高層結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)(譯)

高層結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)近年來(lái)，盡管一般的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得了很大的進(jìn)步， 但是取得顯著成績(jī)的還要屬超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最初的高層建筑設(shè)計(jì)是從鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)始的。鋼筋混凝土和受力外包鋼筒系統(tǒng)運(yùn)用起來(lái)是比較經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，被有效地運(yùn)用于大批的民用建筑和商業(yè)建筑中。50層到100層的建筑被定義為超高層建筑。而這種建筑在美國(guó)得廣泛的應(yīng)用是由于新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。這樣的高度需要增大柱和梁的尺寸，這樣以來(lái)可以使建筑物更加堅(jiān)固以至于在允許的限度范圍內(nèi)承受風(fēng)荷載而不產(chǎn)生彎曲和傾斜。 過(guò)分的傾斜會(huì)導(dǎo)致建筑的隔離構(gòu)件、頂棚以及其他建筑細(xì)部產(chǎn)生循環(huán)破壞。除此之外，過(guò)大的搖動(dòng)也會(huì)使建筑的使用者們因感覺(jué)到這樣的的晃動(dòng)而產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)。無(wú)論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還是鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都充分利用了整個(gè)建筑的剛度潛力，因此不能指望利用多余的剛度來(lái)限制側(cè)向位移。在鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)濟(jì)預(yù)算是根據(jù)每平方英寸地板面積上的鋼材的數(shù)量確定的。圖示1中的曲線A顯示了常規(guī)框架的平均單位的重量隨著樓層數(shù)的增加而增加的情況。而曲線B顯示則顯示的是在框架被保護(hù)而不受任何側(cè)向荷載的情況下的鋼材的平均重量。上界和下界之間的區(qū)域顯示的是傳統(tǒng)梁柱框架的造價(jià)隨高度而變化的情況。而結(jié)構(gòu)工程師改進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的目的就是減少這部分造價(jià)。鋼結(jié)構(gòu)中的體系：鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑的發(fā)展是幾種結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新的結(jié)果。這些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于辦公大樓和公寓建筑中。剛性帶式桁架的框架結(jié)構(gòu)：為了聯(lián)系框架結(jié)構(gòu)的外柱和內(nèi)部帶式桁架，可以在建筑物的中間和頂部設(shè)置剛性帶式桁架。1974年在米望基建造的威斯康森銀行大樓就是一個(gè)很好的例子?？蚣芡步Y(jié)構(gòu)：如果所有的構(gòu)件都用某種方式互相聯(lián)系在一起，整個(gè)建筑就像是從地面發(fā)射出的一個(gè)空心筒體或是一個(gè)剛性盒子一樣。這個(gè)時(shí)候此高層建筑的整個(gè)結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載的所有強(qiáng)度和剛度將達(dá)到最大的效率。這種特殊的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的43層鋼筋混凝土的德威特紅棕色的公寓大樓所采用。但是這種結(jié)構(gòu)體系的的所有應(yīng)用中最引人注目的還要屬在紐約建造的100層的雙筒結(jié)構(gòu)的世界貿(mào)易中心大廈。斜撐桁架筒體：建筑物的外柱可以彼此獨(dú)立的間隔布置，也可以借助于通過(guò)梁柱中心線的交叉的斜撐構(gòu)件聯(lián)系在一起，形成一個(gè)共同工作的筒體結(jié)構(gòu)。這種高度的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的JohnHancock中心大廈采用。這項(xiàng)工程所耗用的剛才量與傳統(tǒng)的四十層高樓的用鋼量相當(dāng)。筒體：隨著對(duì)更高層建筑的要求不斷地增大。 筒體結(jié)構(gòu)和斜撐桁架筒體被設(shè)計(jì)成捆束狀以形成更大的筒體來(lái)保持建筑物的高效能。芝加哥的 110層的SearsRoebuck總部大樓有9個(gè)筒體，從基礎(chǔ)開(kāi)始分成三個(gè)部分。這些獨(dú)立筒體中的終端處在不同高度的建筑體中，這充分體現(xiàn)出了這種新式結(jié)構(gòu)觀念的建筑風(fēng)格自由化的潛能。這座建筑物1450英尺（442米）高，是世界上最高的大廈。薄殼筒體系統(tǒng)：這種筒體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)超高層建筑抵抗側(cè)力的能力（風(fēng)荷載和地震荷載）以及建筑的抗側(cè)移能力。薄殼筒體是筒體系統(tǒng)的又一大飛躍。薄殼筒體的進(jìn)步是利用高層建筑的正面（墻體和板）作為與筒體共同作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為高層建筑抵抗側(cè)向荷載提供了一個(gè)有效的途徑，而且可獲得不用設(shè)柱，成本較低，使用面積與建筑面積之比又大的室內(nèi)空間。由于薄殼立面的貢獻(xiàn)，整個(gè)框架筒的構(gòu)件無(wú)需過(guò)大的質(zhì)量。這樣以來(lái)使得結(jié)構(gòu)既輕巧又經(jīng)濟(jì)。所有的典型柱和窗下墻托梁都是軋制型材，最大程度上減小了組合構(gòu)件的使用和耗費(fèi)。托梁周圍的厚度也可適當(dāng)?shù)臏p小。而可能占據(jù)寶貴空間的墻上鐓梁的尺寸也可以最大程度地得到控制。這種結(jié)構(gòu)體系已被建造在匹茲堡洲的OneMellon銀行中心所運(yùn)用。鋼筋混凝土中的各體系：雖然鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑起步比較早，但是鋼筋混凝土的高層建筑的發(fā)展非?？?，無(wú)論在辦公大樓還是公寓住宅方面都成為剛結(jié)構(gòu)體系的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?？蚣芡玻合裆厦嫠岬降?，框架筒構(gòu)思首次被43層的迪威斯公寓大樓所采用。在這座大樓中，外柱的柱距為5.5英尺（1.68米）。而內(nèi)柱則需要支撐8英寸厚的無(wú)梁板。筒中筒結(jié)構(gòu)：另一種針對(duì)于辦公大樓的鋼筋混凝土體系把傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)與外框架筒相結(jié)合。該體系由柱距很小的外框架與圍繞中心設(shè)備區(qū)的剛性剪力墻筒組成。這種筒中筒結(jié)構(gòu)（如插圖2）使得當(dāng)前世界上最高的輕質(zhì)混凝土大樓（在休斯頓建造的獨(dú)殼購(gòu)物中心大廈）的整體造價(jià)只與 35層的傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的聯(lián)合體系也有所發(fā)展。 Skidmore,Owings 和Merrill 共同設(shè)計(jì)的混合體系就是一個(gè)好例子。在此體系中，外部的混凝土框架筒包圍著內(nèi)部的鋼框架，從而結(jié)合了鋼筋混凝土體系與鋼結(jié)構(gòu)體系各自的優(yōu)點(diǎn)。在新奧爾良建造的 52層的獨(dú)殼廣場(chǎng)大廈就是運(yùn)用了這種體系。鋼結(jié)構(gòu)是指在建筑物結(jié)構(gòu)中鋼材起著主導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很寬泛的概念。大部分的鋼結(jié)構(gòu)都包括建筑設(shè)計(jì)，工程技術(shù)、工藝。通常還包括以主梁、次梁、桿件，板等形式存在的鋼的熱軋加工工藝。上個(gè)世紀(jì)七十年代，除了對(duì)其他材料的需求在增長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)仍然保持著對(duì)于來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、日本、西德、法國(guó)等國(guó)家的鋼材廠鋼材的大量需求。發(fā)展歷史：早在 Bessemer和Siemens-Marton(開(kāi)放式爐)工藝出現(xiàn)以前，鋼結(jié)構(gòu)就已經(jīng)有幾十年的歷史了。而直到此工藝問(wèn)世之后才使得鋼材可以大批生產(chǎn)出來(lái)供結(jié)構(gòu)所用。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)諸多問(wèn)題的研究開(kāi)始于鐵結(jié)構(gòu)的使用，當(dāng)時(shí)很著名的研究對(duì)象是1977年在英國(guó)建造的橫跨斯沃河的Coalbrookdale大橋。這座大橋以及后來(lái)的鐵橋設(shè)計(jì)再加上蒸汽鍋爐、鐵船身的設(shè)計(jì)都刺激了建筑安裝設(shè)計(jì)以及連接工藝的發(fā)展。鐵結(jié)構(gòu)對(duì)材料的需求量較小是優(yōu)勝于磚石結(jié)構(gòu)的主要方面。長(zhǎng)久以來(lái)一直用木材制作的三角桁架也換成鐵制的了。承受由直接荷載產(chǎn)生的重力作用的受壓構(gòu)件常用鑄鐵制造，而承受由懸掛荷載產(chǎn)生的推力作用的受拉構(gòu)件常用熟鐵制造。把鐵加熱到塑性狀態(tài)，使之從卷狀轉(zhuǎn)化為扁平狀與圓狀之間的某一狀態(tài)的工藝，早在1800年就得以發(fā)展了。隨后，1819年角鋼問(wèn)世，1894年第一個(gè)工字鋼被建造出來(lái)作為巴黎火車站的頂梁。此工字鋼長(zhǎng)17.7英尺）（5.4米）。1851年英國(guó)的JosephPaxtond為倫敦博覽會(huì)建造了水晶宮。據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)他已有這樣的骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)思：用比較細(xì)的鐵梁作為玻璃幕墻的骨架。 此建筑的風(fēng)荷載抵抗力是由對(duì)角拉桿所提供的。在金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史中，有兩個(gè)標(biāo)志性事件：首先是從木橋發(fā)展而來(lái)的格構(gòu)梁由木制轉(zhuǎn)化為鐵制； 其次是鍛鐵制的受拉構(gòu)件與鑄鐵制的受壓構(gòu)件受熱后通過(guò)鉚釘連接工藝的發(fā)展。十九世紀(jì)五六十年代，Bessemer與Siemens-Martin 工藝的發(fā)展使鋼材的生產(chǎn)能滿足結(jié)構(gòu)的需求。鋼的受拉強(qiáng)度與受壓強(qiáng)度都好于鐵。 這種新型的金屬常被有想象力的工程師所利用，尤其倍受那些參與過(guò)英國(guó)、歐洲以及美國(guó)的道橋建設(shè)的工程師的喜愛(ài)。其中一個(gè)很好的例子就是 Eads大橋（也被稱為路易斯洲大橋）1867-1874）。在這座大橋中，每隔500英尺（152.5米）設(shè)有由鋼管加強(qiáng)肋形成的拱。英國(guó)的FirthofForth懸索橋設(shè)有管件支撐，直徑大約為12英尺（3.66米），長(zhǎng)度為350英尺（107）米。這些大橋以及其他結(jié)構(gòu)在引導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，規(guī)范的實(shí)施，許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)方面起到了很重要的作用。1907年Quebec懸索大橋的偶然破壞揭露了二十世紀(jì)初期由于缺乏足夠的理論知識(shí)，甚至是缺乏足夠的理論研究的基礎(chǔ)知識(shí)，而導(dǎo)致在應(yīng)力分析方面出現(xiàn)了很多的不足。但是，這樣的損壞卻很少出現(xiàn)在金屬骨架的辦公大樓中。因?yàn)楸M管在缺乏縝密的分析的情況下，這些建筑也表現(xiàn)出了很高的實(shí)用性。在上個(gè)世紀(jì)中葉，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何特殊合金強(qiáng)化、硬化過(guò)的普通碳素鋼已經(jīng)被廣泛地使用了。在1889年巴黎召開(kāi)的世界博覽會(huì)上，金屬結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了在超高層建筑運(yùn)用上的內(nèi)在潛力。在這次會(huì)上，法國(guó)著名的橋梁設(shè)計(jì)師埃非爾展示了他的杰作-300米高的露天開(kāi)挖的鐵塔。無(wú)論是它的高度（比著名的金字塔的兩倍還高），架設(shè)的速度-人數(shù)不多的工作人員僅用幾個(gè)月的時(shí)間就完成了整個(gè)工程任務(wù)，還是很低的工程造價(jià)都使它脫穎而出。首批摩天大廈：在剛結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時(shí)，美國(guó)的另一個(gè)是也蓬勃的發(fā)展起來(lái)了。1884-1885年，芝加哥的工程師Maj.WilliamLeBaronJennny設(shè)計(jì)了家庭保險(xiǎn)公司大廈。這座大廈也是金屬結(jié)構(gòu)的，有十層高。大廈的梁是鋼制的，而柱是鑄鐵所制。鑄鐵制的過(guò)梁支撐著窗洞口上方的砌體，同時(shí)也需要鑄鐵制的柱支撐著。實(shí)心砌體的天井與界墻提供抵抗風(fēng)載的側(cè)向支撐。不到十年的功夫，芝加哥和紐約已經(jīng)有超過(guò)30座辦公大樓是利用這種結(jié)構(gòu)。鋼材在這些結(jié)構(gòu)中起了非常大的作用。這種結(jié)構(gòu)利用鉚釘把梁與柱連接在一起。有時(shí)為了抵抗風(fēng)荷載還是在豎向構(gòu)件和橫向構(gòu)件的連接點(diǎn)出貼覆上節(jié)點(diǎn)板來(lái)加固結(jié)構(gòu)。此外，輕型的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)代替了老式的重質(zhì)砌體結(jié)構(gòu)。盡管幾十年來(lái)之中建筑形式主要是在美國(guó)發(fā)展的，但是它卻影響著全世界鋼材工業(yè)的發(fā)展。十九世紀(jì)的最后幾年，基本結(jié)構(gòu)形狀工字型鋼的厚度已經(jīng)達(dá)到20英寸（0.508米），非對(duì)稱的Z字型鋼和T型鋼可以與有一定寬度和厚度的板相聯(lián)結(jié)，使得構(gòu)件具體符合要求的尺寸和強(qiáng)度。1885年最重的型鋼通過(guò)熱軋生產(chǎn)出來(lái)，每英寸不到100磅（45千克）。到二十世紀(jì)六十年代這個(gè)數(shù)字已經(jīng)達(dá)到每英寸700磅（320千克）。緊隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，1988年第一部電梯問(wèn)世了。安全載客電梯誕生，以及安全經(jīng)濟(jì)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展促使建筑高度迅猛增加。 1902年在紐約建造的高286英寸（87.2米）的Flatiron大廈不斷地被后來(lái)的建筑所超越。這些建筑分別是高375英尺（115米）的時(shí)代大廈（1904），（后來(lái)改名為聯(lián)合化工制品大廈）。1908年在華爾街建造的高468英尺（143米）的城市投資公司大廈，高612英尺（187米）的星爾大廈，以及700英尺（214米）的都市塔和780英尺高（232米）的Wollworth 大廈。房屋高度與高寬比的不斷增加也帶來(lái)了許多的問(wèn)題。 為了控制道路的阻塞，要對(duì)建筑的縮進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行限定。側(cè)向支撐的設(shè)置也是其中一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，例如，埃非爾鐵塔所采用的對(duì)角支撐體系對(duì)于要靠太陽(yáng)光來(lái)照明的辦公大廈就不實(shí)用了。而只有考慮到具體的單獨(dú)梁與單獨(dú)柱的抗彎能力以及梁柱相交處的剛度的框架設(shè)計(jì)才是可靠的。隨著現(xiàn)代內(nèi)部采光體系的不斷發(fā)展， 抵抗風(fēng)荷載的對(duì)角支撐又重新被利用起來(lái)了。芝加哥的 JohnHancock中心就是一個(gè)很顯著的例子。外部的對(duì)角支撐成為此結(jié)構(gòu)立面的一個(gè)很顯眼的部分。第一次世界大戰(zhàn)暫時(shí)中斷了所謂摩天大廈（當(dāng)時(shí)這個(gè)詞并沒(méi)有確定）的蓬勃發(fā)展，但是二十世紀(jì)二十年代又恢復(fù)了這一趨勢(shì)。1931年建造的帝國(guó)大廈把詞潮流推向了頂峰。102層高1250英尺（381米）的帝國(guó)大廈在后來(lái)的40年一直保持著世界最高的地位。它的建造速度充分證明了這種新的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)被當(dāng)時(shí)的技術(shù)所掌握。次項(xiàng)工程所需要的梁是由 Bayonne海灣對(duì)岸的軍械庫(kù)所提供的。是由用精密儀器控制的駁船和卡車負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)?。由九架起重機(jī)將這些梁提升到指定的位置。由工業(yè)軌道裝置把鋼材和其他材料移到每一層上去。先是螺栓連接緊接著鉚釘連接，最后是裝修，整個(gè)工程的最終完成只用了一年零45天。二十世紀(jì)三十年代席卷全世界的大蕭條以及第而次世界大戰(zhàn)使鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展又一次受到了阻礙。但是與此同時(shí)，焊接代替了鉚釘連接則是一個(gè)很重要的發(fā)展。十九世紀(jì)末，利用焊接把各個(gè)鋼零件相連接已取得了很好的成績(jī)，并在第一次世界大戰(zhàn)中被運(yùn)用于救生船的修理。 但直到第二次世界大戰(zhàn)后才用于建筑結(jié)構(gòu)中。同時(shí)在連接領(lǐng)域中又一進(jìn)步就是高強(qiáng)螺栓代替了鉚釘。二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲，美國(guó)，日本等國(guó)都擴(kuò)大了對(duì)在不定應(yīng)力（包括超過(guò)屈服點(diǎn)的情況）作用下各種結(jié)構(gòu)鋼的性質(zhì)的研究， 并進(jìn)行了更為精確、系統(tǒng)的分析。此后，許多國(guó)家采用了一些更為自由靈活的設(shè)計(jì)規(guī)范和更為理想化的彈性設(shè)計(jì)規(guī)范。計(jì)算機(jī)在工程上的運(yùn)用代替了冗長(zhǎng)的手工計(jì)算，從而更加促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并大大的減低了造價(jià)。歲月匆匆像一陣風(fēng)，有多少故事留下感動(dòng)。愿曾經(jīng)的相遇，無(wú)論是錦上添花，還是追悔莫及；無(wú)論是青澀年華的懵懂賞識(shí)，還是成長(zhǎng)歲月無(wú)法躲避的經(jīng)歷溢，永遠(yuǎn)無(wú)悔歲月賜予的美好相遇。

??愿曾經(jīng)的過(guò)往，依然如花芬芳四其實(shí)，人生之路的每一段相遇，都是一筆財(cái)富，尤其親情、友情和愛(ài)情。在漫長(zhǎng)的旅途上，他們都會(huì)豐富你的生命，使你的生命更充實(shí)，更真實(shí)；豐盈你的內(nèi)心，使你的內(nèi)心更慈悲，更善良。所以生活的美好，緣于一顆善良的心，愿我們都能善待自己和他人。一路走來(lái)，愿相親相愛(ài)的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不離不棄，相惜相守，共度人生的每一個(gè)朝夕一路有你！

??直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的寶，感恩斗轉(zhuǎn)星移，物是人非。盡管有的背影，已經(jīng)