高層鋼混凝土結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí)1

地王大廈

地王大廈為深圳第一高層建筑，高383.95

米，共81層。于1996年完工。建成時(shí)是亞洲最高建筑，也是全國(guó)第一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)高層建筑?，F(xiàn)為深圳市最高建筑，位居目前世界十大建筑之列。其建筑體形的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于中世紀(jì)西方的教堂和中國(guó)古代文化中通、透、瘦的神髓，它的寬與高之比例為1:9，創(chuàng)造了世界超高層建筑

“扁”最“瘦”的記錄。

地王大廈鋼結(jié)構(gòu)裝總量達(dá)２.４５萬(wàn)噸，僅螺栓、栓釘就達(dá)１００萬(wàn)顆，焊縫延長(zhǎng)米達(dá)６００公里。施工單位打破傳統(tǒng)的管理模式，將生產(chǎn)諸要素的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置成功地運(yùn)用于項(xiàng)目施工中，在內(nèi)地率先購(gòu)置使用澳大利亞Ｍ４４０Ｄ內(nèi)爬塔吊設(shè)備，并引進(jìn)進(jìn)口壓型鋼板二氧化碳點(diǎn)焊機(jī)、熔檢焊機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，確保了工程質(zhì)量，創(chuàng)造了兩天半一個(gè)結(jié)構(gòu)層的“新深圳速度”。該工程施工技術(shù)榮獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，二氧化碳立焊、斜立焊技術(shù)經(jīng)國(guó)家權(quán)威技術(shù)中心檢驗(yàn)確定為國(guó)際首創(chuàng)。

帝國(guó)大廈1931年，在紐約建成了著名的帝國(guó)大廈（EmpireStateBui1ding），102層，381m高，成為當(dāng)時(shí)的奇跡，它享有“世界最高建筑”之美譽(yù)達(dá)40年之久。1981年4月30日，矗立在美國(guó)紐約市中心高1250英尺、共102層的帝國(guó)大廈度過(guò)了50個(gè)春秋。30年代，美國(guó)經(jīng)濟(jì)處于大蕭條時(shí)期，人民生活更加困苦，而華爾街的老板們卻熱衷于修建摩天大樓的競(jìng)賽。百萬(wàn)富翁拉斯科布為了顯示自己的富有，決意修建一座世界最高的樓房。他找來(lái)著名的建筑師威廉·拉姆，問(wèn)樓房能蓋多高？拉姆沉思片刻后回答說(shuō)：“1050英尺?！崩箍撇紝?duì)這個(gè)高度很不滿意，因?yàn)檫@僅僅比當(dāng)時(shí)紐約新建成的克萊斯勒大廈高4英尺。于是，建筑師設(shè)法增加了一節(jié)200英尺高的圓塔，使帝國(guó)大廈的高度為1250英尺。這座摩天大樓只用了410天就建成，也可算是建筑史上的奇跡。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，帝國(guó)大廈一直是世界最高的樓房。香港中環(huán)廣場(chǎng)，香港中國(guó)銀行大廈北京國(guó)貿(mào)三期工程北京國(guó)貿(mào)三期工程國(guó)貿(mào)三期大廈位于北京CDB區(qū)域核心地帶，是集寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、酒店、公寓于一體的大型建筑群，其中A階段總建筑面積30萬(wàn)m2，地下4層，地上74層。其中主塔樓高330m，結(jié)構(gòu)形式為筒中筒結(jié)構(gòu)，即外部的型鋼混凝土框架筒體與內(nèi)部的型鋼混凝土支撐核心筒體；筒體之間設(shè)有兩個(gè)伸臂，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為樁筏基礎(chǔ)。上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心工程是一幢以辦公為主，集商貿(mào)、賓館、觀光、展覽及其他公共設(shè)施于一體的大型超高層建筑，位于浦東陸家嘴，與金茂大廈相距僅40米。工程總建筑面積377300平方米，塔樓地上101層，地面以上高度為492米。它將有世界上最高的觀景臺(tái)、一個(gè)五星級(jí)豪華旅館，以及零售空間。

1.2高層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.水平荷載成為決定因素

1)結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與樓房高度的一次方成正比。水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，與樓房高度的二次方成正比；在各種荷載作用下的內(nèi)力與房屋高度的關(guān)系為：豎向荷載作用下的最大軸力：

水平均布荷載作用下的最大彎矩：水平倒三角形分布荷載下的最大彎矩：圖荷載內(nèi)力與側(cè)移

a）重力荷載式中q、W為作用于樓房b）水平均布荷載

每m高度上的水平荷載c）水平倒三角形荷載與豎向荷載。

2)對(duì)某一高度的樓房來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化，從而使合理確定水平荷載比確定豎向荷載困難。2．結(jié)構(gòu)側(cè)移可能成為控制指標(biāo)

如圖結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移為：

水平均布荷載作用時(shí)

水平倒三角形分布荷載

作用時(shí)

結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移△與結(jié)構(gòu)總高度H的四次方成正比。

隨著房屋高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形速率增大。因此，與較低房屋相比，結(jié)構(gòu)側(cè)移已上升為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，可能成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)。3．軸向變形不容忽視

在高層鋼結(jié)構(gòu)中，柱中軸力大，軸向變形大，同時(shí)各柱軸向變形差異隨房屋高度的增加而加大。

框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，這種軸向壓縮差異將會(huì)達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大（圖1-9）。3．軸向變形不容忽視

在較低的房屋中，因?yàn)橹目偢叨容^小，此種效應(yīng)不顯著，所以可不考慮。當(dāng)房屋很高時(shí)，這種軸向壓縮差異將會(huì)達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

彎矩圖

a）未考慮柱的差異壓縮b）各柱差異壓縮后實(shí)際情況

例：美國(guó)休斯頓的75層得克薩斯商業(yè)大廈采用型鋼混凝土墻和鋼柱組成的混合結(jié)構(gòu)體系。據(jù)計(jì)算，中心鋼柱由于負(fù)荷面積大，截面尺寸小，重力荷載下的軸向壓縮變形，要比型鋼混凝土剪力墻多260mm，這就要求該鋼柱在下料時(shí)總共要加長(zhǎng)260mm，并需逐層加以調(diào)整。

4．梁柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形影響不能忽視

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假設(shè)梁、柱端彎矩完全由梁、柱翼緣板承擔(dān)，并忽略軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)域變形的影響，則節(jié)點(diǎn)域可視為處于純剪切狀態(tài)工作，節(jié)點(diǎn)域板件一般較薄，剪切變形較大，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)移的影響不能忽視。

對(duì)同一鋼框架結(jié)構(gòu)，采用有限元法分析后得出：考慮梁、柱節(jié)點(diǎn)域剪切變形后，其梁、柱彎矩均有所增加，側(cè)向水平位移增加顯著。與不考慮其剪切變形的情況相比:頂層絕對(duì)側(cè)移量增大8.8％;若以層間側(cè)移而論，第一層增大1.2％，第二層增大9.7％，頂層則可增大達(dá)25.7％左右。

可見(jiàn)，在進(jìn)行高層鋼框架的內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算時(shí)，不能忽視其梁、柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形影響。

5．結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo) 相對(duì)于較低樓房而言，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，除選用延性較好的材料外，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。6．盡量選用空間構(gòu)件

組成結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件可歸納為線形構(gòu)件、平面構(gòu)件和空間構(gòu)件三類基本形式，如圖1-10。

圖1-10抗側(cè)力構(gòu)件的基本形式

a）線形構(gòu)件b）實(shí)體平面構(gòu)件c）桿系平面構(gòu)件d）空間構(gòu)件（一）e）空間構(gòu)件（二）

線形構(gòu)件具有較大長(zhǎng)細(xì)比的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，稱為線形構(gòu)件或線構(gòu)件。

平面構(gòu)件具有較大橫截面寬厚比的片狀構(gòu)件，稱為平面構(gòu)件或面構(gòu)件。

空間構(gòu)件由線構(gòu)件和（或）面構(gòu)件組成的具有較大橫截面尺寸和較小壁厚的組合構(gòu)件，稱為空間構(gòu)件或立體構(gòu)件。

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，空間構(gòu)件作為豎向筒體或巨型柱使用時(shí)，主要承受傾覆力矩、水平剪力和扭轉(zhuǎn)力矩。與線構(gòu)件和面構(gòu)件相比，它具有較大的抗扭剛度和極大的抗推剛度，在水平荷載下的側(cè)移較小。

在高層或超高層建筑中，宜盡量選用空間構(gòu)件。

7.抗火設(shè)計(jì)必不可少8.防銹處理必須到位

9.避雷系統(tǒng)完整可靠10.結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)成為關(guān)鍵因素11．減輕結(jié)構(gòu)自重具有重要意義12．結(jié)構(gòu)體系合理與否取決于能否有效提供抗側(cè)能力

隨著城市建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，高層建筑必將會(huì)高速發(fā)展。在確保高層建筑具有足夠可靠度的前提下，為了進(jìn)一步節(jié)約材料和降低造價(jià)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料正在不斷更新，設(shè)計(jì)概念也在不斷發(fā)展。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在下列方面。 第2章高層建筑鋼結(jié)構(gòu)類型與體系

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)類型與特征 根據(jù)主要結(jié)構(gòu)所用材料或不同材料的組合可將高層建筑結(jié)構(gòu)分為：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)純鋼結(jié)構(gòu)鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)后兩種結(jié)構(gòu)類型可歸屬于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)范圍，統(tǒng)稱高層建筑鋼結(jié)構(gòu)。

1．純鋼結(jié)構(gòu)梁、柱及支撐等主要構(gòu)件均采用鋼材。該類型主要用于純框架體系或框架－支撐（等效支撐）體系。

2．鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件采用鋼材，而主要抗側(cè)力構(gòu)件采用鋼筋混凝土內(nèi)筒或鋼筋混凝土剪力墻。該類型主要用于框架-內(nèi)筒體系或框架-剪力墻體系。

鋼框架-核心筒體系

北京京澳中心發(fā)展項(xiàng)目

2.2高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系與特性 根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型及其受力特性，可將常見(jiàn)的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)分成如下四大體系：框架結(jié)構(gòu)體系雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系筒體結(jié)