高層鋼混凝土結構鋼結構預備知識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。建成時是亞洲最高建筑，也是全國第一個鋼結構高層建筑。現(xiàn)為深圳市最高建筑，位居目前世界十大建筑之列。其建筑體形的設計靈感來源于中世紀西方的教堂和中國古代文化中通、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。

地王大廈鋼結構裝總量達２.４５萬噸，僅螺栓、栓釘就達１００萬顆，焊縫延長米達６００公里。施工單位打破傳統(tǒng)的管理模式，將生產(chǎn)諸要素的動態(tài)優(yōu)化配置成功地運用于項目施工中，在內(nèi)地率先購置使用澳大利亞Ｍ４４０Ｄ內(nèi)爬塔吊設備，并引進進口壓型鋼板二氧化碳點焊機、熔檢焊機等先進設備，確保了工程質量，創(chuàng)造了兩天半一個結構層的“新深圳速度”。該工程施工技術榮獲國家科技進步三等獎，二氧化碳立焊、斜立焊技術經(jīng)國家權威技術中心檢驗確定為國際首創(chuàng)。

帝國大廈1931年，在紐約建成了著名的帝國大廈（EmpireStateBui1ding），102層，381m高，成為當時的奇跡，它享有“世界最高建筑”之美譽達40年之久。1981年4月30日，矗立在美國紐約市中心高1250英尺、共102層的帝國大廈度過了50個春秋。30年代，美國經(jīng)濟處于大蕭條時期，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賽。百萬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。他找來著名的建筑師威廉·拉姆，問樓房能蓋多高？拉姆沉思片刻后回答說：“1050英尺?！崩箍撇紝@個高度很不滿意，因為這僅僅比當時紐約新建成的克萊斯勒大廈高4英尺。于是，建筑師設法增加了一節(jié)200英尺高的圓塔，使帝國大廈的高度為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。在很長一段時間里，帝國大廈一直是世界最高的樓房。香港中環(huán)廣場，香港中國銀行大廈北京國貿(mào)三期工程北京國貿(mào)三期工程國貿(mào)三期大廈位于北京CDB區(qū)域核心地帶，是集寫字樓、商場、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m2，地下4層，地上74層。其中主塔樓高330m，結構形式為筒中筒結構，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；筒體之間設有兩個伸臂，基礎結構為樁筏基礎。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、一個五星級豪華旅館，以及零售空間。

1.2高層鋼結構的設計特點

1.水平荷載成為決定因素

1)結構自重和樓面使用荷載在豎向構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。水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中所引起的軸力，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)對某一高度的樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值隨結構動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．結構側移可能成為控制指標

如圖結構頂點側移為：

水平均布荷載作用時

水平倒三角形分布荷載

作用時

結構頂點側移△與結構總高度H的四次方成正比。

隨著房屋高度的增加，水平荷載下結構的側向變形速率增大。因此，與較低房屋相比，結構側移已上升為高層建筑結構設計的關鍵因素，可能成為結構設計的控制指標。3．軸向變形不容忽視

在高層鋼結構中，柱中軸力大，軸向變形大，同時各柱軸向變形差異隨房屋高度的增加而加大。

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

在較低的房屋中，因為柱的總高度較小，此種效應不顯著，所以可不考慮。當房屋很高時，這種軸向壓縮差異將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

彎矩圖

a）未考慮柱的差異壓縮b）各柱差異壓縮后實際情況

例：美國休斯頓的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構體系。據(jù)計算，中心鋼柱由于負荷面積大，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總共要加長260mm，并需逐層加以調(diào)整。

4．梁柱節(jié)點域的剪切變形影響不能忽視

在結構設計中，鋼框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假設梁、柱端彎矩完全由梁、柱翼緣板承擔，并忽略軸力對節(jié)點域變形的影響，則節(jié)點域可視為處于純剪切狀態(tài)工作，節(jié)點域板件一般較薄，剪切變形較大，對結構內(nèi)力和側移的影響不能忽視。

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

可見，在進行高層鋼框架的內(nèi)力和側移計算時，不能忽視其梁、柱節(jié)點域的剪切變形影響。

5．結構延性是重要設計指標 相對于較低樓房而言，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，除選用延性較好的材料外，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。6．盡量選用空間構件

組成結構體系的構件可歸納為線形構件、平面構件和空間構件三類基本形式，如圖1-10。

圖1-10抗側力構件的基本形式

a）線形構件b）實體平面構件c）桿系平面構件d）空間構件（一）e）空間構件（二）

線形構件具有較大長細比的細長構件，稱為線形構件或線構件。

平面構件具有較大橫截面寬厚比的片狀構件，稱為平面構件或面構件。

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

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

在高層或超高層建筑中，宜盡量選用空間構件。

7.抗火設計必不可少8.防銹處理必須到位

9.避雷系統(tǒng)完整可靠10.結構動力響應成為關鍵因素11．減輕結構自重具有重要意義12．結構體系合理與否取決于能否有效提供抗側能力

隨著城市建設和社會發(fā)展，高層建筑必將會高速發(fā)展。在確保高層建筑具有足夠可靠度的前提下，為了進一步節(jié)約材料和降低造價，結構構件和材料正在不斷更新，設計概念也在不斷發(fā)展。高層建筑鋼結構的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在下列方面。 第2章高層建筑鋼結構類型與體系

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

鋼筋混凝土結構純鋼結構鋼-混凝土混合結構后兩種結構類型可歸屬于高層建筑鋼結構范圍，統(tǒng)稱高層建筑鋼結構。

1．純鋼結構梁、柱及支撐等主要構件均采用鋼材。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－混凝土混合結構梁、柱構件采用鋼材，而主要抗側力構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)展項目

2.2高層建筑鋼結構體系與特性 根據(jù)抗側力結構的力學模型及其受力特性，可將常見的高層建筑鋼結構分成如下四大體系：框架結構體系雙重抗側力結構體系筒體結