建筑工程钢结构设计及钢筋连接技术

1、第五编建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术第五编建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术第一章建筑工程钢结构第一节高层建筑钢结构发展情况一国外超高层建筑发展简况1995 年5月在荷兰阿姆斯特丹召开了第五届国际高层建筑会议会上发布了当时 100幢200m 以上的超高层建筑简况表如表 511所示再根据此表并按建造年代结构材料及建筑用途等进行归纳统计可得情况表 512 由表511及表 512可知下列的发展情况世界上最高的 100幢建筑表 511 高层建筑与城市住宅委员会 (CTBUH)1995 年10月31日发布序号名称城市建成 (年 )层数高度 (m)材料用途1石油大厦 1Petronas Towerl吉隆坡

2、 UC9688450M 多功能2石油大厦 2Petronas Tower2吉隆坡 UC9688450M 多功能3西尔斯大厦 Sears Tower 芝加哥 1974110443S 办公4金茂大厦 Jin Mao Building 上海 UC9888421M 多功能5世界贸易中心 1One World Trade Center纽约 1972110417S办公6世界贸易中心 2Two World Trade Center纽约 1973110415S办公7帝国大厦 Empire State Building 纽约 1931102381S 办公8中环广场 Central Plaza 香港 199278

3、374C办公9中银大厦 Bank of China Tower 香港 198970369M 办公10TC 大厦 TC Tower 高雄 UC9785348S 多功能11标准石油公司大厦 Amoco 芝加哥 197380346S 办公12约翰汉考克中心 John Hancock Center 芝加哥 1969100344S多功能13地王大厦 Shun Hing Square 深圳 UC9681325M 办公14中天大厦 Sky Central Plaza 广州 UC9680322C 多功能15拜约基大厦 Baiyoke Tower ll 曼谷 UC9790320C 多功能16克莱斯勒大厦 Chr

4、ysler Bullding 纽约 193077319S 办公17国民银行广场 Nations Bank Plaza 亚特兰大 199255312M 办公18第一州际世界中心 First Interstate WorldCenter 洛杉矶 198975310M办公19 得克萨斯商业大厦 TexasCommerceTower 休斯顿 198275305M 办公20柳京饭店 Ryugyong Hotel 平壤 UC95105300C 饭店21咨询大厦 Two Prudential Plaza 芝加哥 199064298C 办公22第一州际银行广场 First Interstate Bank Pl

5、aza休斯顿 198371296S办公23兰马克大厦 Landmark Tower 横滨 199370296S 多功能24南威克街 311 大厦 311 South Wacker Drive 芝加哥 199065292C 办公续表序号名称城市建成 (年)层数高度 (m)材料用途25租庇利街皇后大道中大厦 Jubilee StreetQueens Road Central 香港UC9769292S 办公26第一加拿大大厦 First Canadian Place 多伦多 197572290S办公27美洲国际大厦 American International Building纽约 19326629

6、0S 办公28自由大厦 1One liberty Place 费城 198761287S办公29 哥 伦 比 亚 第 一 海 上 中 心 Columbia Seafirst Center 西 雅 图198576287M 办公30华尔街 40大厦 40 Wall Street 纽约 193070283S办公31国民银行广场 Nations Bank Plaza 达拉斯 198572281M 办公32华联银行中心 Overseas Union Bank Centre新加坡 198666280S办公33华联银行广场 United Overseas Bank Plaza 新加坡 199266280 办

7、公34共和国广场 Republic Plaza 新加坡 199566280M 办公35花旗中心 Citicorp Center 纽约 197759279S 多功能36斯科休广场 Scotia Plaza 多伦多 198968275M 办公37特兰斯科大厦 Transco Tower 休斯顿 198364275S 办公38社会中心 Society Center 克利夫兰 199157271M 办公39ATT 公司中心 AT TC orporate Center芝加哥 198960270M办公40北密西根 900 大厦 900North Michigan芝加哥 198966265M多功能41国民银

8、行中心 Nations Bank Corporate Center 夏洛特 199260265C办公42桃树中心 One Peachtree Center 亚特兰大 199260264C 办公43加拿大信托大厦 Canada Trust Tower多伦多 199051263 办公44水塔大厦 Water Tower Place 芝加哥 197674262C 多功能45第一州际大厦 First Interstate Tower洛杉矶 197462262S 办公46全美金字塔大厦 Transamerica Pyramid 旧金山 197248260S 办公47GE 洛克菲勒中心 G.E.Rocke

9、feller Center 纽约 193370259S 办公48第一国民银行广场 One First National Plaza 芝加哥 196960259S办公49商业银行大厦 Commerzbank Tower 法兰克福 UC9760259 办公50自由大厦 2Two Liberty Place费城 199058258办公51迈萨托大厦 Messeturm 法兰克福 199063257C 办公52USX 大厦 USX Tower 匹兹堡 197064256S 办公53门楼 Gate Tower 大阪 UC9656254 办公54世界贸易中心 World Trade Genter大阪 19

10、9455252M 办公55亚特兰大中心 One Atlantic Center亚特兰大 198850250M 办公56BNI 城市大厦 BNI City Tower 雅加达 199546250 办公57 朝 鲜 人 寿 保 险 公司 大 厦 Korea Life Insurance Company汉 城198560249S 办公58城巅大厦 City Spire 纽约 198972248C 多功能59蔡斯曼哈顿广场 One Chase Manhattan Plaza 纽约 196160248S办公60公园街 200大厦 200 Park Avenue纽约 196359246S 办公61KTAR

11、 大厦 Kompleks Tun Abdul Razak Building槟城 198565245C 办公62马拉扬银行大厦 Malayan Bankr 吉隆坡 198850244C办公63 东 京 都 府 大 厦 Tokyo Metropolltan Government Building 东 京199148243M 办公64内托大厦 Rialto Tower 墨尔本 198556242C 办公65乌尔沃斯大厦 Woolworth Building 纽约 191357241S办公66美浓银行中心 Mellon Bank Center 费城 199054241S办公67约翰汉考克大厦 John

12、 Hancock Tower 波士顿 197660240S办公68银行中心 Bank One Center 达拉斯 198760240M 办公69JR 中心大厦 JR Central Towers名古屋 UC9953240 多功能续表序号名称城市建成 (年)层数高度 (m)材料用途70商业大厦 Commerce Court West多伦多 197357239M 办公71莫斯科国立大学 Moscow State University 莫斯科 195326239 文教72国民银行中心 Nations Bank Center 休斯顿 198456238S 办公73美洲银行中心 Bank of Ame

13、rica Center 旧金山 196952237S办公74世界广场 One Worldwide Plaza纽约 198947237S 办公75加拿大广场 One Canada Square伦敦 199150237S办公76IDS 中心 IDS Center 明尼阿波利斯 197257236M办公77西北中心 Norwest Center 明尼阿波利斯 198857236S 办公78第一银行大厦 First Bank Place 明尼阿波利斯 199253236S 办公79新加坡财政部大厦 Singapore Treasury Building 新加坡 198652235M办公80夏巨库公园大

14、厦 Shinjuku Park Tower 东京 199452233S 多功能81继承广场 Heritage Plaza 休斯顿 198753232S 办公82科学文化宫 Palace of Culture and Science 华沙 195542231M文教83卡内基大厦 Carnegle Hall Tower 纽约 199160231C 办公84第一国民广场 Three First National Plaza 芝加哥 198157230M办公85公平大厦 Equitable Tower 纽约 198551229S 办公86宾夕法尼亚广场 One Penn Plaza 纽约 197257

15、229S 办公87美洲街 1251 大厦 1251 Avenue of the Americas纽约 197254229S 办公88咨询中心 Prudential Center 波士顿 196452229S办公89加利福尼亚广场 Two California Plaza 洛杉矶 199252229 办公90煤气公司大厦 Gas Company Tower 洛杉矶 199150228 办公91MLC 中心 MLC Centre 悉尼 197865228C办公92 太古广场香格里拉饭店Two PacificPlaceShangriLa Hotel 香港199156228C 多功能93路易斯安那 1

16、100 大厦 1100 Louisiana Building休斯顿 198055228M 办公94朝鲜世界贸易中心 Korea World Trade Center汉城 198854228S 办公95永乐街皇后大道中大厦 Wing Lok StreetQueen's Road Central 香港UC9754228 办公96菲利浦总部大厦 Governor Phillip Tower悉尼 199354227C 办公97靡尔根总部大厦 J.P.Morgan Headquarters 纽约 198950227S 办公98联合广场 Two Union Square 西雅图 198956226

17、M 多功能99希望大厦南 333333 South Hope Building洛杉矶 197555226S 办公100自由广场 One Liberty Plaza(U.S.Steel)纽约 197354226S 办公注 S为钢结构 C为混凝土结构 M为钢混凝土混合结构 (包括钢骨混凝土结构 )UC 为预计建成时间表512世界上 100 幢最高建筑建成的年代材料及用途建造年代建筑数量结构材料建筑数量建筑用途建筑数量目前正在施工 13钢筋混凝土结构 18旅馆 1 1990 年25 混合结构 24多功能 161980 年30 钢结构 45办公楼 801970 年18 不详 13不详 31960 年6

18、1950 年21940 年01930 年51930 年前 11 超高层建筑的数量在增加200m 以上的超高层建筑自 30 年代至今除 40 年代因受第二次世界大战的影响外随后的年代均在持续增加尤其是 70年代后更显著2 较多的是 200300m 的超高层建筑当今世界上有 6幢 400m 以上的超高层建筑其中 3幢建于 70年代另 3幢建于90年代建于 70年代高为 443m 的西尔斯大厦至今仍属世界上最高建筑于1996 年建成的高为 450m 的吉隆坡石油大厦在高度上与西尔斯大厦基本相同 100幢超高层建筑中有 20幢的建筑高度为 300450m80 幢为 200300m 高的建筑这表明后者的

19、建筑高度适用性得到开发商的关注3 超高层建筑的用途在拓宽80年代以前的超高层建筑大部分用作办公建筑但在 90 年代较多地增加了多功能建筑和旅馆建筑的比例拓宽了建筑用途相应地结构材料和结构体系的选择也需适应其要求 4 结构材料在多样化70年代以前和 70 年代建造的超高层建筑绝大部分采用钢结构在 80年代增加了钢混凝土结构的比例 90 年代在非地震区增加了钢筋混凝土结构的比例如上所述这些结构材料的变化除受建筑用途影响外还由于经济原因和防火要求使后两种结构材料的应用比例有所增加对于地震区超高层建筑则仍以钢结构为主少量的采用钢混凝土结构二国内高层建筑钢结构发展简况自80 年代中期至今的 15年内我国

20、已建成和在建的高层建筑钢结构和钢混凝土结构约有 29项其简要情况见表 513 根据该表并按建筑高度结构材料及建筑用途进行归纳统计其情况如表 514所示表中 7度抗震设防的高层建筑工程位于上海深圳大连及厦门等城市 8度抗震设防的工程均位于北京表 513国内高层建筑钢结构及钢混凝土结构工程序号工程名称地点高度(m)层数地下地上建筑面积万 (m2) 总用钢量 (t)结构形式1金茂大厦上海 36538817.714000 钢筋混凝土核心筒外框钢筋混凝土柱及钢柱2地王大厦深圳钢筋混凝土核心筒外框钢结构3赛格广场深圳钢筋混凝土核心筒外框钢管混凝土结构4浦东国际金融大厦上海23035312.011000 钢

21、筋混凝土核心筒外框钢结构5国际航运大厦上海钢筋混凝土核心筒外框钢结构6京广中心北京 20835713.719000 钢框架带钢边框钢骨混凝土剪力墙续表序号工程名称地点高度(m)层数地下地上建筑面积万 (m2) 总用钢量 (t)结构形式7森茂大厦上海 19834811.08000 钢筋混凝土核心筒外框钢骨混凝土结构8京城大厦北京 18245211.012000 钢框架钢支撑 (外包钢筋混凝土 )9世界金融大厦上海钢筋混凝土核心筒外框钢骨混凝土柱10深圳发展中心深圳 1652485.69000 钢筋混凝土核心筒外框钢结构11商品交易大厦上海钢筋混凝土核心筒外框钢结构12新金桥大厦上海 157238

22、4.07000 钢筋混凝土核心筒外框钢结构13北京国贸中心北京内外钢框架钢支撑筒体14中保大厦上海 1543387.02000 钢筋混凝土筒体钢桁架梁15上海锦江饭店上海 1531464.87500 钢框架钢支撑及钢板剪力墙16世界广场上海 00钢框架钢支撑17上海希尔顿饭店上海 1441435.24000 钢筋混凝土核心筒外框钢结构18上海国贸中心上海 1422379.010740 钢框架钢支撑19 上海证券大厦上海钢筋混凝土核心筒巨型钢框架钢支撑20上海瑞金大厦上海 1071273.23700 钢筋混凝土核心筒外框钢结构21大连森茂大厦大连 1092244.63530 钢骨混凝土框架钢支撑

23、22长富宫饭店北京纯钢框架23九州大厦厦门 902256.265400 钢框架钢支撑24香格里拉饭店北京钢筋混凝土核心筒钢骨混凝土框架25中国工商银行总行北京钢框架钢偏心支撑26上海金沙江饭店上海钢框架钢支撑27北京国贸中心 (二期 )北京 156339 钢筋混凝土核心筒外框钢结构28大连远洋大厦大连 200.8451 钢筋混凝土核心筒外框钢结构29环球金融中心上海 460395 钢骨混凝土筒中筒结构(基础已施工 )表514国内 29幢高层建筑钢结构和钢混凝土结构情况归纳 (幢数 ) 建筑高度结构材料建于地震区建筑用途300mm300150m150m 钢结构钢混凝土结构 (包括钢骨混凝土结构

24、)7度设防区 8度设防区办公多功能旅馆从表 514 对29幢高层建筑钢结构和钢混凝土结构的归纳结果可知下列情况1. 三分之二的工程及 5幢最高建筑是钢混凝土结构表513中多数高层建筑工程由外商设计他们在 80年代设计的工程主要采用钢结构其原因是多方面的一是考虑到建于地震区钢结构的抗震性能较好另一是根据国外的经验因劳务费高认为钢结构造价低于混凝土结构施工周期也短等原因在 90年代则成为主要采用钢混凝土结构包括少量的钢骨混凝土结构其中原因主要在于投资商结合我国国情采用钢混凝土结构可降低结构造价此外表中前 5幢最高建筑是采用钢混凝土结构2 建筑高度多数为 150300m上述 29 幢高层建筑中 60

25、的建筑高度为 150300m 其中原因受城市规划和商业适用性的影响在结构上也因建于地震区受钢筋混凝土高层建筑结构适用高度的影响要考虑选用钢结构和钢混凝土结构3 29 幢高层建筑均建于抗震设防区我国较多的大中城市位于抗震设防区尤其是沿海商业城市因此设计时很重视钢筋混凝土结构钢混凝土结构和钢结构的选用以及结构体系的选择相应地促进钢结构和钢混结构的发展也推动科研工作和规范的制订在这一过程中关于钢混凝土结构在地震区高层建筑中的应用问题也受到工程界的关注4 高层建筑的用途多样化由表 514 可知我国与国外在高层建筑用途的多样化发展方面也基本相同即在数量上虽然办公楼占多数但多功能及旅馆用途的高层建筑在逐渐

26、增多以适应当今开发商在商业上的需要三国内钢材生产和钢结构制作安装技术简况1 钢材质量及规格在不断提高和开发高层建筑钢结构中的柱子及竖向支撑常需采用大于 40mm 的厚钢板而且要求符合 Z向断面收缩率的规定目前厚钢板的生产质量在逐渐提高也已能生产符合断面收缩率要求的厚钢板如上海宝山钢铁公司等 H型钢的生产供应已处于开发供应阶段自 1997 年开始已有马鞍山钢铁公司鞍山第一轧钢厂及莱芜钢铁公司等厂家生产 H型钢马钢公司可供应的最大截面宽翼缘 H型钢为 400400mm 中翼缘 H型钢为 600300mm 窄翼缘 H型钢为700300mm 前一时期国内高层建筑钢结构的钢材主要采用进口钢材现随着国内厂

27、家的产品开发规格增多价格趋于合理等也将使国产钢材采用数量增加2 钢结构制作安装专业公司在扩大高层钢结构的制作及安装技术要求一般情况下要高于钢筋混凝土结构近年来随着国内高层钢结构工程不断增多以及国内厂商与外商在制作和安装的合作并经历了北京上海和深圳等一批大中工程的实践已形成一些专业公司也已具有较好的技术水平国内有些专业公司已具备高层钢结构总承包商的条件第二节钢结构及其同类制品的应用我国的高层建筑结构目前主要采用钢筋混凝土结构这既符合我国国情可适应使用要求和降低工程造价也符合规范关于适用高度的规定对于建于抗震设防区的超高层建筑由于国内外对钢筋混凝土结构的实践经验还较少因此在考虑结构方案时主要关注钢

28、结构和钢骨混凝土结构等方案是符合当前技术条件的而且这类结构还有其他方面的优点现就高层建筑中钢结构钢混凝土结构和钢骨混凝土结构等三类结构的主要优缺点作一粗略分析一高层建筑钢结构一主要优点1 抗震性能优于钢筋混凝土结构相对于钢材来说混凝土的抗拉和抗剪强度均较低延性也差混凝土构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低钢材基本上属各向同性的材料抗压抗拉和抗剪强度均很高更重要的是它具有良好的延性在地震作用下钢结构因有良好的延性不仅能减弱地震反应而且属于较理想的弹塑性结构具有抵抗强烈地震的变形能力2 减轻结构自重降低基础工程造价一般钢筋混凝土框剪结构和框架筒体结构的高层建筑当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板内墙

29、采用轻质隔墙时包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为 1517kNm2 其中梁板柱及剪力墙等结构的自重约 为 1012kNm2 相同 条 件 下采 用钢 结 构时 全 部重 力 荷载 约 为 1012kNm2 其中钢结构和混凝上楼板的结构自重约为 56kNm2 由上述可知两类结构的结构自重的比例为 21全部重力荷载的比例约为 151 这相当于75 层高的钢结构高层建筑上部重力荷载可等同于 50 层高的钢筋混凝土结构高层建筑荷载值的很大差异相应的地震作用数值也大为减小基础荷载大为减轻基础技术处理的难度以及基础工程造价等均将受到很大影响3 减少建筑中结构所占的面积对于 3040 层的钢筋

30、混凝土结构的高层建筑建于地震区时其柱截面尺寸常取决于轴压比限值而达 18m18m20m20m 核芯筒在底部的壁厚将达0608m 以符合结构侧向刚度和层间位移的要求这两项结构面积约为建筑楼层面积的 7如采用钢结构柱截面大为减小核芯筒采用钢柱及钢支撑时包括它外侧的装修做法其厚度仍比筒壁厚度薄很多相应的结构面积一般约为建筑楼层面积的 3比钢筋混凝土结构可减少约 4这对投资方来说将产生不小的经济效益4 施工周期短钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作然后在现场安装钢构件安装时一般不搭设大量的脚手架同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板无需另行支设模板而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行钢筋混凝

31、土结构除钢筋可在车间内下料外大量的支模钢筋绑扎和混凝土浇筑等工作均需在现场进行因此钢结构的施工速度常可快于钢筋混凝土结构约 2030 相应的施工周期也缩短能早日投入使用使投资方在经济效益上获得早回报二关于钢结构造价及综合经济效益1 高层钢结构的造价高于同高度混凝土结构的造价及其原因不包括基础及地下室结构在内上部高层钢结构造价一般为同样高度钢筋混凝土结构造价的 1520 倍从而增加了上部结构的直接投资钢结构的造价一般包含三部分即钢材费用制作和安装费用以及防火涂料费用这三者的粗略比例关系可由下式表示钢结构造价 =钢材费用 40+ 制作安装费用 30+ 防火涂料费用 30实际工程中钢结构的用钢量虽大

32、于钢筋混凝土结构中的钢筋用钢量但这不是两种结构差价的主要原因主要原因在于防火涂料费用占有较大的比例以及钢结构制作安装的技术含量较高相应的劳务费也高上式中制作安装费用和防火涂料费用与结构用钢量相关因此节省用钢量对降低工程造价是很见效的2 上部钢结构造价与全部结构造价及工程造价的比例关系全部结构造价包括上部钢结构外还包括影响较大的基础造价和地下室造价基础造价与地基土条件有很大的关系软土地基时的桩基费用相当高对于一般性高层建筑上部钢结构造价约为全部结构造价的 6070 工程造价除包括全部结构造价外还包括费用很高的建筑装修及电梯机电设备等粗略估计时一般全部结构造价约为工程造价的 2030 相应地上部钢

33、结构约为工程造价的 15203 采用钢结构的综合经济效益由上述可知上部钢结构的造价一般为工程造价的1520 而一般工程造价约为工程总投资包括拆迁购地及市政设施增容费用等的 5070 相应地上部钢结构造价约为工程总投资的 815因此钢结构与钢筋混凝土结构间的差价约为工程总投资的 510这一差价常可由于采用钢结构后因自重轻而降低基础造价增加建筑使用面积和缩短施工周期等得到相当程度的弥补从而提高工程的综合经济效益三存在的主要问题1 钢结构的耐火性能差钢结构是不耐火的结构钢结构在火灾烈焰下构件温度迅速上升钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降当结构温度达到 350及 500 时其强度可分别下降

34、30及 50 至600 时结构完全丧失承载能力变形迅速增大导致结构倒塌因此高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ9998 规定对钢结构中的梁柱支撑及作承重用的压型钢板等要采用喷涂防火涂料保护2 吸取震害经验教训完善钢结构设计现已颁布的高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ9998 以下简称高钢规程在内容上已反映部分国内外的地震震害经验和抗震设计措施但是由于地震的随机性和实际工程结构的复杂性未能避免诸如结构平面和剖面的不规则以及沿竖向的刚度突变和强度突变的结构方案潜伏着结构的薄弱部位和遭受破坏的可能性钢结构虽有较好的延性但还难以避免连接节点的开裂支撑的压屈在阪神地震中还发生柱子脆性断裂等震害因此需要在总

35、结震害经验的同时开展科学研究逐渐完善钢结构设计3 不易落实钢材供应目前对于国内生产符合设计规范要求的厚钢板仍需改进和研制开发 H型钢虽已生产但规格还不齐全供应上还需适应小批量的要求因此设计过程中需要为落实钢材供应作深入的调查研究必要时要考虑采用进口钢材的可能性和供应条件以使设计方案和所用的钢材得到落实二高层建筑钢混凝土结构一主要优点1 侧向刚度大于钢结构钢混凝土结构由于采用钢筋混凝土剪力墙或核芯筒作为主要抗侧力结构其侧向刚度大于一般钢结构相应的水平位移也小这在一些工程实例中已得到证实2 结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间如上所述根据我国国情钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构钢混凝土结构钢材

36、用量小于钢结构又可节省部分防火涂料费用因此钢混凝土结构的造价基本上介于钢结构和钢筋混凝土结构之间3 施工速度比钢筋混凝土结构有所加快钢混凝土结构的施工特点是常将混凝土核芯筒安排先行施工随后将筒体施工进度也安排快于周边钢结构的安装同时在钢混凝土结构中的梁柱采用钢结构楼板结构采用在压型钢板上浇筑混凝土因此钢混凝土结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构施工周期也可缩短些4 结构面积小于钢筋混凝土结构由于采用钢柱相应的柱截面小于钢筋混凝土柱也由于钢混凝土结构中钢柱承担较小的水平剪力其截面甚至可小于钢结构中的柱子故与钢筋混凝土结构相比较可减小柱子所占用的建筑面积便于使用5 发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用近

37、年来国内部分钢混凝土结构工程中已采用钢管混凝土柱如深圳的地王大厦和赛格广场大厦分别采用矩形截面及圆形截面的钢管混凝土柱由于采用了这种柱既提高了柱的承载力又提高了柱的抗推刚度和相应的结构侧向刚度也有利于提高柱的防火能力赛格广场大厦采用圆形截面钢管混凝土柱后避免了柱需采用厚钢板圆钢管的最大壁厚为 30mm 此外该工程的四角为非正交的斜交柱网相应地可简化框架中的梁柱连接构造避免箱形截面柱与非正交梁连接构造的复杂性二存在的主要问题1 混凝土内筒的刚度退化将加大钢框架的剪力钢混凝土结构中现在采用的主要结构体系为钢框架混凝土内筒体系其中钢筋混凝土内筒为主要抗侧力结构钢框架主要承担重力荷载也承担较小的水平剪

38、力在水平地震作用下由于钢框架的抗推刚度远小于混凝土内筒钢框架承担的水平剪力除顶部几层可为楼层剪力的 1520 中部及下部约为相应楼层剪力的 1015( 图511) 在往复地震动的持续作用下结构进入弹塑性阶段时墙体产生裂缝后内筒的抗推刚度大幅度图511 外钢框架与混凝土内筒的水平剪力分配率降低而钢框架由于弹性极限变形角大于混凝土内筒甚多虽然此时的水平地震作用要小于弹性阶段但钢框架仍有可能要承担比弹性阶段大得多的水平地震剪力和倾覆力矩因此为符合结构裂而不倒的要求需要调整钢框架部分所承担的水平剪力以提高钢框架的承载力并采取措施提高混凝土内筒的延性2 要进一步分析研究钢混凝土结构的抗震性能由于国外工程

39、在地震区很少采用钢混凝土结构相应就缺乏这方面的震害资料国内也无这方面的经验为使这类结构设计完善些有必要做一些模型实验并进行弹塑性时程分析和结构抗震性能的分析研究3 确定适宜的层间位移限值高钢规程没有列出对钢混凝土结构的设计规定但对有混凝土剪力墙的钢结构规定应符合钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程 JGJ391 以下简称混凝土高规的要求现行的混凝土高规规定的层间位移限值对于钢混凝土结构常不易符合要求修编中的混凝土高规第二稿将包含对钢混凝土结构设计规定的内容关于钢混凝土结构的层间位移限值将规定为等同于相应的钢筋混凝土高层建筑结构体系的要求此外修编中的混凝土高规关于层间位移限值将比现行混凝土高规 JG

40、J391 有所放松并以此确定适宜的限值4 混凝土内筒的施工误差远大于钢结构钢框架混凝土内筒体系中混凝土内筒的施工进度常先于钢框架由于支模等原因现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏移差常大于施工规范的规定而混凝土施工规范规定的误差限值也已大于钢结构施工规范规定甚多当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连接时这些钢板埋件在平面和竖向标高的位置不仅受混凝土墙体偏移的影响而且受预埋件移位的影响其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围常需采取难以令人满意的弥补措施因此宜在设计上采用适应性较好的连接方法三高层建筑钢骨混凝土结构国内外高层建筑中完整地对梁柱支撑及剪力墙等均采用钢骨混凝土的工程实例尚属很少它主要用于下列

41、情况1 用作过渡层上部钢结构与钢筋混凝土地下室或基础之间高钢规程规定宜设置钢骨混凝土结构层作为过渡层钢骨混凝土结构设计规程 YB908297 也有此推荐意见这种过渡层设置法已在日本很多工程中采用国内工程如北京的京广中心大厦和京城大厦也采用这种过渡层2 用作外筒结构的柱子如第四章中列举的休斯敦美洲大厦在密柱外筒结构中柱子采用钢骨混凝土这一结构的内筒为钢框架但仅承担重力荷载3 用作钢混凝土结构的外框架柱如第四章中列举的上海瑞金大厦在采用钢混凝土结构时内筒为混凝土结构外框架的柱为钢骨混凝土框架梁在上部为钢梁下部几层为钢骨混凝土梁4 用作框架柱及内筒如第四章中列举的休斯敦第一城市大厦在采用框架内筒结构

42、体系时框架柱及内筒为钢骨混凝土梁均为钢梁一主要优点1 可用作良好的结构过渡层(1) 高层建筑在标准层以下和地下室以上常安排有公共建筑部分其层高大于标准层甚多由于柱的抗推刚度D 是柱高度 h 三次方的倒数关系D=EIh3 因此这一部位是结构侧向刚度突变的部位例如这一部位的钢柱截面同标准层而层高是标准层的 2倍则公共建筑部位柱的抗推刚度比标准层柱的抗推刚度要降到 18刚度突变量很大如由梁柱构成钢骨混凝土框架再与支撑框架等共同工作则不仅提高柱的承载力更主要的是改善地震区建筑刚度突变的不利情况以及减小该部位的层间位移量(2) 高层建筑地下室主要是机电设施用房其防火要求甚高建筑设计上也不再采用吊顶装修因

43、此如采用钢骨混凝土梁柱构件则可不再喷涂防火涂料比起钢梁钢柱构件更适应地下室的使用要求(3) 在一些工程中除为适应地下室功能要求外还考虑为安排钢构件加工有一进度上的间隔或要设置人防结构等需要采用钢筋混凝土结构的地下室此时上部钢结构与地下室钢筋混凝土结构之间需要采用钢骨混凝土结构过渡层以使钢柱及竖向钢支撑等有良好的受力特性过渡也便于连接构造此外当钢结构主楼与钢筋混凝土裙房结构之间相连而不设抗震缝时在该部位的主楼结构采用钢骨混凝土结构时也有利于两种结构之间的构造连接2 造价低于钢结构防火能力高于钢结构钢骨混凝土柱可发挥混凝土的受压强度截面小于钢筋混凝土柱用钢量小于钢柱相应地可降低造价钢骨混凝土有很好

44、的防火能力可避免采用昂贵的防火涂料钢骨混凝土柱比钢柱便于建筑装修此外采用钢骨混凝土柱有可能避免采用进口的厚钢板而可采用国产钢板3 延性优于钢筋混凝土刚度大于钢结构钢骨混凝土与钢筋混凝土的阻尼比基本相等但延性有一定程度的提高滞回曲线丰满些由于钢骨混凝土柱截面大于钢柱相应的刚度也大4 施工速度可快于钢筋混凝土结构钢骨混凝土结构施工的特点是可先形成钢骨结构然后交叉施工钢筋混凝土部分此时可利用钢骨结构作为施工用的承重结构节省大量脚手架与钢筋混凝土结构相比较可加快施工速度缩短施工周期当不采用钢骨混凝土梁而采用钢梁及在压型钢板上浇筑混凝土作为楼板时其施工速度甚至可接近钢结构施工速度的水平这也是在一些工程中

45、不采用钢骨混凝土梁的原因之一二存在的主要问题1 钢骨混凝土梁柱的连接构造复杂已建的高层建筑中在标准层部位采用钢骨混凝土柱及剪力墙时很少采用钢骨混凝土框架梁及次梁其原因有三一是梁柱连接构造复杂二是未能减小梁的截面高度从而不能增加建筑楼层的有效净高三是影响施工速度采用钢骨混凝土框架梁时该梁的上下层纵向钢筋要穿越十字形钢骨柱在两个方向上的腹板梁柱节点处柱箍筋要穿越柱侧 24根钢骨梁的腹板构造很复杂尤其是框架梁与柱非正交连接时不仅十字形钢骨柱截面为一异形截面而且在柱腹板上要留斜向穿筋洞施工相当困难主次梁连接时次梁下筋要与主梁的连接板焊接2 钢骨混凝土梁影响压型钢板的采用高层建筑钢结构之所以能快速施工原

46、因之一在于采用无需支模的压型钢板上浇筑混凝土楼板的方法但是当采用钢骨混凝上梁时就难以采用压型钢板做法需要对梁自身和混凝土楼板等均需支模施工而且梁柱节点处要穿筋从而减慢了施工速度甚至与钢筋混凝土结构的施工速度相近3 层间位移限值等同于钢筋混凝土结构的规定和钢混凝土结构一样钢骨混凝土结构的部分设计规定也将包含在修编中的混凝土高规中并将其层间位移限值等同于钢筋混凝土结构的限值当框架梁采用钢梁时将对结构的侧向刚度有所减弱无适当措施时其刚度小于相应的钢筋混凝土结构第三节结构体系的分类及应用一高层建筑钢结构的结构体系分类目前高层建筑钢结构的结构体系分类主要是在大量工程实践经验的基础上根据不同建筑高度所采用

47、的各种不同抗侧力结构对水平荷载效应内力分布及位移特征等的适应性进行粗略分类的图512是文献 1.9 对高层建筑钢结构的结构体系分类示意图在其他一些文献中也对钢筋混凝土结构的结构体系进行类似的分类图 512将高层建筑钢结构的结构体系分为四大类图512各类结构体系的适应高度1 框架结构体系包括半刚接及刚接框架2 共同作用结构体系包括框架支撑体系带伸臂行架的框架支撑体系3 部分筒体结构体系包括带支撑的槽形筒槽形筒和工字形开口筒的组合筒4 筒体结构体系包括外筒筒中筒及巨型支撑外筒高钢规程提出的类型除未列举类型 3的结构体系外基本上与上述划分的结构体系类似对所列结构体系与建筑高度的适应关系在概念上也基本

48、相同按上述划分的各类体系在实际工程中还可派生出一些有其本身特征的结构体系也有些工程还不易确切地说明其属哪一种结构体系随着时代的前进以及人们创造性的不断发挥结构体系还会多样化二结构体系的选用进行实际工程设计时常需综合考虑很多因素由此进行深入的方案比较在优化过程中确定其适宜的结构体系优化过程中宜考虑的主要因素包括1. 要适应地震区和非地震区建筑的不同要求地震区与非地震区高层建筑结构在设计概念上有相同之处但也有较大的差异地震区建筑结构的设计应符合三水准的抗震设防要求并为符合裂而不倒的要求在选择结构体系时应作如下的考虑(1) 形成多道抗震防线的结构体系在这些体系中宜采用偏心支撑和设置赘余杆使大震时通过

49、第一道结构防线出现塑性铰以及赘余杆和耗能梁段等的屈服耗散地震能量(2) 结构体系宜具有适应支撑梁柱的屈服顺序机制或耗能梁段支撑梁柱的屈服顺序机制相应地要避免使竖向支撑既承担水平剪力又传递重力荷载更应避免使其成为传递重力荷载的主要杆件而应使支撑梁和柱形成的支撑框架对杆件的承载力能够匹配以使大震时支撑先行压曲推迟在柱内产生塑性铰(3) 结构体系的侧向刚度要连续化避免刚度突变以减少结构薄弱部分和应力集中部位采用如伸臂桁架和巨型框架等结构体系时宜对相邻层结构采取适当的过渡措施和加强措施抗风的高层建筑钢结构体系相对于地震区建筑的要求有较大的放松但应适应舒适度的要求符合顺风向及横风向顶点最大加速度限值的规

50、定2 要适应建筑高度和建筑高宽比值图512在概念上表达了建筑高度与结构体系的适用关系同时也表达了有些结构体系并不适用的关系如适用于超高层建筑的筒体结构体系不宜用于高宽比值较小的一般高层建筑建筑高宽比值较大时一方面使结构产生较大的水平位移及 P效应还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力相应地宜选用剪力滞后效应较小整体刚度较大的筒体结构还有一类建筑如第四章中列举的日本阳光大厦等工程建筑平面为矩形建筑高宽比值较大且内筒的高宽比值高达 20 因此在这些工程中采取了多项综合措施如密柱距的框架支撑体系中还设置伸臂桁架等3 要适应建筑使用功能的要求高层建筑除建筑功能较为单一的办公楼外还有数量不少的多功能高层建筑

51、如带地下车库的商办楼以及上部为公寓或旅馆下部为办公用的高层建筑上部为公寓或旅馆时建筑功能上无需将下部很大的内筒向上延伸而是要缩减内筒面积形成通天的天井如采用外框内筒体系的北京京广中心大厦采用巨型柱钢混凝土组合结构的上海金茂大厦等的处理即使功能上较单一的办公建筑也因开发商要考虑适应小面积用户的要求在上部改为小面积楼层如采用成束筒结构体系的芝加哥西尔斯大厦采用体形为上小下大的锥形体并采用巨型支撑筒体的芝加哥汉考克大厦等有一些建筑在下部几层要设置大柱距大空间的中庭如采用巨型框架的东京市政厅大厦还有一些建筑对于筒体结构要求设置转换层以适应下部大空间的要求上述建筑中均需考虑所采用的结构体系应适应建筑功能

52、要求的问题4 要慎重考虑采用特厚钢板建筑工程工程推广应用新技术手册第五编建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术目前国内或国外高层建筑钢结构主要采用类似于我国的 Q345 号钢材或类似钢号的钢材这一钢号与 Q235 等钢号均具有相同的规律即钢板厚度愈厚其强度愈低因此对于厚钢板的采用除要考虑其强度降低因素外对于大于 100mm 的特厚钢板更应考虑它已超出国标 GBT159194 关于 Q345 钢材质标准范围也超出高钢规程所列 Q345 强度设计值范围形成无国内标准可遵循对于 60100mm 的特厚钢板如要采用则应落实特厚钢板关于断面收缩率等保证工程及加工厂的焊接工艺以使结构体系具有现实性必要时可考虑采

53、用进口钢板图513 楼面结构及抗侧力结构的用钢量高层建筑钢结构中采用厚钢板的构件主要是柱和支撑因此通过对结构体系和柱距等的优化比较分析研究采用钢板厚度小于100mm 的可能性5 着重对抗侧力结构进行经济比较随着科研水平的不断提高设计经验的逐渐丰富国外高层建筑钢结构的用钢量近期工程低于早期工程其中原因较多有钢材强度提高的因素以及建筑外墙材料及隔墙材料的减轻因素但也由于结构体系和结构布置等不断改进的原因由图 513可知一般高层建筑钢结构中楼面结构的用钢量变化较小但柱子及支撑等主要抗侧力构件的用钢量将随着建筑高度的增加而加大因此经济比较要着重对抗侧力结构体系的比较第四节钢结构用高效钢材传统的钢结构材料主要是工字钢槽钢角钢和钢板钢号主要有两种 3号钢 Q235 和 16锰钢 Q345 近年来已在国内开发推广应用了许多新型高效钢材已经取得了很大经济效益新型钢材仍在不断地研究开发将会取得更大的效益一轧制 H型钢轧制 H型钢在国外早已是普遍应用的轧制型材在建筑结构中的应用远大于其他型钢目前国内已开始生产质量好规格齐全的 H型钢这将会对我国钢结构事业的发展产生深远的影响 H型钢是用具有两水平辊和两立辊的万能轧机轧制而成