Tin tức ngành
Kết cấu thép nhà chọc trời: Giải thích về cấp độ, hệ thống và chi phí
Một tòa nhà chọc trời hiện đại đứng trên một kết cấu thép vì một lý do đơn giản: thép mang lại tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao nhất so với bất kỳ vật liệu xây dựng phổ biến nào, cho phép các kỹ sư đẩy sàn cao hơn trong khi vẫn giữ khung nhẹ hơn hệ thống bê tông cốt thép tương đương. Trong một tòa tháp điển hình cao 200 đến 300 mét, hệ thống ống lõi khung thép kết hợp cột thép cường độ cao với lõi bê tông hoặc composite có thể hoàn thành cấu trúc chính của tòa nhà văn phòng 30 tầng trong khoảng 180 ngày, so với hơn một năm đối với giải pháp bê tông thuần túy.
Bài viết này phân tích chính xác cách kết cấu thép được chỉ định, lắp ráp và bảo vệ trong các dự án nhà cao tầng và ở đó nó luôn hoạt động tốt hơn hoặc thua kém so với các giải pháp thay thế bằng bê tông.
Các loại thép được sử dụng trong nhà cao tầng Kết Cấu Thép Thiết kế
Không phải tất cả các kết cấu thép đều có thể hoán đổi cho nhau. Nhóm thiết kế tòa nhà chọc trời chọn các loại dựa trên đường dẫn tải, lộ trình chế tạo và mã quốc gia nào chi phối dự án. Ba nhóm tiêu chuẩn thống trị công trình xây dựng nhà cao tầng toàn cầu: hệ thống ASTM/AISC của Mỹ, hệ thống EN của Châu Âu và hệ thống GB của Trung Quốc, với các loại JIS của Nhật Bản và AS 4100 của Úc xuất hiện trong các dự án khu vực.
Trong hệ thống của Mỹ, A992 là cấp mặc định cho dầm và cột mặt bích rộng trong các tòa tháp thương mại, trong khi A572 Lớp 50 vẫn là lựa chọn hợp kim thấp có độ bền cao vì nó mang lại sự cân bằng mạnh mẽ về cường độ năng suất, khả năng gia công và khả năng hàn. A500 Hạng B bao gồm các phần kết cấu rỗng tạo hình nguội được sử dụng trong cột composite và thép phong hóa A588 được chọn khi thép lộ ra ngoài cần có khả năng chống ăn mòn tích hợp mà không cần sơn phủ. Ở Châu Âu, S355 là cấp độ tối ưu mặc định cho dầm trong đó độ cứng và độ võng kiểm soát thiết kế, vì vượt quá S355 hiếm khi làm giảm kích thước tiết diện đủ để bù đắp chi phí vật liệu bổ sung cho các bộ phận có nhịp ngắn hơn. Các tháp ống lõi khung của Trung Quốc thường chỉ định Q355B, đôi khi được ghép nối với các phần S355JR, A572 hoặc SM490A nhập khẩu trong các dự án liên doanh quốc tế.
| Tiêu chuẩn | Lớp | Sức mạnh năng suất tối thiểu | Sử dụng điển hình trong tháp |
|---|---|---|---|
| ASTM (Mỹ) | A992 | 345 MPa (50 ksi) | Dầm và cột mặt bích rộng |
| ASTM (Mỹ) | A572 Lớp 50 | 345 MPa (50 ksi) | Khung hợp kim thấp cường độ cao |
| ASTM (Mỹ) | A500 hạng B | 290 MPa | Cột rỗng và cột composite |
| VN (Châu Âu) | S355 | 355 MPa | Dầm, cột, khung tổng thể |
| VN (Châu Âu) | S460 trở lên | 460 MPa | Phần hộp chịu tải nặng, giàn nhịp dài |
| GB (Trung Quốc) | Q355B | 355 MPa | Cột và dầm ống lõi |
| JIS (Nhật Bản) | SM490A | 325 MPa | Dầm và cột tấm hàn |
Các loại năng suất cao hơn trong phạm vi 500 đến 550 MPa hiện có sẵn dưới dạng các mặt cắt cán nóng tiêu chuẩn ở cả Châu Âu và Hoa Kỳ, và nghiên cứu luyện kim đã chỉ ra rằng việc đẩy cường độ năng suất lên cao không làm tăng lượng carbon chứa trong một mặt cắt một cách tương ứng, khiến thép cường độ cao trở thành một trong những cách dễ tiếp cận hơn để cắt giảm trọng tải vật liệu mà không làm tăng tác động môi trường. Sự đánh đổi mà các kỹ sư cân nhắc là chi phí đơn vị: cột kết cấu thép cấp cao hơn có giá mỗi tấn cao hơn, do đó, khoản tiết kiệm chỉ được đền đáp khi trọng lượng và mức giảm lao động vượt quá mức phí bảo hiểm đó, điều này thường xảy ra trên các bộ phận nén chịu tải nặng, giàn chuyển và các chân chống nhịp dài thay vì trên dầm sàn thông thường.
Hệ thống kết cấu cốt lõi cho tòa nhà chọc trời bằng thép
Hầu hết mọi kết cấu thép siêu cao đều giải quyết theo một trong bốn chiến lược tải trọng ngang, đôi khi được kết hợp trong một tòa tháp duy nhất. Sự lựa chọn phụ thuộc vào chiều cao, hình dạng mặt bằng và bao nhiêu tấm sàn mà thiết kế có thể nhường cho cấu trúc.
Ống lõi khung thép
Lưới cột thép chu vi hoạt động cùng với lõi bê tông cốt thép hoặc thép composite ở giữa để chống lại cả trọng lực và tải trọng gió ngang. Đây vẫn là lựa chọn mặc định cho các tòa tháp trong phạm vi 200 đến 300 mét vì nó cho khoảng cách cột tiêu chuẩn khoảng 10 mét, đẩy diện tích sàn có thể sử dụng lên 78 đến 82% tổng diện tích và tích hợp hoàn hảo với các tấm sàn dự ứng lực hoặc thép composite.
Diagrid (Lưới chéo)
Các thành phần thép chéo trên chu vi tòa nhà chịu cả trọng lực và tải trọng ngang thông qua hình học tam giác, loại bỏ nhu cầu về các cột góc bên trong và giải phóng mặt tiền để lắp kính không bị gián đoạn. The Bow ở Calgary, ở độ cao 236 mét, là một ví dụ được ghi chép rõ ràng về lưới điện bên ngoài được xây dựng từ các phần thép loại Histar cường độ cao, được chọn đặc biệt để đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất gió và mặt trời thay vì chỉ riêng chiều cao.
Hệ thống giàn khung và giàn đai
Giàn khung chống đỡ kết nối lõi trung tâm với các cột chu vi tại các tầng cơ khí chọn lọc, giúp các cột đó chống lại mômen lật giống như cột của người trượt tuyết mở rộng đế đỡ của chúng. Các giàn đai truyền cùng một tải trọng trên một dải cột rộng hơn, làm giảm kích thước các bộ phận riêng lẻ. Các hệ thống này có hiệu quả đối với các tòa tháp mà lõi tháp không thể kiểm soát sự trôi dạt do gió gây ra trong giới hạn khả năng sử dụng.
Lõi cốt composite
Được sử dụng trên các tòa tháp cao nhất thế giới, hệ thống này bố trí nhiều cánh, mỗi cánh có cột lõi và cột chu vi riêng, xung quanh một trục trung tâm để các cánh giằng với nhau và giảm phản ứng xoắn. Trong khi ví dụ nổi tiếng nhất, Burj Khalifa, chủ yếu dựa vào bê tông cốt thép, các phiên bản bê tông thép hỗn hợp của hình học này ngày càng phổ biến khi tốc độ xây dựng quan trọng ngang với chiều cao tối đa.
Hệ thống chùm chuyển xuất hiện ở bất cứ nơi nào lưới cột phải dịch chuyển giữa sảnh hoặc bục rộng và lưới tháp chặt chẽ hơn ở trên. Cấu trúc chuyển giao phân phối lại tải trọng từ các cột phía trên xuống các cột nhỏ hơn, lớn hơn bên dưới và vì giàn chuyển tải mang tải trọng tập trung rất lớn nên chúng hầu như luôn được chế tạo từ thép cao cấp hơn để giữ độ sâu của cấu kiện trong phạm vi chiều cao từ sàn đến sàn có sẵn.
Trình tự tiền chế và xây dựng
Lợi thế về tốc độ xây dựng của kết cấu thép gần như hoàn toàn đến từ việc đúc sẵn tại nhà máy. Cột, dầm và cốt thép được cắt, hàn và kiểm tra chất lượng tại chỗ, sau đó được vận chuyển dưới dạng các bộ phận hoàn thiện để kết nối tại hiện trường bằng bu lông hoặc hàn. Trong một dự án được vận hành tốt, quy trình công việc này sẽ trải qua bốn giai đoạn chồng chéo.
- Giai đoạn 1 Bản vẽ cửa hàng và mô hình tham số xác định mọi bộ phận, kết nối và lỗ bu lông trước khi bắt đầu chế tạo, điều này cho phép cắt CNC năm trục tạo ra các hình dạng phức tạp như mặt tiền xoắn hoặc bề mặt hyperbol mà không cần lắp thử tại chỗ.
- Giai đoạn 2 Chế tạo ngoài công trường và chế tạo sẵn tại nhà máy thường đạt tỷ lệ hoàn thành 90% đối với các cột thép lõi và phần hộp trước khi các mảnh đó đến địa điểm.
- Giai đoạn 3 Quá trình lắp dựng tại chỗ được tiến hành theo từng tầng, với các đội lắp dựng thép thường đi trước hai đến ba tầng so với vị trí đặt sàn bê tông hoặc kim loại, và tường rèm hoặc phần thô cơ và điện sẽ theo sát phía sau thay vì chờ hoàn thiện kết cấu đầy đủ.
- Giai đoạn 4 Các công việc hoàn thiện và đóng mặt tiền diễn ra song song với việc lắp dựng thép ở tầng trên, đó là lý do chính khiến một tòa tháp văn phòng bằng thép cao 200 mét có thể hoàn thành đáng kể trong khoảng 12 tháng so với khoảng 30 đến 36 tháng đối với một tòa nhà bê tông đúc tại chỗ tương đương, bao gồm cả thời gian bảo dưỡng.
Trình tự này rút ngắn thời gian xây dựng toàn diện cho một tòa nhà chọc trời bằng thép tầm trung xuống dưới 24 tháng trong nhiều trường hợp, điều này làm thay đổi đáng kể thời gian cấp vốn và cho thuê của nhà phát triển so với chiến lược chỉ cụ thể.
Kỹ thuật gió và địa chấn cho khung thép cao
Về mặt cấu trúc, mọi tòa nhà cao tầng đều là một công xôn thẳng đứng cố định với mặt đất, do đó khi chiều cao tăng lên, lực ngang từ gió và động đất tăng nhanh hơn nhiều so với tải trọng trọng trường. Kết cấu thép đáp ứng điều này theo ba cách: thông qua hình học, thông qua giảm chấn và thông qua chi tiết kết nối.
Việc thuôn nhọn hoặc xoắn hình học làm giảm tải trọng gió bằng cách ngăn chặn sự hình thành xoáy hình thành theo mô hình phối hợp theo chiều cao của tháp; Hình dạng xoắn của Tháp Thượng Hải là một ví dụ được trích dẫn rộng rãi về phương pháp này được thiết kế đặc biệt để cắt giảm tải trọng do gió gây ra. Khi hình học không thể kiểm soát được sự trôi dạt, các kỹ sư bổ sung thêm một bộ giảm chấn khối lượng đã điều chỉnh, một đối trọng chuyển động lớn gần đỉnh tòa nhà dao động lệch pha với sự lắc lư của tòa tháp; Van điều tiết của Đài Bắc 101 là một trong những ví dụ rõ ràng nhất về công nghệ này và vẫn là một phần trong chuyến tham quan công cộng của tòa nhà.
Chi tiết địa chấn cho khung thép phụ thuộc vào các kết nối dẻo được thiết kế để chịu uốn một cách có kiểm soát trong một trận động đất cực mạnh thay vì bị gãy đột ngột. Các kết nối khung mô-men xoắn, các thanh giằng chống oằn và các cột ống thép nhồi bê tông là ba công cụ phổ biến nhất cho việc này và mỗi công cụ này yêu cầu người chế tạo phải kiểm soát chất lượng mối hàn và độ bền chặt hơn nhiều so với trên một bộ phận hoàn toàn chịu trọng lực.
Kết cấu thép và kết cấu bê tông: So sánh trực tiếp
Không có vật liệu nào chiến thắng mọi hạng mục. Sự so sánh dưới đây phản ánh kết quả điển hình của các tòa tháp trong phạm vi 150 đến 350 mét, trong đó cả hai hệ thống đều là những lựa chọn thực tế.
| Danh mục | Kết Cấu Thép | Kết cấu bê tông |
|---|---|---|
| Chiều dài kết cấu chính (tháp 30 tầng) | Khoảng 180 ngày | 12 tháng trở lên |
| Tỷ lệ diện tích sàn sử dụng ròng | 78% đến 82% | 65% đến 70% |
| Đơn giá xây dựng đơn vị | 1.200 đến 1.500 USD mỗi mét vuông | Thường cao hơn từ 15% đến 20% trong trường hợp nhà cao tầng |
| Tiềm năng giãn cách cột | Khoảng cách tiêu chuẩn lên tới 10 mét | Thường chặt chẽ hơn do giới hạn nhịp tấm |
| Chi phí bảo trì hàng năm | 3% đến 8% chi phí xây dựng ban đầu | Nói chung việc bảo trì lớp phủ liên tục thấp hơn |
Mục hàng bảo trì xứng đáng được xem xét kỹ hơn. Kết cấu thép cần thay mới lớp phủ chống ăn mòn khoảng 10 đến 15 năm một lần, với chi phí thông thường là 20 đến 30 đô la Mỹ cho mỗi mét vuông bề mặt phủ, cộng với việc kiểm tra kết cấu định kỳ. Các tòa nhà lắp đặt hệ thống giám sát tình trạng kết cấu liên tục, theo dõi độ mỏi và hiệu suất kết nối trong thời gian thực, có thể cắt giảm khoảng một nửa chi phí bảo trì khẩn cấp bằng cách phát hiện tình trạng hư hỏng trước khi nó trở thành phương pháp sửa chữa phản ứng tốn kém. Trong toàn bộ vòng đời, sự kết hợp của việc xây dựng nhanh hơn, diện tích cho thuê cao hơn và chu kỳ phủ có thể dự đoán được thường là điều khiến kết cấu thép trở thành lựa chọn cạnh tranh về chi phí hơn khi các mốc thời gian tài chính và cho thuê được tính đến, mặc dù chi phí bảo trì nguyên liệu thô và lớp phủ riêng lẻ có thể cao hơn bê tông.
Phòng cháy chữa cháy và kiểm soát ăn mòn
Thép kết cấu không được bảo vệ sẽ mất khoảng một nửa sức bền khi đạt tới khoảng 550 độ C, nhiệt độ mà một vụ cháy tòa nhà có thể vượt quá trong vòng vài phút, vì vậy việc phòng cháy không bao giờ là tùy chọn đối với một tòa nhà chọc trời bằng thép có người ở. Ba cách tiếp cận thống trị thực tiễn hiện nay.
Chống cháy phun
Lớp phủ bằng xi măng hoặc sợi khoáng được phun trực tiếp lên dầm và cột, có kích thước theo độ dày để đạt được mức chịu lửa cần thiết, thường từ một đến ba giờ tùy thuộc vào vai trò của các bộ phận và phân loại sức chứa của tòa nhà.
Lớp phủ phồng
Một lớp phủ mỏng giống như sơn sẽ nở ra thành lớp than cách nhiệt khi tiếp xúc với nhiệt của lửa, được ưa chuộng trên thép kiến trúc lộ ra ngoài nơi kết cấu phun không được chấp nhận về mặt thị giác.
Cột ống thép nhồi bê tông
Việc đổ bê tông vào phần thép rỗng giúp cột có một bộ tản nhiệt bên trong và một đường dẫn tải thứ cấp nếu lớp vỏ thép bên ngoài mềm đi, đó là lý do tại sao các cột ống nhồi bê tông ngày càng phổ biến trên các lõi composite siêu cao.
Kiểm soát ăn mòn tuân theo logic phân lớp tương tự: lớp sơn lót được áp dụng tại xưởng, lớp phủ ngoài hiện trường và trong môi trường ven biển hoặc công nghiệp, lớp thép chịu được thời tiết hoặc mạ kẽm nhúng nóng cho các bộ phận không thể dễ dàng sơn lại sau khi lắp dựng. Chi tiết tránh bẫy nước, chẳng hạn như mặt bích nghiêng trên cùng và lỗ thoát nước trong phần hộp, ngăn ngừa các lỗi rỗ nhỏ mà cuối cùng buộc phải thực hiện một chu trình sơn lại đầy đủ.
Tính bền vững của kết cấu thép trong các tòa nhà cao tầng
Thép kết cấu gần như có thể tái chế hoàn toàn khi tòa nhà hết thời gian sử dụng và hầu hết các phần được chế tạo đều chứa một tỷ lệ đáng kể phế liệu tái chế tùy thuộc vào lộ trình sản xuất. Tuy nhiên, đòn bẩy bền vững lớn hơn cho một tòa nhà chọc trời là tổng trọng tải: nghiên cứu về việc sử dụng thép cường độ cao đã phát hiện ra rằng việc chuyển sang loại thép có năng suất cao hơn hầu như không làm tăng lượng carbon tiêu tốn trên mỗi tấn thép, do đó, việc tiết kiệm trọng lượng từ việc sử dụng loại thép cường độ cao hơn gần như chuyển trực tiếp thành lượng khí thải carbon thấp hơn cho cấu trúc hoàn thiện. Đó là một phát hiện có ý nghĩa, bởi vì nó có nghĩa là các nhà thiết kế không phải đánh đổi hiệu quả cấu trúc với hiệu quả môi trường như cách họ đôi khi làm với các vật liệu thay thế khác.
Ngoài việc lựa chọn vật liệu, những lợi thế trong giai đoạn xây dựng của kết cấu thép còn có sức nặng bền vững riêng. Chế tạo ngoài công trường giúp cắt giảm chất thải tại chỗ, rút ngắn thời gian xây dựng nặng về thiết bị tạo ra tiếng ồn và khí thải xung quanh khu đô thị đông đúc, đồng thời cho phép các đội phá dỡ phục hồi và bán lại các phần kết cấu dễ dàng hơn nhiều so với việc họ có thể cải tạo bê tông cốt thép.
Kết Cấu Thép Trong Các Dự Án Tòa Nhà Chọc Trời Nổi Bật
Các dự án thực tế cho thấy những nguyên tắc này diễn ra như thế nào trên quy mô lớn. Các ví dụ dưới đây bao gồm các chiến lược cơ cấu khác nhau chứ không phải là một cách tiếp cận "tốt nhất" duy nhất.
| tòa nhà | Chiều cao | Hệ thống kết cấu sơ cấp |
|---|---|---|
| Trung tâm Thương mại Một Thế giới, New York | 541 m | Lõi bê tông cốt thép với khung chịu lực thép chu vi |
| Cây cung, Calgary | 236 m | Diagrid thép bên ngoài |
| Đài Bắc 101, Đài Bắc | 508 m | Cột thép có bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh |
| Tháp Thượng Hải, Thượng Hải | 632 m | Lõi bê tông thép liên hợp có lớp vỏ ngoài xoắn |
Một làn sóng tháp mới được đề xuất đang đẩy khái niệm lưới thép đi xa hơn, bao gồm cả tòa nhà siêu cao được quy hoạch ở New York được xác định bằng lưới thép lộ thiên bên ngoài, đóng vai trò như cả hệ thống kết cấu mặt tiền và mặt bên chứ không phải là lớp kết cấu ẩn đằng sau kính. Xu hướng cấu trúc nhìn thấy được này phản ánh niềm tin ngày càng tăng về khả năng của thép cường độ cao trong việc thực hiện đồng thời cả trách nhiệm về mặt thẩm mỹ và kỹ thuật.
Những câu hỏi thường gặp về kết cấu thép nhà chọc trời
Tại sao thép được ưa chuộng hơn bê tông trong các tòa nhà rất cao?
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng của thép cho phép tòa tháp chịu cùng tải trọng với khung nhẹ hơn, giúp giảm nhu cầu về nền móng, tăng tốc độ xây dựng thông qua chế tạo sẵn và giải phóng diện tích sàn vì các cột có thể nhỏ hơn và cách xa nhau hơn. Bê tông vẫn có tính cạnh tranh hoặc được ưa chuộng ở những khu vực mà năng lực chế tạo thép bị hạn chế hoặc nơi thiết kế yêu cầu lõi rất cứng, giảm chấn nặng.
Sự khác biệt giữa thép kết cấu và thép cường độ cao là gì?
Thép kết cấu là loại thép tiết diện chung được sử dụng trong khung xây dựng, thường có cường độ chảy từ khoảng 235 đến 355 MPa. Thép cường độ cao đề cập đến các loại trên phạm vi đó, thường là 460 MPa trở lên, với một số sản phẩm cán nóng hiện đạt 500 đến 550 MPa trong khi vẫn duy trì khả năng hàn cần thiết cho các kết nối tại hiện trường.
Xây dựng một tòa nhà chọc trời bằng thép mất bao lâu so với bê tông?
Một tòa tháp văn phòng bằng thép cao 200 mét có thể hoàn thiện kết cấu đáng kể trong khoảng 12 tháng bằng cách sử dụng quy trình đúc sẵn tại nhà máy và trình tự thương mại song song, so với 30 đến 36 tháng đối với kết cấu bê tông đúc tại chỗ tương đương, phần lớn là do bê tông cần thời gian bảo dưỡng mà việc lắp dựng thép không làm được.
Kết cấu thép có cần bảo trì nhiều hơn bê tông không?
Thép cần một chu kỳ bảo trì lớp phủ xác định, thường là sơn lại sau mỗi 10 đến 15 năm với chi phí khoảng 20 đến 30 đô la Mỹ cho mỗi mét vuông bề mặt được bảo vệ, cộng với việc kiểm tra định kỳ về độ ăn mòn hoặc độ mỏi. Bê tông có các nhu cầu bảo trì khác nhau, chủ yếu liên quan đến nứt, vỡ và ăn mòn cốt thép, do đó, tổng chi phí bảo trì vòng đời phụ thuộc nhiều vào khí hậu và chất lượng chi tiết thay vì chỉ lựa chọn vật liệu.
Kết cấu thép có thể đạt được các hình dạng kiến trúc phức tạp hoặc xoắn không?
Đúng. Mô hình tham số kết hợp với cắt CNC năm trục cho phép các nhà chế tạo tạo ra các thành phần thép phi tiêu chuẩn cho các bề mặt hyperbol, dạng xoắn ốc hoặc mặt tiền mặt, với các công xôn mở rộng vượt xa những gì giải pháp bê tông tương đương có thể đạt được mà không cần kết cấu chuyển tải nặng.
Loại thép nào được sử dụng phổ biến nhất trong các cột nhà chọc trời?
A572 Lớp 50 and A992 dominate in the United States, S355 is the default in Europe, and Q355B is the standard choice on Chinese frame-core tube towers, with higher grades reserved for heavily loaded transfer members, outrigger trusses, and long-span box sections where the weight savings justify the higher unit cost.
Chúng tôi đáp ứng nhanh chóng mọi yêu cầu quốc tế và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật khi cần thiết.
sản phẩm Danh mục
Cầu Bailey/Cầu mô-đun Cầu thép mô-đun Cầu đi bộ Cầu ống mô-đun Cầu giàn Kết Cấu ThépLiên hệ Chúng tôi
+86-511-84522866
+86-13921582699
zhwm@zjql.com
Tòa nhà 1,83#, Thị trấn mới dantu, Đường Yanjiang, Quận Dantu, Trấn Giang, Giang Tô, Trung Quốc
Bản quyền© Jiangsu Zhonghai Bridge Equipment Co., Ltd. All
Quyền
Đã đặt trước
Cần bán cầu Bailey Trung Quốc
nhà cung cấp cầu Bailey từ Trung Quốc
