房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的探究

1、房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的探究臺(tái)北101大廈XX（XX 班，學(xué)號(hào) XXXXXX）1引言鋼結(jié)構(gòu)高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在國(guó)外巳有百年的歷史。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和施工技 術(shù)水平的不斷提高，以及城市人口集中、用地緊張以及商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的激烈化，使高層和超高層建筑迅猛發(fā)展。 自早期的希爾斯大廈起，在世界各地，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑相繼出現(xiàn)，不僅僅在高度上，也在設(shè)計(jì)理念和施 工技術(shù)方面不斷進(jìn)步，如雙子塔（馬來(lái)西亞石油大廈）、上海金茂大廈、臺(tái)北101大廈、廣州新電視塔、自 由塔（美國(guó)紐約）、紫峰大廈等。下面，就以臺(tái)北101大廈為例，探究鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用，尤其 是在巨型結(jié)構(gòu)一一耗能支撐體系中的應(yīng)用。2設(shè)計(jì)

2、理念1 0 1大廈的創(chuàng)作構(gòu)思溯源深層文化，秉承傳統(tǒng)的東方哲學(xué)思想，以現(xiàn)代科技的建筑語(yǔ)言加以詮釋，取吉 祥高升、富貴飽滿之含義。設(shè)計(jì)者追求回歸傳統(tǒng)，試圖以中國(guó)傳統(tǒng)之木構(gòu)架重塔樓的建筑形態(tài)來(lái)塑造現(xiàn)代 觀念的摩天大廈。塔樓平面呈正方形，符合唐代四方形平面寶塔的型制，并且四隅有小階角，以免形體過(guò) 于龐大而顯得呆板。平面下小上大，塔身向上收分，墻面散發(fā)著琉璃綠光。大廈外觀分為九段，暗示著九 級(jí)浮屠之制，塔樓頂部則接近塔剎的形狀。每級(jí)分段的分解采用花瓣式對(duì)開。主塔形式較接近于山花蕉葉 形，是唐宋營(yíng)造法較為常見的形式，除禮佛之外，又兼有祈圣納福之義。在本案的造型中，設(shè)計(jì)師舍棄了 傳統(tǒng)的習(xí)慣于將摩天樓統(tǒng)一大體

3、量化的概念，而是采用多節(jié)式的外觀，斗呈上大狹小的形狀，層層相接形 成竹節(jié)狀，宛如竹子節(jié)節(jié)升高、柔韌有余，象征生生不息的中國(guó)傳統(tǒng)的建筑含義。利用透明材料形成視覺 的穿透效果。斜立面與多層次的結(jié)構(gòu)猶如花開綻放，富貴飽滿，實(shí)現(xiàn)一花一世界，一臺(tái)一如來(lái)，臺(tái)臺(tái)皆世 界，步步是未來(lái) 的東方哲學(xué)理念。同時(shí) 在細(xì)部組件中亦有咬錢龜、祥云、龍頭、如意等傳統(tǒng)圖騰和中國(guó) 古代建筑裝飾意趣。雖然摩天樓是西方文明的產(chǎn)物，但與上海的金貿(mào)大廈一樣，該方案在建筑形態(tài)方面亦 有著濃厚的東方意味?？梢姮F(xiàn)代摩天樓概念跨越東西方文化，藝術(shù)形式突破本土與國(guó)際的界限。3結(jié)構(gòu)與構(gòu)造3.1構(gòu)造特點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合建筑立面的變化而有所限制，再加上地

4、基大小和建筑法規(guī)的限制，規(guī)劃之后的建筑高寬比達(dá) 到了 62： 1，巳經(jīng)接近紐約世貿(mào)大樓的65： 1。由于處于地震帶、臺(tái)北受颶風(fēng)的影響以及911事件帶給人們 深刻的反思，建筑結(jié)構(gòu)體的堅(jiān)固性問(wèn)題成為了重中之重，致使本摩天樓的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方案的選擇更加具有挑 戰(zhàn)性。如采用筒中筒結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是密柱深梁，由每隔3米的外柱形成外筒，與由核心柱與核心斜撐形成 的內(nèi)筒通過(guò)桁架聯(lián)系成為整體。如果采用巨型桁架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，則由16根巨型SRC邊柱，即每隔8層設(shè)置一 層樓高的巨型梁，與中央斜撐核心筒連接。巨型構(gòu)架的整體則類似由11個(gè)次結(jié)構(gòu)所連接。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬計(jì) 算、比較評(píng)估之后，決定采用巨型桁架結(jié)構(gòu)。主要考慮在相同的屋頂水

5、平位移之下，該結(jié)構(gòu)類型較為經(jīng)濟(jì)。 同時(shí)，無(wú)論對(duì)外開窗，內(nèi)部空間使用，都較筒中筒容易。巨型桁架系統(tǒng)可以滿足強(qiáng)柱弱梁的需求?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié) 合的接電焊量較少，不足之處是構(gòu)件和細(xì)部設(shè)計(jì)較為不易。實(shí)施方案中服務(wù)核內(nèi)共有16支箱型柱，每8層 構(gòu)件成一個(gè)組，自主構(gòu)成空間，如一個(gè)11層的組合建筑，以8根巨型鋼結(jié)構(gòu)圈梁和高性能混凝土強(qiáng)化建筑 結(jié)構(gòu)。主樓四周每側(cè)采用兩根巨型鋼柱延伸至90層，與H形梁組成抗彎構(gòu)架，提供局部載重的遷移使用并 提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。62層以下的箱形柱內(nèi)均灌注10000psi自充填高性能混凝土，使結(jié)構(gòu)整體堅(jiān)固程度遠(yuǎn)超過(guò) 建筑法規(guī)之規(guī)定，可以承受2500年一遇的10級(jí)以上大地震。臺(tái)北101為大型多功能綜

6、合開放項(xiàng)目，主要 用途為金融業(yè)務(wù)?；孛娣e達(dá)3萬(wàn)皿，是臺(tái)北市繁華地段中絕無(wú)僅有的大規(guī)模方整地塊。為了給市民提供 活動(dòng)休憩的空間，本開發(fā)方案建筑紅線退縮35m,創(chuàng)造開放的公共空間共達(dá)2.5萬(wàn)皿，建筑密度僅為49.8%。 主體為101層摩天樓，平均單層面積為1403-2393平方米，皆為金融機(jī)構(gòu)辦公使用。為提高抗風(fēng)能力并 保障最佳消防安全及機(jī)電供應(yīng)效率，每8層設(shè)置一機(jī)械層，共有11層機(jī)械層。大樓頂部為通訊塔，以順 應(yīng)信息時(shí)代的需求。大樓為SRC鋼骨加高強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)。全棟建筑的外墻采用玻璃帷幕墻，使用雙層 隔熱清水玻璃，僅底部采用石材。大樓地5層，全面開挖，單層面積達(dá)2.4萬(wàn)皿。筏基內(nèi)安放儲(chǔ)冰槽，

7、 以提供高效經(jīng)濟(jì)的空調(diào)系統(tǒng)。裙樓有5層樓高，單層面積達(dá)約1.46萬(wàn)皿，成為“臺(tái)北101”購(gòu)物中心。裙 樓上部有高達(dá)42m的玻璃采光罩，覆蓋2887皿的室內(nèi)廣場(chǎng)，成為臺(tái)北市最大規(guī)模的室內(nèi)公共空間。其他樓 層則以挑空走道貫穿店面，提供悠閑的逛街購(gòu)物空間。3.2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本工程的地上結(jié)構(gòu)包含一棟101層的塔樓及一棟6層的裙樓，兩棟結(jié)構(gòu)于地上部分以伸縮縫完全斷開，地 下室共有五層，且塔、裙樓相連。地上結(jié)構(gòu)除了塔樓鋼柱大部分皆以高強(qiáng)度混凝土灌注之外，其余為純鋼 骨結(jié)構(gòu)；地下室中B1層為SRC梁柱構(gòu)造，B2至B4層為RC無(wú)梁板構(gòu)造。101層塔樓的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以井字形的巨型構(gòu)架(Mega Frame)為主，巨型構(gòu)

8、架在每八層樓設(shè)置一或二層樓高的 巨型桁架梁，并與巨型外柱及核心斜撐構(gòu)架組成近似11層樓高的巨型結(jié)構(gòu)(Mega Structure)o 垂直系統(tǒng)：樓層中混凝土直接承載于兼具模板及結(jié)構(gòu)用途的鋼承板上，并與鋼承板結(jié)合成復(fù)合樓板，剪力 釘則將鋼梁及混凝土連結(jié)成合成梁(Composite Beam)，荷重傳遞路徑則經(jīng)由復(fù)合樓板、合成梁、柱及基礎(chǔ)。 柱位之規(guī)劃簡(jiǎn)單歸納為內(nèi)柱與外柱，服務(wù)核心內(nèi)共有16支箱型內(nèi)柱，箱型內(nèi)柱由4片鋼板經(jīng)由電焊組合而 成，中低層部分并以內(nèi)灌注混凝土增加勁度和強(qiáng)度；外柱則隨著樓層高度而有不同的配置，在26層以下均 為與帷幕墻平行的斜柱，其每側(cè)各配置兩支巨柱及兩支次巨柱，其中巨柱及次

9、巨柱皆為內(nèi)灌混凝土的長(zhǎng)方 形鋼柱，另外每層配置4支雙斜角柱。角柱為內(nèi)灌混凝土的方形鋼柱。而26層以上則在每側(cè)配置二支鉛直 巨柱及6支H形斜柱，其中H形斜柱與外圍邊梁組成的構(gòu)架配合每8層建筑立面形成一獨(dú)立單元，并在建 筑“斗底”處經(jīng)由巨型桁架梁傳遞垂直力給巨柱。另外因91層至101層樓地板面積明顯減下，每側(cè)配置方 形鋼柱并將載重直接傳遞至91層以下的服務(wù)核心鋼柱。側(cè)力系統(tǒng)：側(cè)力由服務(wù)核心內(nèi)的斜撐構(gòu)架、內(nèi)外柱之間的巨型桁架梁、外柱及外圍平行帷幕墻面的抗 彎矩構(gòu)架共同承擔(dān)，其中巨柱、斜撐構(gòu)架及巨型桁架梁提供主要的側(cè)向勁度。服務(wù)核心內(nèi)的梁柱則大部分 均以斜撐相連結(jié)以提供勁度，其中外側(cè)的正中間跨度設(shè)置一

10、倒V形同心斜撐，邊跨則配置單一斜撐，另外 部分邊跨的斜撐為了配合建筑樓梯或電梯開門的需求而有些微偏心，另外在八樓以下，服務(wù)核心內(nèi)的斜撐 構(gòu)架外則設(shè)計(jì)包覆60cm厚的RC剪力墻。服務(wù)核心與巨柱及次巨柱之間，則配合建筑規(guī)劃的11處機(jī)械層設(shè) 置巨型桁架梁。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中被視為是以抗彎構(gòu)架及同心斜撐構(gòu)架組成的二元系統(tǒng)。斜撐在本案中可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，由抗彎剛度公式可知，建筑截面剛度與截面高度的三次方成正比， 而帶斜撐的建筑巨型結(jié)構(gòu)其截面尺寸較傳統(tǒng)梁柱要大很多，加之斜撐的引入使得其剛度強(qiáng)，是常規(guī)鋼架結(jié) 構(gòu)所不能比擬的。同時(shí)，斜撐也能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，且沿高度而上均勻分布，使傳力簡(jiǎn)單，是一種

11、 較完善的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)水平地震作用的大小，斜撐建筑能調(diào)整組合，主次結(jié)構(gòu)可運(yùn)用不同的架構(gòu)方式 組合，進(jìn)而能使不規(guī)則的高層建筑單元結(jié)構(gòu)規(guī)則化，有利于抵抗強(qiáng)風(fēng)及地震。除此以外，斜撐體系也具有 工期短且穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能很大程度上降低工程造價(jià)。抵抗因傾覆力矩引起的拉力的是建筑物的自重。對(duì)于利用建筑物自重而抵抗傾覆力矩而言，最有效的是將 建筑物的自重傳遞到建筑的角隅。故在建筑物角隅設(shè)置巨型柱的結(jié)構(gòu)方式，可以有效地利用柱子抵抗彎矩， 其效率甚至可達(dá)100%，和一般的筒體結(jié)構(gòu)相比，是更為合理的結(jié)構(gòu)形式。但由于柱的間距變大，其間豎向 荷載向柱的傳遞、以及剪力的傳遞，都要有必須的桁架。減震抗風(fēng)系統(tǒng):防震措施

12、方面，臺(tái)北101采用新式的巨型結(jié)構(gòu)(Mega Structure)，在大樓的四個(gè)外側(cè) 分別各有兩支巨柱，共八支巨柱，每支截面長(zhǎng)3公尺、寬2.4公尺，自地下5樓貫通至地上90樓，柱內(nèi)灌 入高密度混凝土，外以鋼板包覆。巨型結(jié)構(gòu)，是由不同于通常梁、柱概念的大型構(gòu)件（巨型梁、巨型柱等）組成的主結(jié)構(gòu)與由常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件 組成的次結(jié)構(gòu)共同工作而形成的一種結(jié)構(gòu)體系。主結(jié)構(gòu)本身就可以成為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，其中巨型柱的尺寸超過(guò) 一個(gè)普通框架的柱距，巨型梁采用高度在一層以上的平面或空間格構(gòu)式桁架，一般隔若干層才設(shè)置一道。 主結(jié)構(gòu)通常為主要抗側(cè)力體系，承受自身和次結(jié)構(gòu)傳來(lái)的各種荷載；次結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載和少部分作 用于其上的

13、風(fēng)荷載和地震荷載，并負(fù)責(zé)將力傳遞給主結(jié)構(gòu)。巨型桁架結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)角度上看是一種超常 規(guī)的具有巨大抗側(cè)剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮材料性能，主次結(jié)構(gòu)傳力明確，是一種 非常合理的超高層結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能（強(qiáng)度、剛度、延性）來(lái)抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身 儲(chǔ)存和消耗地震能量，這是被動(dòng)消極的抗震對(duì)策。合理有效的抗震途徑是對(duì)結(jié)構(gòu)施加減震裝置，由減震裝 置與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用，即共同儲(chǔ)存和耗散地震能量，以調(diào)諧和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，這是積極主動(dòng) 的抗震對(duì)策。而本案由于地處地震帶，同時(shí)距離斷層僅200公尺，故采用了巨型框架一一耗能支撐的積極 抗震措施。結(jié)構(gòu)耗能

14、減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)物的某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、聯(lián)結(jié)縫或連接件、樓層空間、相鄰建 筑間、主次結(jié)構(gòu)間等）設(shè)置耗能（阻尼）裝置，通過(guò)耗能（阻尼）裝置產(chǎn)生摩擦，彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)） 彈塑性滯回變形來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞 或倒塌，達(dá)到減震控震的目的。巨型框架一一支撐結(jié)構(gòu)是一種適用于超高層建筑的新型結(jié)構(gòu)體系。在地震作用下，主結(jié)構(gòu)的巨型梁、巨型 柱和巨型支撐由于剛度巨大而承受了絕大部分的水平力，特別是巨型支撐作為第一道抗震防線很有可能受 拉壓而發(fā)生彎曲破壞，巨型支撐一旦破壞，再對(duì)其進(jìn)行修復(fù)十分困難。因此，把耗能裝置用于巨型框架一 一支撐結(jié)構(gòu)中，形

15、成巨型框架一一耗能支撐結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)加裝阻尼器來(lái)解決此結(jié)構(gòu)中的抗震問(wèn)題。而本 案稍有變化的是，在88F-92F設(shè)置了一個(gè)重大660噸的調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器，抗風(fēng)的同時(shí)更加強(qiáng)了整體的抗震 性能。抵銷風(fēng)力所產(chǎn)生的搖晃主要設(shè)計(jì)是阻尼器，而大樓外形的鋸齒狀，經(jīng)由風(fēng)洞測(cè)試，能減少30-40%風(fēng)所產(chǎn)生 的搖晃。為了因應(yīng)高空強(qiáng)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)吹拂造成的搖晃.大樓內(nèi)設(shè)置了 “調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器”作為世界第一座防 震阻尼器外露于整體設(shè)計(jì)的大樓，在88至92樓掛置一個(gè)重達(dá)660公噸的巨大鋼球，利用擺動(dòng)來(lái)減緩建筑 物的晃動(dòng)幅度。據(jù)臺(tái)北101大廈告示牌所言，這也是全世界唯一開放游客觀賞的巨型阻尼器，更是目前全 球最大的阻尼器。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)來(lái)

16、襲時(shí)，該裝置使用傳感器來(lái)探測(cè)風(fēng)力大小和建筑物的搖晃程度，并通過(guò)計(jì)算機(jī) 經(jīng)由彈簧、液壓裝置來(lái)控制配重物體向反方向運(yùn)動(dòng)，從而降低建筑物的搖晃程度。其運(yùn)作原理就像身處搖 晃小船上的人，將身體朝小船晃動(dòng)的反方向移動(dòng)，來(lái)取得平衡。如果強(qiáng)風(fēng)從北面刮來(lái)，配重物就好比一個(gè) 巨大的“鐘擺”擺向北面，使風(fēng)阻尼器會(huì)產(chǎn)生一種與風(fēng)向相反的力量，從而化解建筑物的搖晃程度，抵消 強(qiáng)風(fēng)對(duì)建筑物的影響。使用了這一裝置之后，能把強(qiáng)風(fēng)加在建筑物上的加速度降低40%左右，這樣一來(lái)， 即使遭受強(qiáng)風(fēng)襲擊，建筑內(nèi)的人也基本感覺不到建筑物的搖晃。另外，風(fēng)阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物、 尤其是建筑物頂部的沖擊。地上結(jié)構(gòu):本工程的地上結(jié)構(gòu)體包含

17、1棟101層的塔樓及1棟6層的裙樓，兩棟結(jié)構(gòu)體于地上部份以伸縮 縫形式完全斷開，地下室共有5層且塔、裙樓相連。在平面配置上，服務(wù)核內(nèi)共有16根箱型柱，主樓四周 每側(cè)采用2根巨型鋼柱（Mega column）延伸至90層，其最大尺寸達(dá)2. 4 m X 3mX 80 mm。主樓四周于26 F以下并另外配置1. 2 mX 2. 6 m1. 2 m X 1. 6 m及1. 4 m X 1. 4 m1. 6 mX 1. 6 m等兩種 尺寸箱型柱，27 F以上則配合建筑斜面造型而使用H900 mmX 400 mmH1000 mmX 500 mm之H形斜柱 （Sloping Column）并與H型梁組成抗彎

18、構(gòu)架，主要在于提供局部載重之傳遞使用。又為提高抗風(fēng)勁度與強(qiáng) 度，62層以下的箱型鋼柱均內(nèi)灌10000 psi自充填高性能混凝土，在立面配置上，圖5為本工程之3種主 要立面構(gòu)架，其中X、Y方向各配置兩組合計(jì)6道立面構(gòu)架，服務(wù)核心的鋼柱間以鋼骨大梁、斜撐相連，斜T心州吼礎(chǔ)松1丫謎eI 平|=馱 r| j f. r 龍,v r 此 Strutiurj9 、HrmI -*K 快：Oucrigr Irus4MV1N加I 中：R3-90F C：.J K g lf 頓!7俸 心-引總等怵心M郵制土株作K WH i M U1 畛iviiaiiiui.111 999111 Kfisrii撐主要為同心斜撐與V型斜撐，部分斜撐因開門需求而為偏心斜撐型式，但基于抗風(fēng)勁度之需求予以加勁 補(bǔ)強(qiáng)而未依偏心斜稱細(xì)部設(shè)計(jì)之。9樓以下之同心斜撐并與600mm厚的剪力墻澆灌一體以形成良好的水平 力傳遞系統(tǒng)，機(jī)械層上下大梁間則以斜撐相接所形成的外伸桁架梁作為內(nèi)外柱間的主要垂直剪力傳遞機(jī)構(gòu)。 從宏觀的角度，主樓結(jié)構(gòu)主要是由巨柱、核心系統(tǒng)與外伸桁架梁等構(gòu)件所組成的101層巨形框架（Mega Frame）。市民