高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用-2013本科生認(rèn)識實(shí)習(xí)講座

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院高層與輕鋼結(jié)構(gòu)研究中心CollegeofCivilEngineering,HIT張文元副教授、博士生導(dǎo)師城市化進(jìn)程加速、人口集中、地價飛漲，節(jié)約用地成為關(guān)鍵；縮短道路和管線設(shè)施長度，節(jié)約城市基礎(chǔ)設(shè)施總投資；改善城市面貌，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)水平，成為地標(biāo)性建筑。1高層建筑的發(fā)展背景1）高層建筑的定義聯(lián)合國教科文組織世界高層委員會1972年將9層及9層以上的建筑定義為高層建筑，并分成4類：第一類9～16層（最高50m俗稱小高層）第二類17～25層（最高75m俗稱中高層）第三類26～40層（最高100m俗稱高層）第四類40層以上（高度100m以上，稱超高層）2鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的地位高層建筑我國《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-95規(guī)定：≥10層的居住建筑

≥24m且2層以上的民用建筑我國《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ3-91規(guī)定≥8層為高層。主要考慮目前登高消防車的供水高度僅為24m2）高層鋼結(jié)構(gòu)的地位1990年統(tǒng)計(jì)世界最高的90幢高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)(S)51座56.6％鋼-砼混合結(jié)構(gòu)(M)25座27.8％鋼筋砼結(jié)構(gòu)(RC)14座15.6％

1998年統(tǒng)計(jì)世界最高的28幢建筑中鋼結(jié)構(gòu)(S)14座50.0％鋼-砼混合結(jié)構(gòu)(M)8座28.6％鋼筋砼結(jié)構(gòu)(RC)6座21.4％84.4％78.6％國內(nèi)近15年最高的29幢高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)及鋼-砼混合結(jié)構(gòu)占2/3，以鋼-砼混合結(jié)構(gòu)為主。3）高層鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢自重輕，減少地震作用和運(yùn)輸量，便于地基處理結(jié)構(gòu)所占面積少，可增加使用面積

S較M可增加2～3％

S較RC可增加4～6％工廠化程度高，施工周期短，早投產(chǎn)、早受益、早回收

綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯示：鋼結(jié)構(gòu)最適于高層和超高層建筑綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展15層以上的高層鋼結(jié)構(gòu)造價可達(dá)到與混凝土持平，綜合造價可超過混凝土全鋼結(jié)構(gòu)體系3高層鋼結(jié)構(gòu)體系介紹平面框架15～30層平面框架-支撐結(jié)構(gòu)40～60層等效筒體結(jié)構(gòu)50～65層高效筒體結(jié)構(gòu)65～110層

(框筒、筒中筒、成束筒)

巨型結(jié)構(gòu)65～110層以上

(巨型框架、巨型桁架、巨型懸掛、巨型分離式)不同結(jié)構(gòu)體系的對比框架結(jié)構(gòu)框架支撐或框架剪力墻部分筒體筒體結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)體系

鋼筋砼內(nèi)筒＋外圍鋼框架鋼筋砼剪力墻＋鋼框架鋼管砼結(jié)構(gòu)鋼骨砼結(jié)構(gòu)1）國外的發(fā)展4高層鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展形成期西方工業(yè)革命時期，鐵鋼開始用于建筑

1872年法國巴黎Menier巧克力廠采用了鋼框架結(jié)構(gòu)1885年美國芝加哥建成了HomeInsurance大樓，開始建成10層，后又追加了2層的鋼梁、生鐵柱框架發(fā)展期

20世紀(jì)初，技術(shù)進(jìn)步加速，電梯技術(shù)的完善。

1931年紐約建成381m(102層)的帝國大廈，鋼框架結(jié)構(gòu)，206Kg/m2,雄踞世界第一高40多年。Empirestatebuilding繁榮期

1945年二次大戰(zhàn)后，高層在美歐等西方國家快速發(fā)展，其中以美國最具代表性芝加哥Sears大廈，109層443米，用鋼量161Kg/m2，1974年建成。SearsTower成束筒體系。Sears紐約世界貿(mào)易中心雙塔樓，110層412米，用鋼量186Kg/m2，1973年建成，2001年9月11日被撞倒塌。框筒結(jié)構(gòu)體系。芝加哥JhonHancock大廈，100層344米，用鋼量145Kg/m2，1969年建成。大型支撐框筒體系。近期發(fā)展

目前歐洲最高建筑為德國法蘭克福商業(yè)銀行新大樓，地上63層，高298.7米。平面呈圓角三角形，1997年5月竣工。日本最高建筑為橫濱里程碑(LandMark)大廈，73層，高296米，1993年建成。馬來西亞號稱世界第一高樓的吉隆坡石油雙塔，88層450米，1996年建成。實(shí)際上沒有Sears大廈高。采用鋼-砼混合結(jié)構(gòu)采用鋼梁和壓型鋼板組合樓蓋,C40砼鋼砼內(nèi)筒23m×23m外筒直徑46m，由16根鋼砼柱組成,C80砼41~42層處,58m跨鋼天橋世界第一高的比較TwintowersSears迪拜塔成為世界最高建筑828米超過了高度為６２８．９米的美國北達(dá)科他州ＫＶＬＹ－ＴＶ電視發(fā)射塔，從而成為世界最高建筑。ＫＶＬＹ－ＴＶ電視發(fā)射塔自１９６３年以來保持著世界最高牽索建筑紀(jì)錄。迪拜塔于２００４年９月動工。為防止競爭者超越，艾馬爾公司一直將迪拜塔的最終高度作為商業(yè)機(jī)密而不予公布。耗資數(shù)十億美元。

美國設(shè)計(jì)了MiglinBeitler塔樓，為混合結(jié)構(gòu)，下125層，高453米，為高強(qiáng)砼結(jié)構(gòu)，砼強(qiáng)度C70～C100，上156米為鋼結(jié)構(gòu)塔樓，總高度609米。未來的空中城市設(shè)計(jì)

美國還提出了高850米的Erewhon中心的設(shè)想，系大型支撐結(jié)構(gòu)體系，剛度甚大，周期僅為10s。莫斯科水晶島福斯特建筑事務(wù)所剛剛獲得設(shè)計(jì)許可，在一半島上建造。高457米，可供3萬人居住，同時擁有3000個酒店房間，設(shè)有電影院、劇院、購物中心、健身中心和容納500名學(xué)生的國際學(xué)校。高800米的DIB-200動力智能大廈高800米的東京千年塔(Millenuiumtower)高約840米，170層，外觀呈圓錐形，1989年是由福斯特建筑事務(wù)所提出，占地0.4平方英里，用于商業(yè)和居住，可容納6萬人。每隔13層都設(shè)有一個交通中轉(zhuǎn)站，公交系統(tǒng)連接這些交通樞紐。千年塔的風(fēng)力渦輪機(jī)和安裝在上層的太陽能電池板可以為整棟建筑提供可持續(xù)能源，是目前提出的最環(huán)保的城市設(shè)計(jì)方案之一。東京空中之城1000約1000米高，自給自足，1989年提出，以恢復(fù)東京的綠地。由14個玻璃層保護(hù)的平臺構(gòu)成，占地面積3.1平方英里，內(nèi)部擁有大片綠色空間。多種用途，容納居民3.6萬，工人10萬，有學(xué)校、商場、建影院等。使用新一代三層電梯，從底層到頂層只需2分鐘。高2001米的空中大都會東京清水TRY2004巨城金字塔

高度是埃及吉薩大金字塔的12倍，約2003米，占地3平方英里。共有大8層，每層都由幾個更小的金字塔構(gòu)成，總面積達(dá)34平方英里，一至四層用于住宿和商業(yè)活動，五至八層休閑和娛樂場所?？扇?5萬人，通過55個交通樞紐將整個城市連成一片，交通快捷。實(shí)現(xiàn)了零碳排放，外立面覆蓋光電涂層，將陽光轉(zhuǎn)換為電。東京X-Seed4000

X-Seed4000摩天巨塔是一個建筑學(xué)構(gòu)想，最早于1995年提出，當(dāng)時的初衷是吸引外界對提出這一宏偉藍(lán)圖的設(shè)計(jì)者的關(guān)注。盡管如此，我們?nèi)哉J(rèn)為X-Seed4000堪稱非凡的建筑設(shè)計(jì)，即便它可能永遠(yuǎn)地停留在繪圖板上，無法成為現(xiàn)實(shí)。X-Seed4000摩天巨塔樓高13,123英尺(約合4000米)，即便是富士山也在它面前黯然失色。富士山的標(biāo)志性外形向來被建筑師們譽(yù)為給他們的創(chuàng)作靈感來源。這座超級結(jié)構(gòu)造價1萬億美元，形似帳篷由巨柱支撐，每根柱子都可以住人。X-Seed4000摩天巨塔共有800個樓層，占地空間為26平方英里，可以讓50萬至100萬人在此安居樂業(yè)。當(dāng)然，我們還需要開發(fā)出各種各樣的技術(shù)，才能讓這種停留于繪圖板上的龐大計(jì)劃成真，這個建設(shè)項(xiàng)目包括新一代便捷交通運(yùn)輸網(wǎng)、高速電梯和一套可以減緩整幢大樓內(nèi)溫度、風(fēng)速和氣壓等巨大波動的系統(tǒng)。X-Seed4000的能量供應(yīng)完全來自于太陽能，不過目前尚不清楚太陽能是由覆蓋于外立面的光電板產(chǎn)生，還是來自于新一代薄膜太陽能電池板。大樓內(nèi)部確實(shí)會遵循的人類與自然和諧共存的建筑原則；正如上圖所示，樓內(nèi)不缺乏綠色植物。問題是有誰愿意長年生活在2.5英里高的龐大建筑物的陰影下面？

日本的超高層建筑構(gòu)想如下舊金山終極塔樓由美籍華裔建筑規(guī)劃師崔悅君(EugeneTsui)提出。高2英里，以應(yīng)對舊金山人口激增問題。基座直徑1830米，共53平方英里的空間，500層，巨大圓錐體。立面安裝太陽能吸收板和風(fēng)力渦輪機(jī)，并采用“大氣能量轉(zhuǎn)換”技術(shù)，利用樓頂和樓底之間的壓差發(fā)電，提供常年穩(wěn)定的能源，對環(huán)境不會造成任何破壞。3英里/小時的高速電梯，10分鐘就可到頂層。思考問題：是否越高越好？你是想

極目楚天一覽眾山小還是想

腳踏實(shí)地沐自然雨露結(jié)構(gòu)防災(zāi)交通空間浪費(fèi)2）國內(nèi)的發(fā)展解放前高層鋼結(jié)構(gòu)建筑甚少，最高的是1934年在上海建成的上海國際飯店，22層，高82.5米。中國大陸自20世紀(jì)80年代中期起步修建高層鋼結(jié)構(gòu)，先后在上海、北京、深圳、廣州、大連、廈門、沈陽、天津等地建造了數(shù)10幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。近期隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，在全國各地都有較快發(fā)展。國內(nèi)目前最高的為上海環(huán)球金融中心主樓建筑面積：25.3萬m2?？傆娩摿浚?5000t。建筑規(guī)模：主體建筑物高492米,地上101層，地下3層。結(jié)構(gòu)形式為同時采用三種體系：a、巨型柱、巨型斜撐和帶狀桁架組成的巨型結(jié)構(gòu)；b、鋼筋混凝土的核心筒；c、構(gòu)成核心筒和巨型柱之間相互作用的伸臂桁架。投資單位：日本森海外株式會社日本森大樓公司主導(dǎo)興建2008年8月竣工伸臂桁架和帶狀桁架B3~56層核心筒56~78層核心筒77~90層核心筒國內(nèi)第二高樓為上海金貿(mào)大廈，88層，高421米深圳地王大廈，81層，高384米深圳賽格廣場是國內(nèi)最高的采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑，72層，高292米。國內(nèi)已建完的著名高層鋼結(jié)構(gòu)(2009土木工程學(xué)報)武漢國際證券大廈建筑面積：1390萬m2。高度：338m；層數(shù)：68總用鋼量：17400t。結(jié)構(gòu)形式：外鋼管混凝土框架＋內(nèi)部框架支撐筒體上海世貿(mào)廣場建筑面積：17萬m2?？傆娩摿浚?500t。建筑規(guī)模：主體建筑物高246米,桅桿頂333米；地上60層，地下3層。結(jié)構(gòu)形式：框筒結(jié)構(gòu)（混凝土筒體＋鋼結(jié)構(gòu)外框架）。施工單位：滬寧鋼機(jī)（參加）中國國際貿(mào)易中心3期建筑規(guī)模：地上74層，地下三層，總高330m，總建筑面積192000m2；標(biāo)準(zhǔn)層尺寸：53.3×53.3。結(jié)構(gòu)類型：(筒中筒)SRC柱＋鋼梁組成外框筒；SRC柱＋鋼梁＋支撐組成內(nèi)筒；在28～30層和55～57層處設(shè)有兩道伸臂桁架連接內(nèi)外筒。柱距：底部11.2m，中部4.2m(辦公層)，上部5.6m(賓館層)。鋼材：大部分鋼柱Q390－Z25，梁Q345；總重為42000t.腰桁架和伸臂桁架北京電視中心建筑面積：18.9萬m2?？傆娩摿浚?5000t。建筑規(guī)模：主體建筑物高236.4米,最高層數(shù)41層。平面尺寸：67m×61m。結(jié)構(gòu)形式：地下部分鋼骨砼結(jié)構(gòu)、地上部分巨型框架結(jié)構(gòu)體系。整體結(jié)構(gòu)在建筑物的四角上布置四個“L型”巨型柱，巨型柱之間用鋼梁與巨型鋼桁架相連。整體建筑形式是由四個“L”型復(fù)合矩形鋼柱。

箱形鋼柱：板厚80mm，最大截面800×800；

H型鋼柱：板厚80mm，最大截面800×800；

圓形鋼管柱：板厚60mm，直徑1000mm；

矩形桁架：板厚60mm，截面1000×600×60；

材質(zhì)：Q345CZ15，用鋼量39000噸。北京電視中心安裝現(xiàn)場復(fù)雜箱形柱北京電視中心：鋼管柱軸測圖北京電視中心：箱型鋼柱軸測圖北京電視中心：H型鋼柱軸測圖桁架整體預(yù)拼裝布置圖桁架最大板厚60mm、截面H1000*600*40*60中央電視臺新臺址(奧雅納ARUP設(shè)計(jì))建設(shè)規(guī)模：總建筑面積約55萬平方米，主樓建筑面積約38萬