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          未來高強度鋼材的使用和趨勢研究


            本文探討了高層建筑設計的主要推動力、常用的水平和垂直荷載系統以及高強度鋼材對建筑物可行性的重要作用。本文將用到WSP在美國、英國和亞洲的大量高層建筑項目的典型工程。通過各代表工程研究探討關鍵設計要素,并闡述通過使用高強度鋼材、Nb等微合金化元素實現的重要好處。
            高層建筑設計涉及在滿足客戶、建筑師、監管機構以及大量相關設計專業人士的需求之間實現某種平衡。這種平衡通常意味著需對保證建筑物穩定性的主要結構元件進行尺寸調整,以盡量減少它們對建筑物的影響。正是在這種情況下,結構工程師開始考慮使用高強度鋼材(355 N/mm2及以上)以便實現相關目標。
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            高層建筑的設計
            1.1設計流程
            在高層建筑項目的設計中,每個利益相關方都有不同的需求,因此,他們的愿望就成了高層建筑設計的推動力。例如,建筑師對美學和整體功能感興趣,服務工程師對可持續運營以及服務的有效整合感興趣,而監管機構感興趣的是設計對城市景觀可能產生的影響以及如何確保生命安全目標處于重中之重的地位。
            作為設計主要推動力之一的客戶愿望很簡單,即項目必須在經濟上可行,否則一切將無從談起。因此,必須在盡可能節約成本的同時,滿足客戶對項目的功能需求及其他期望。 對于結構工程師來說,設計高層建筑或許不難,但前提是工程師掌握了各相關領域的具體要求。高層建筑的橫向穩定系統及整體結構形態,在項目成本與功能的可行性方面發揮著重要作用。結構造價可高達總建筑成本的15%-20%,但其效益和效率對項目的其他組成部分均有影響。最佳結構方案的選擇需征求項目各利益相關方的意見。
            1.2結構形態
            高層建筑基本上都是拔地而起的懸臂施工。樓層層數越多,重力就越大,支柱、剪力墻和地基所需材料的強度也越大。此外,樓層越高,風力、地震力等水平荷載也越大。如果假設高層建筑使用的都是懸臂施工,那么樓層越高,水平荷載的杠桿臂也就越大,同時建筑物地基的傾覆力矩也越大。因此,在一定高度以上,橫向穩定系統成了結構性問題的重點。
            總體結構性能需要滿足一些標準。第一個顯然是強度標準;結構系統的整體強度必須使之足以承受所施加的荷載。但是,在高層建筑設計中往往以適用性為主。高層建筑結構必須足夠堅固穩定,不僅要能保證建筑物保護層外墻在承受側向力對建筑物造成的變形時不透水,還能確保其動態特性不會讓其高層居住者在脈動風荷載的作用下,因不可避免的晃動而感到不適。除這些主要的性能特點外,高層建筑還須抗震、在發生突發事故時不坍塌,而且堅固耐久,即達到一定的設計使用年限。

            有諸多可以采用的橫向穩定結構,每種結構形式的適用性主要取決于樓層高度、場地限制、巖土條件及其他利益相關者的需求等。這種結構系統可以通過使用穩定支撐與周圍立柱相接合的方式加強,如圖1所示。類似于滑雪者在拐彎時使用伸出桿來獲得額外的橫向穩定性,穩定支撐系統有效地增加了橫向力分散作用的基礎面。穩定支撐系統的關鍵部件首先是穩定支撐本身,因為它們必須在附墻柱和核心結構之間傳遞高剪切力;其次是附墻柱,完全從剛度的角度來說,有時附墻柱的面積必須增加。穩定支撐系統有時可與環帶桁架一起使用,環帶桁架基本上將荷載分散到更多的構件上,從而提高了剛度并確保單個尺寸較小。

            懸臂支撐系統的主要缺點是它們占用了寶貴的地面空間。管狀物和斜肋構架等周界結構的優點是它們可以在釋放內部空間的同時,自行承受水平荷載。周界結構的作用是承受導致外表面發生拉伸和壓縮變化的風荷載以及作用于側面的剪力。這種管狀物的部件(如柱子和拱肩)的剛度對于抵消可能影響結構效率的剪力滯至關重要,如圖2所示。紐約世界貿易中心的雙子塔或許是周界管狀系統最著名的實例。

            斜肋構架可以是更有效的周界結構,因為斜肋構架承受的純軸向載荷主要是剪力負載。斜肋構架還不需要立柱,因為其構件既承受重力,又承受水平荷載。通過密切留意斜肋構架構件的角度和剛度,可大大降低剪力滯的低效趨勢。
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            高強度鋼材的使用
            目前,高層建筑設計中使用的鋼材最普遍的等級是S355和S460,S355主要用于制造熱軋建筑型鋼和鋼板,S460主要用于制造鋼筋。雖然S355常用于西方高層建筑,但它在發展中經濟體的廣泛應用仍處于初級階段,因此具有巨大的經濟和工程潛力。屈服強度在355-460N/mm2及以上的高強度鋼材,通常需要更高的韌性和延展性以及更強的抗疲勞性能和可焊性。從結構角度來看,所有這些都是理想特性,在某些情況下,如在地震帶中,這些特性尤為重要。
            實現這一目標的關鍵途徑之一是通過鈮(Nb)微合金化,來提高鋼材的強度和韌性。這是在鋼的加工過程中,使用Nb進行微合金化的冶金好處,由此可以降低合金元素含量及碳含量,同時在相同或更高的屈服強度和拉伸強度下,保持高韌性和良好的可焊性。與所有元素一樣,Nb的合金含量必須根據所用鋼材或鋼板的生產工藝路線和性能要求進行選擇。
            但有一個主要特性不會隨著鋼材生產工藝路線的改變發生根本變化,那就是鋼材的剛度或楊氏模量。因此,如果要使用截面尺寸的主要推動力是剛度而不是強度,那么使用更高強度的鋼材將沒有多大優勢。因此,要搞清高強度的優勢在哪里?可以發揮最大作用,必須了解每個構件的實際作用。選擇垂直框架結構系統的最大推動力往往是建筑物的終端用途。如果建筑物主要用于商業辦公,那么垂直結構系統通常采用鋼架結構。如果建筑物主要用于住宅(包括酒店),那么垂直結構系統通常采用混凝土框架結構。橫向穩定系統需與垂直框架系統結合。因此,如果框架系統是鋼結構,那么橫向穩定系統可以是鋼結構或混凝土結構。如果垂直框架系統是混凝土結構,那么橫向穩定系統往往也采用混凝土結構。
            如果垂直框架系統是鋼結構,大部分噸位將位于樓面系統的鋼梁中。對于商業及辦公建筑來說,最主要的是權衡支柱間距(跨度)和施工深度,以盡量減少層高。S355是用于保持斷面尺寸最小化、保持剛度以及保持在撓度限值內的最佳強度等級鋼。對于較長的跨度,鋼梁往往被適用性或剛度驅動,因此,這些構件使用比S355更高強度的鋼材可能沒有什么好處。在施工區域受到限制的情況下,鋼梁越來越重要的加工路線是用于服務集成的帶孔的焊接截面。因此,良好的可焊性成為所用高強度鋼材的基本性能。
            如果垂直框架系統是混凝土結構,則驅動力往往是適用性。因此,無梁板建筑的主要形式是后張預應力平板,并需要降低層高。高后張法鋼絞線用于控制樓面板的開裂,進而控制樓面板的適用性。
            可使用高強鋼的高層建筑設計的關鍵結構部件如下:
            ◆支柱和支撐- 主要承受壓縮的單個構件,構成垂直承重系統或周邊管/斜肋構架系統的一部分;
            ◆剪力墻-通常構成內部核心系統一部分的單個構件;
            ◆連接梁-將剪力墻連接在一起形成核心結構的單個元件;
            ◆伸臂桁架/墻-將外圍立柱與內部核心結構相連的桁架或墻壁;
            ◆環帶桁架-將外圍立柱連接在一起的桁架;
            ◆轉換結構-有助于將垂直荷載從單個構件傳遞到其他垂直承載構件的結構;
            ◆連接-任何系統或組件中構件之間的連接。
            對于高層鋼框架結構,結構底部的支柱和支撐通常在正常截面范圍之外,這意味著要使用的截面由板制成。常見的形式包括焊接工字形和箱形截面、管柱-通常是鋼管混凝土柱-以及鋼-混凝土組合構件。高強鋼在減小構件尺寸、通過減小構件重量來提高可施工性、以及確保焊接形式的良好可焊性方面具有優勢。
            對于高層混凝土框架結構,則通過使用強度越來越高的混凝土來減小支柱構件尺寸。為了能夠利用這些混凝土,還需要加強鋼筋產生的約束。另外,在地震高發地帶,這些構件還需要提供最小約束鋼筋以滿足變形性能的要求。這通常會導致橫截面擁擠,特別是需要在柱式接頭處搭接鋼筋或者這些構件遇到地基時。使用更高強度的鋼筋(670 N/mm2及以上)可以減少這種擁擠。
            混凝土剪力墻施工也是如此。剪力墻主要在彎曲和剪切
            中起作用。減小剪力墻的厚度對于最大化樓面板上的凈面積很重要。鋼筋需要放置在墻內的特定區域內,以確保良好的延性和強度性能。在地震高發地帶和疾風地帶,通常沒有足夠的空間來放置鋼筋,這意味著不能建造某些剪力墻,或者需要增加尺寸。同樣,采用更高強度的鋼筋(670 N/mm2及以上)來減少這種擁擠,同時保持剪力墻的最小厚度。
            混凝土剪力墻中的連接梁或連梁是重要的高應力構件,它們使穩定系統的各種元件協同工作。連接梁往往放置在開口和門口上方,因此通常受到深度和厚度的限制。這些構件主要用于剪切和彎曲,因此常常被大量配筋。在可施工性方面,擁擠是一個問題,高強度鋼筋已被用于減少這種情況,同時,確保滿足變形和延性要求。
            在高層建筑中,傳輸系統(通過建筑物的負載路徑在其中被轉移)幾乎是不可避免的。這些傳輸系統需要進行設計和細化,以盡量減少對架構、空間和成本的影響。高強度鋼材可用于減小構件尺寸及重量,以減少對空間的影響,確保在施工期間,可以更容易地將這些構件放置在建筑物內。
            最后,必須將鋼框架結構連接在一起,以制作有效的框架系統。這對周界管狀結構和斜肋構架結構尤其重要。將構件連接在一起的首選方法是采用螺栓連接方式,以減少對現場焊接的需求。通常在主要橫向穩定構件中傳遞的力可能很大,這意味著傳遞力所需的鋼板和螺栓使得連接非常繁瑣。周界結構必須與立面系統結合在一起,有時連接尺寸與立面的夾點處不協調。可以使用高強鋼來減小鋼板尺寸,并確保主體結構與立面更容易結合。
            總的來說,強度更高意味著每個組件的重量更低。它降低了制造成本以及運輸和裝卸等重要的成本。隨著壁厚的減小,焊接金屬體積也減小。焊接金屬的體積決定了制造組件所需的生產時間,由于框架制造往往是項目完成的關鍵途徑,因此這是一個不斷增長的經濟驅動力。由于與Nb微合金化煉成的高強度鋼材能提供細晶粒,所以如果冷成形性和可焊性是制造的關鍵方面,它們就非常適合。當低碳也是含Nb微合金化鋼設計的一部分時,其益處尤其大。
            總之,在現代高層建筑中使用高強度鋼材適合結構框架的某些區域,其性能有利于減小構件尺寸,從而確保框架系統與建筑圍護結構和地面空間更有效地結合。與S235相比,采用S355等強度可以節省整體重量,從而節約成本;而選擇性使用更高強度(例如S460)可以進一步節省支柱的重量(與S355相比,最多可節省14%)。在材料成本方面,與S355相比,采用S460可節省約10%;與S235相比,可節省約25%。
            所有這些都是通過在鋼板和鋼梁中添加微量的鈮,以及更高強度的鋼筋來實現的,這樣能開發出更堅固、更堅韌和易于焊接的鋼材,即使是最厚的截面也是如此。未來,隨著建筑物新結構形式的發展,使用高強度鋼材的機會將更多。
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            超高層建筑和巨高層建筑
            CTBUH(高層建筑與城市住宅委員會)對超高層建筑的定義是超過300m的建筑物,對巨高層建筑的定義是超過600m的建筑物。2010年,孟買建造了700多米高的印度塔。這座塔非常纖細,其主要橫向穩定系統是由塔外圍的三個堅固的核心結構,通過該塔與各種高度的大量多層聯動裝置連接而成。除了這些聯動裝置之外,暴露的超對角支撐也將主要核心結構連接在一起。
            由于施加在系統上的風荷載很多,聯動裝置和超對角支撐都承載著大量的荷載。在如此纖細的塔中,樓面板的凈總效率至關重要,而高強度鋼材則是減少主要聯動裝置尺寸的理想選擇。
            迪拜的棕櫚塔超過1000m高。這座塔是位于迪拜海濱的多用途高塔,形態非常纖細,其主要橫向穩定系統由四個相互連接的部分組成。被稱為人行天橋的關鍵聯動裝置位于200多層建筑物中每25層的5層。建筑的分段形式也減少了整體風荷載。每個部分的主要垂直荷載都通過大量高強度混凝土巨型支柱進入地面。這些支柱需要使用高強度鋼筋,以利用提出的更高強度的混凝土。這些人行天橋通過各個部分內周的剪力墻以及外周的五層高結構鋼桁架相連接。這些部分在內外周與五層高混凝土和鋼結合梁相連。這些連接結構承載了大量載荷,并且使用高強度鋼材來確保這些構件具有足夠的強度和延性,以在許多循環加載中起作用。
            從這兩個建筑可以看到,未來將引入新的結構形式(相連的核心結構和相連的分段結構),這些結構形式將滿足建筑越來越高的愿望。這些形式將需要具有更高強度、延性、韌性和耐久性的新型建筑材料,在鋼制品中預計會使用鈮等微合金化元素。更高強度的鋼材將在今天和未來發揮重要作用,將這些夢想變為現實。


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