钢结构理论与设计(设计部分)：高层钢结构绪论

1、2021年4月26日星期一 2021年4月26日星期一 v城市化进程加速、人口集中、地价飞涨，节约用地成为城市化进程加速、人口集中、地价飞涨，节约用地成为 关键；关键； v缩短道路和管线设施长度，节约城市基础设施总投资缩短道路和管线设施长度，节约城市基础设施总投资 ； v改善城市面貌，体现经济实力和技术水平，成为地标性改善城市面貌，体现经济实力和技术水平，成为地标性 建筑。建筑。 v我国我国高层民用建筑设计防火规范高层民用建筑设计防火规范GB50045-95GB50045-95规定：规定： 10层的居住建筑 24m且2层以上的民用建筑 2021年4月26日星期一 1）高层建筑的定义 v联合国教

2、科文组织联合国教科文组织世界高层委员会世界高层委员会19721972年将年将9 9层及层及9 9层以层以 上的建筑定义为高层建筑，并分成上的建筑定义为高层建筑，并分成4 4类：类： 第一类 916层 （最高50m俗称小高层） 第二类 1725层 （最高75m俗称中高层） 第三类 2640层 （最高100m俗称高层） 第四类 40层以上 （高度100m以上，称超高层） 高层建筑 2021年4月26日星期一 v我国我国钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程 JGJ3-91JGJ3-91规定规定8 8层为高层。层为高层。 主要考虑目前登高消防车的供水高度仅为主要考虑

3、目前登高消防车的供水高度仅为24m24m 2021年4月26日星期一 2）高层钢结构的地位 v1990年统计年统计世界最高的世界最高的90幢幢高层建筑中高层建筑中 钢结构(S) 51座 56.6 钢-砼混合结构(M) 25座 27.8 钢筋砼结构(RC) 14座 15.6 v1998年统计年统计世界最高的世界最高的28幢幢建筑中建筑中 钢结构(S) 14座 50.0 钢-砼混合结构(M) 8座 28.6 钢筋砼结构(RC) 6座 21.4 84.4 78.6 2021年4月26日星期一 3 3）高层钢结构的）高层钢结构的优势优势 v自重轻，可减少地震作用，减少运输量，便于地基自重轻，可减少地震

4、作用，减少运输量，便于地基 处理处理 v结构所占面积少，可增加使用面积结构所占面积少，可增加使用面积 S较M可增加23 S较RC可增加46 v工厂化程度高，施工周期短，早投产、早受益、早工厂化程度高，施工周期短，早投产、早受益、早 回收回收 综合经济指标显示： 钢结构最适于高层和超高层建筑 2021年4月26日星期一 v全钢结构体系全钢结构体系 平面框架 1530层 平面框架-支撑结构 4060层 筒体结构 5065层 框筒、筒中筒、成束筒 65110层 巨型结构 65110层以上 (巨型框架、巨型桁架、巨型悬挂、巨型分离式) 2021年4月26日星期一 v混合结构体系混合结构体系 钢筋砼内筒

5、外围钢框架钢筋砼内筒外围钢框架 钢筋砼剪力墙钢框架钢筋砼剪力墙钢框架 钢管砼结构钢管砼结构 钢骨砼结构钢骨砼结构 2021年4月26日星期一 1）国外的发展 形成期 西方工业革命时期，铁钢开始用于建筑 1872年法国巴黎Menier巧克力厂采用了钢框架结构 2021年4月26日星期一 发展期 20世纪初，技术进步加速， 电梯技术的完善。 1931年纽约建成381m(102 层)的帝国大厦，钢框架结构， 206Kg/m2, 雄踞世界第一高 40多年。 Empire state building 2021年4月26日星期一 繁荣期 1945年二次大战后，高层 在美欧等西方国家快速发 展，其中以美国

6、最具代表 性 芝加哥Sears大厦，109层 443米，用钢量161Kg/m2， 1974年建成。Sears Tower 成束筒体系。 Sears 2021年4月26日星期一 2）国内的发展 解放前高层钢结构建筑甚少，最高的是1934年在上海 建成的上海国际饭店，22层，高82.5米。 中国大陆自20世纪80年代中期起步修建高层钢结构， 先后在上海、北京、深圳、广州、大连、厦门、沈阳、 天津等地建造了数10幢高层钢结构建筑。 2021年4月26日星期一 国内目前最高的为上海环球金融中心 主楼建筑面积：25.3万m2。 总用钢量：65000t。 建筑规模：主体建筑物高492米, 地上101层，地

7、下3层。 结构形式为同时采用三种体系： a、巨型柱、巨型斜撑和带状桁架 组成的巨型结构； b、钢筋混凝土的核心筒； c、构成核心筒和巨型柱之间相互 作用的伸臂桁架。 投资单位：日本森海外株式会社 日本森大楼公司主导兴建 2008年8月竣工 2021年4月26日星期一 2021年4月26日星期一 伸臂桁架和带状桁架 B356层 核心筒 5678层 核心筒 7790层 核心筒 2021年4月26日星期一 国内第二高楼为上海金贸大厦，88层，高421米 2021年4月26日星期一 国内在建或已建完的其他著名高层钢结构详细信息 2021年4月26日星期一 3）今后的发展趋势 单体建筑的发展趋势：单体建

8、筑的发展趋势： l构件立体化构件立体化 l布置周边化布置周边化 l结构支撑化结构支撑化 l体形圆锥化或变截面体形圆锥化或变截面 棱柱化棱柱化 l材料高强化材料高强化 l结构巨型化结构巨型化 l外墙蒙皮化外墙蒙皮化 l结构智能化结构智能化 巨型结构的发展趋势：巨型结构的发展趋势： l分离整体式结构分离整体式结构 l空中城市空中城市 2021年4月26日星期一 1）高钢的优缺点 优点 承载能力高，自重轻，结构所占面积和空间小， 抗震性能好，工厂化程度高，建设周期短，钢材可回 收，对环境污染小。 缺点 钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。 2021年4月26日星期一 2）高钢的技术经济分析 关于

9、用钢量 高钢的用钢量随技术进步在降低 国外国外1965年以前年以前1966年以后年以后 层数层数Kg/m2Kg/m2 2030110103 314214497 43层以上层以上163138 平均平均139113 2021年4月26日星期一 我国：我国： 9090年代以前建成的年代以前建成的1111栋钢结构建筑栋钢结构建筑(2653(2653层层) )，用，用 钢量为钢量为9595160Kg/m160Kg/m2 2，平均，平均128Kg/m128Kg/m2 2。 同期同期9 9栋钢砼栋钢砼(1862(1862层层) )，用钢量为，用钢量为6868120Kg/m120Kg/m2 2， 平均平均91

10、Kg/m91Kg/m2 2。 通过采用轻质围护材料，先进结构体系，用钢量通过采用轻质围护材料，先进结构体系，用钢量 还会进一步下降。还会进一步下降。 2021年4月26日星期一 关于造价 工程工程 造价造价 工程总造价工程总造价 5070 % 动迁费动迁费 征地费征地费 3050 % 工程造价工程造价 结构结构 造价造价 30% 装修费装修费 设备费设备费 70% 结构造价结构造价 6070% 上部上部 结构结构 造价造价 基础基础 造价造价 3040% 815% 上部结构上部结构 造价造价 工程总造价工程总造价 上部高层钢结构的造价一般为高层钢筋砼结构造价的 1.52.0倍，因此钢结构较钢砼

11、结构的差价约为工程 总投资的48。 2021年4月26日星期一 这一差价可由下述这一差价可由下述4 4项节约来弥补：项节约来弥补： 减轻结构自重减轻结构自重 钢砼标准层自重约为钢砼标准层自重约为1.31.31.8t/m1.8t/m2 2 钢结构标准层自重约为钢结构标准层自重约为 1.0t /m1.0t /m2 2 可同时减少地震作用和基础费用可同时减少地震作用和基础费用 节约建筑物面积节约建筑物面积 建筑物面积建筑物面积/ /总面积总面积 故钢结构可较钢砼结构增加使用面积故钢结构可较钢砼结构增加使用面积4 46 6 缩短施工周期缩短施工周期 钢结构较钢砼结构缩短周期钢结构较钢砼结构缩短周期20

12、205050 回收效率高，成本低回收效率高，成本低 考虑以上考虑以上4 4项带来的附加效益，高层钢结构的综合经济效益高于项带来的附加效益，高层钢结构的综合经济效益高于 钢砼结构。钢砼结构。 自重减少自重减少1/31/2 钢结构钢结构3 混合结构混合结构3.54 钢砼结构钢砼结构79 2021年4月26日星期一 3 3）高层钢结构的适用范围）高层钢结构的适用范围 公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。 特别适用于特别适用于4040层以上的超高层建筑，烈度为层以上的超高层建筑，烈度为8 8度及以度及以 上地震区的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。上地震区

13、的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。 近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形 式喜人。式喜人。 高层建筑高层建筑 钢结构设计钢结构设计 三个阶段三个阶段 扩初设计阶段扩初设计阶段 方案设计阶段方案设计阶段 施工图设计阶段施工图设计阶段 方案设计阶段方案设计阶段 地位地位 最重要最重要 方案设计阶段方案设计阶段 内容内容 平面形状 房屋形状的确定房屋形状的确定 立面形状 高度 高宽比 结构体系的选择结构体系的选择 结构布置结构布置 场地的选择场地的选择 结构平面布置 结构竖向布置 上述内容的确定原则上述内容的确定原则 具体具体 内容内容 平面形状平

14、面形状 立面形状立面形状 高度高度 高宽比高宽比 结构体系的选择结构体系的选择 场地的选择场地的选择 结构平面布置结构平面布置 结构竖向布置结构竖向布置 结合中国规范结合中国规范 简称简称 高钢规高钢规 一、房屋平面形状一、房屋平面形状 原则原则 1 1 宜采用双轴对称的简单规则平面宜采用双轴对称的简单规则平面 圆形、方形、六边形、 八边形、椭圆形 原因原因 A A、防止在风载作用下，荷载中心与刚度中心不重合，产 生扭矩，从而降低结构承载能力，且使居者感到不适。 B、防止在地震作用下，结构质量中心与刚度中心不重合， 产生扭矩，从而加重地震灾害。 原则原则 房屋平面形状应采用风荷载对其影房屋平面

15、形状应采用风荷载对其影 响较小的形状，最好是流线型的响较小的形状，最好是流线型的 圆形圆形 椭圆形椭圆形 切边的矩形切边的矩形 其风载体型系数与矩形 相比降低30% 台北台北101101大厦大厦 2003年10月17日竣工， 508m，101层，高度 当时世界第一 正方形平面 佩特纳斯大厦佩特纳斯大厦 混凝土外筒直径4633m， 高 强 钢 筋 混 凝 土 内 筒 2 2 . 8 2 2 . 9 8 m 马来西亚，吉隆坡 452m, 95层， 1996年竣工 世界贸易中心世界贸易中心 美国，纽约 411m, 110层，1973年 竣工，方形平面 金茂大厦金茂大厦 八边形平面 中国，上海 421

16、m, 88层， 1998年竣工 国际金融中心国际金融中心 中国，香港4 4m, m, 层， 年竣工 八边形平面 迪拜塔迪拜塔 竣工后已更名为哈利法塔，2004 年9月21日动工，是目前世界第一 高楼与建筑。2高度828米，162层。 2010年1月4日竣工。 原则原则 若根据建筑要求需采用不规则平面形状，则尺若根据建筑要求需采用不规则平面形状，则尺 寸应受到一定程度的限制。否则，应进行精确寸应受到一定程度的限制。否则，应进行精确 的抗震计算和分析的抗震计算和分析。 原因原因 防止在风载和地震作用下，荷载中心 与刚度中心不重合，产生扭矩 A、不满足 下列要求 不规则平面形状 B B、任意一层的偏

17、心率、任意一层的偏心率 0.15 0.15 高钢规程高钢规程附录附录2 2 C C、结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在、结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在 一个方向的长度，超过该方向建筑总尺寸的一个方向的长度，超过该方向建筑总尺寸的 25%25% D D、楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过、楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过 该层总面积的该层总面积的50%50% E E、抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的、抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的 两个互相垂直的主轴两个互相垂直的主轴 中央电视台主楼中央电视台主楼 含两栋分别为含两栋分别为5252层、高层、高 2342

18、34米和米和4444层、高层、高194194米米 的塔楼，并由的塔楼，并由1414层、层、5656 米高，重米高，重1.81.8万吨的悬万吨的悬 臂钢结构连接，总建筑臂钢结构连接，总建筑 面积面积47.347.3万平方米。万平方米。 原则原则 4 4 防震缝的设置防震缝的设置 设置条件设置条件 1 1、若房屋形状复杂，且无条件进行精确抗震分析时，可设、若房屋形状复杂，且无条件进行精确抗震分析时，可设 2 2、若房屋长度太大，须设深缩缝时，则应设置、若房屋长度太大，须设深缩缝时，则应设置 3 3、若房屋两部分之间质量相差悬殊，或有较大错层，或两部分、若房屋两部分之间质量相差悬殊，或有较大错层，或

19、两部分 基础类型不同，沉降不同，需设沉降缝时基础类型不同，沉降不同，需设沉降缝时 4 4、裙房和主楼之间应根据情况确定、裙房和主楼之间应根据情况确定 设置原则设置原则 1 1、伸缩缝、沉降缝均应满足抗震缝要求、伸缩缝、沉降缝均应满足抗震缝要求 2 2、防震缝宽度应根据规范确定、防震缝宽度应根据规范确定 3 3、防震缝应沿房屋高度方向通长设置。若不作为沉降缝，则基、防震缝应沿房屋高度方向通长设置。若不作为沉降缝，则基 础可不分开础可不分开 二、房屋立面形状二、房屋立面形状 原则原则 1 1 尽量采用简单且沿高度变化均匀的形状尽量采用简单且沿高度变化均匀的形状。 否则将使结构质量和刚度否则将使结构

20、质量和刚度 突变，对抗震极为不利突变，对抗震极为不利 采用平面尺寸沿高度采用平面尺寸沿高度 方向巨变的形状或倒方向巨变的形状或倒 梯形立面梯形立面。 矩形、梯形、矩形、梯形、 三角形、三角形、 避避 免免 后后 果果 原则原则 2 2 使建筑物外柱内倾使建筑物外柱内倾, ,形成锥状体型或形成锥状体型或 平面逐渐收进平面逐渐收进, ,形成收进式阶梯型立面。形成收进式阶梯型立面。 原 因 锥状体型上部迎风面积小锥状体型上部迎风面积小, ,可以减可以减 少上部结构所受风荷载少上部结构所受风荷载 减少风荷载引起的倾覆力矩，增减少风荷载引起的倾覆力矩，增 加房屋的稳定性加房屋的稳定性 减少侧移减少侧移

21、三个好处三个好处 数数 据据 4040层楼房，外柱内倾层楼房，外柱内倾8%,8%,顶层侧移可减顶层侧移可减 少少50%50%。 San Francisco, California, USA Time 1969 - 1972 Materials: reinforced concrete steel Height 260 m number of floors (above ground) 48 Transamerica Pyramid (泛美大厦） Transamerica Pyramid (泛美大厦） First National Bank of Chicago (芝加哥第一国家银行) 世界上最

22、高的银行大楼，共世界上最高的银行大楼，共60层，层， 260米，米， 于于1969年建成。年建成。 原则原则 对于竖向不规则的结构，则在薄弱地对于竖向不规则的结构，则在薄弱地 方采取措施，并根据实际模型进行详细的方采取措施，并根据实际模型进行详细的 计算和分析。计算和分析。 目的目的 避免抗侧力刚度沿高度方避免抗侧力刚度沿高度方 向突变向突变 竖向不规则竖向不规则 的结构的结构 A A、楼层侧向刚度小于相邻上层的、楼层侧向刚度小于相邻上层的 70%70%，且连续三层总的侧向刚度降低，且连续三层总的侧向刚度降低 超过超过50%50%。 B B、相邻楼层质量之比超过、相邻楼层质量之比超过1.51.

23、5（建筑为轻屋盖（建筑为轻屋盖 时，顶层除外）时，顶层除外）。 C C、立面收进尺寸的比例满足、立面收进尺寸的比例满足L L1 1/L 0.75/L 6 精确的分析 需要 四、结构平面布置原则四、结构平面布置原则 原则原则 1 1 开间、进深和层高等尺寸尽量统一开间、进深和层高等尺寸尽量统一 以减少构件总类和规格，方便施工以减少构件总类和规格，方便施工 原则原则 2 2 各抗侧力体系之间应有尽量多的钢梁相连各抗侧力体系之间应有尽量多的钢梁相连 减少柱在两个方向的计算长度，减少柱在两个方向的计算长度， 增加柱的整体稳定增加柱的整体稳定 原则原则 3 3 钢柱在两个方向均应与钢梁相连钢柱在两个方向

24、均应与钢梁相连 整个结构形成一个空间体系，整个结构形成一个空间体系， 增加结构整体性能和抗震能力增加结构整体性能和抗震能力 压型钢板砼楼板压型钢板砼楼板 原则原则 4 4 钢梁的布置间距要与楼板的经济跨度相适应钢梁的布置间距要与楼板的经济跨度相适应 跨度范围 1.5 4 m 经济跨度 2.0 3 m 现浇钢砼楼板现浇钢砼楼板 跨度范围 不限 经济跨度 2.0 m 左右 原则原则 5 5 正确布置抗侧力体系，使楼层的刚度中正确布置抗侧力体系，使楼层的刚度中 心同质量中心重合心同质量中心重合 减少结构在水平力作用下的扭转振动效应减少结构在水平力作用下的扭转振动效应 原则原则 6 6 具有较大刚度的筒体，应在平面上居中或对具有较大刚度的筒体，应在平面上居中或对 称布置称布置 五