本身没有可计算的刚度,不影响加阻尼器前结构的周期和振型; (2)滞回曲线呈椭圆型,保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移状态下受力为零,最大受力情况下位移为零; (3)既可以降低地震反应中的结构受力也可以降低反应位移; (4)可在地震和大风荷载下重复使用; (5)抗候性好。 安置阻尼器可以达到以下几个目的： (1)增加高层建筑的抗振、抗风能力 安装阻尼器后,可以增加建筑结构的阻尼比,在结构小震、机器振动以及风振过程中起到耗能作用,提高结构的抗振性能。同时,只要阻尼器安装得合适,还可以预防原设计没有考虑或考虑不足的振动受力,在风荷载影响比较大的高层建筑中起到重要的作用。