高层钢结构设计小论文

1、高层钢结构设计小论文 题目：高层钢结构建筑认识姓名：王冬班级：土091 学号： 成绩；Abstract: Brief describe the history of the development of steel tall buildings.In“911 incident”New York World Trade Center experienced some random loadings w hich include the ram of the planes, the burning of the gasoline as well as the overload of the flo

2、or slab. The process of the w ho le dam age lasted 1 2 hours and its a ductility dam age. The ram force of the planes is analysed, w hich caused a great displacemen t of the tower, sheared the steel column s of the externaltube and b rough t dam age to the floo rslab. The weigh t of the p lane great

3、 ly overloaded the destroyed f loorslab and caused a collapse in a“dominoes style”. The tower finally collapsed vert ically w hen the steel columns lost stable equilibrium , due to the enormou sly increasing ratio of the length and slenderness. Though the burning of the gasoline w as not the maincau

4、se for the collapse, it w as resu lted in a decrease of the strength of the materials and the load2carrying ability, w h ich aggravated the damage.Key words: “911 incident”; New York World Trade Center; h igh2rise building; collapse岁月如梭，岁月如流水，转瞬即逝。不知不觉对土木工程的学习已经有三年了，随着专业基础课与专业课的进行，也对土建工程有了逐渐深入的认识。而这

5、学期在张艳霞老师的带领下对高层钢结构设计的学习，让我对高层钢结构建筑的设计有了更加深入的学习机会。暑期实习时所在的施工单位所建设的京豫文化交流中心为五层钢框架结构，期间大致学到与钢结构相关的知识，图（1）、图（2）为实习期间我所照的相片。图（1） 图（2）本学期在听课后，对于高层钢结构我较为感兴趣的一部分内容为钢结构的发展其优缺点、适用范围以及纽约世界贸易中心双塔楼破坏倒塌原因。钢结构是世界早期高层建筑中最先使用的一种结构类型，将其应用到实际工程中已有几百年历史。19世纪末，西方就开始尝试用钢铁材料制作的框架承重体系，例如美国在1883年建造的11层的保险公司大楼就是采用生钢柱和熟铁梁所构成的

6、框架来承担全部荷载，外围砖墙仅是自承重墙，这栋楼被认为是近代高楼的始祖。计算机和结构计算理论也的飞跃性发展。这些进步使得高层建筑的结构体系呈现出先进、新型、高效和多样化的局面，同时带来了设计技术的革新，增加了高层建筑的适用性和使用功能，也降低了建筑的造价。一、高层钢结构在国内外的发展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 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。繁荣期 1945年二次大战后，高层在美欧等

7、西方国家快速发展，其中以美国最具代表性芝加哥Sears大厦，109层443米，用钢量161Kg/m2，1974年建成。Sears Tower 成束筒体系。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。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

8、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 上海中心大厦 大厦的主楼为127层，总高为632米，结构高度为565.5米，这两个高度均超过了上海环球金融中心，从而成为“上海第一高”。 “上海中心”建筑外观呈螺旋式上升，建筑表面的开口由底部旋转贯穿至顶部，从天空向下俯瞰，“上海中心”非对称的顶部卷折状造型，将进一步丰富上海的城市天际线。 “上海中心”总投入将达148亿元，2014年竣工交付使用。项目的开发建设和运营由上海中心大厦建设发展有限公司负责。 国内在建或已建完的其他著名高层钢

9、结构详细信息二、高钢的优缺点 1）优点 承载能力高，自重轻，与钢筋混凝土结构相比要轻 30-50，结构所占面积和空间小，另外钢结构断面小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8左右，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。 2）缺点 钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。三、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。特别适用于40层以上的超高层建筑，烈度为8度及以上地震区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，形式喜人。四、钢结构构件的性能钢是具有较好的延性材料。但是由钢材制造成的钢结构构件，在竖向和水平荷载

10、作用下并不一定总是延性破坏。在钢结构构件中，其脆性破坏主要是失稳和脆性断裂。构件截面因宽厚比较大而产生局部压屈，柱和斜撑因长细比较大而挠屈失稳以及梁、柱构件的侧向扭屈等属于失稳破坏。螺栓或铆钉连接的净断面拉坏，焊缝应力集中断裂等为脆性断裂破坏。 因此，避免钢结构构件的脆性破坏，是搞好钢结构设计的重要问题。 五、高层钢结构结构体系目前，高层建筑钢结构的主要结构体系有钢框架、钢框架抗剪结构、带水平加强层的钢框架支撑桁架结构、巨型结构、筒体结构等结构体系。下面主要说明框筒结构体系，框筒是由布置在建筑物周边的柱距小、梁截面高的密柱深梁框架组成。形式上框筒由四榀框架围成，但其受力特点不同于框架。框架是平

11、面结构，只有与水平力方向平行的框架才抵抗层剪力及倾覆力矩。框筒是空间结构，沿四周布置的框架都参与抵抗水平力，层剪力由平行于水平力作用方向的腹板框架抵抗，倾覆力矩由腹板框架和垂直于水平力作用方向的翼缘框架共同抵抗。框筒结构的四榀框架位于建筑物周边，形成抗侧、抗扭刚度及承载力都很大的外筒，使建筑材料得到充分的利用。因此，框筒结构的适用高度比框架结构高得多。下图为水平力作用下的倾覆力矩在框筒柱中产生的轴力分布图。倾覆力矩使框筒的一侧翼缘框架柱受拉、另一侧翼缘框架柱受压，而腹板框架柱有拉有压。翼缘框架中各柱轴力分布并不均匀，角柱的轴力大于平均值，中部柱的轴力小于平均值；腹板框架各柱的轴力也不是线性分布

12、。这种现象称为剪力滞后。剪力滞后越严重，框筒的空间作用越小。框筒结构布置的关键是如何减小剪力滞后。框筒可以是钢结构、钢筋混凝土结构或者混合结构。第一栋框筒结构是Fazlur Khan设计的芝加哥DewittChestnut公寓大厦，43层，钢筋混凝土结构，1965年竣工。纽约世界贸易中心双塔楼，为两栋110层、高417m的钢框筒结构，平面尺寸为63.5m×63.5m，柱距l.02m，梁高1.32m，标准层的层高为3.66m，设置在平面中央的47根钢柱仅承受竖向荷载。每32层设置一道7m高的钢板圈梁，以减小剪力滞后。单独采用框筒为抗侧力体系的高层建筑结构较少，框筒主要与内筒组成筒中筒结

13、构或多个框筒组成束筒结构。1）飞机撞击力对结构的影响撞击力可用动能定理FS = m v 2/2 来计算. 波音767 的起飞质量为156 t, 其中所载燃料约50t. 据航空专家称, 飞机的巡航速度为850 km /h ,但撞击时属大迂回后的超低空飞行, 速度约500 600 km /h , 撞击前已飞行了1 h 40m in, 用去部分燃料, 飞机的总质量约为150 t。 塔楼的总宽度仅63 m , 假定飞机从V = 600 km /h 的速度下降到0, 穿过的路程为50m , 由此可求得飞机撞击力约为41 700 kN.撞击力使结构产生大位移, 增大塔楼底部弯矩和剪力. 根据撞击力的大小、

14、撞击部位(距顶部约为总高的1/5及塔楼底层的截面刚度E I 等参数可简单地按悬臂构件估算楼顶的水平位移.世贸中心有强大的抗风能力. 在设计风载作用下, 顶部计算位移约900 mm , 但多年的实测值仅为280 mm , 可见抗侧移刚度相当大. 可以根据塔楼的结构尺寸和材料特性精确计算撞击力产生的楼顶位移. 若真如幸存者所言达到1 000 mm ,则对结构的影响比较大.a. 产生强烈的晃动和超常的位移. 如按我国JGJ 3291钢筋混凝土高层建筑结构设计和施工规程, 筒中筒结构在风载作用下的u/H 限值为1/1 050, 地震作用下为2/950, 塔楼位移已超过了正常使用的允许值.b. 水平撞击

15、力增大底层柱脚的弯矩和剪力. 虽然产生了较大的位移, 增大了底层的弯矩和剪力, 撞击力并未对结构的整体承载力构成威胁. 世贸中心未发生倾倒, 即说明了这一点.c. 塔楼顶部产生了偏斜. 飞机撞击对外筒的损伤, 使塔楼上部在撞击部位形成了不均匀的支承, 机尾损伤严重, 机头损伤较小, 这导致了上部的塔楼向飞机来的方向有一定偏斜.塔楼偏斜示意2）撞击使楼身遭到严重破坏a. 撞击力切割了塔楼内外筒的部分钢柱.b. 撞击破坏了塔楼的楼板. 飞机撞击的具体部位有两种可能: 一是机头在上、下楼层之间撞入, 二是机头直接撞击楼板. 鉴于机身已隐没于塔楼内, 第一种可能性更大. 以波音757 飞机为例,其翼展

16、为38. 13 m , 机身最大直径约5. 03 m , 垂直尾翼高13 m , 而楼层平均层高仅为3. 75 m , 标准层层高低于3. 75 m , 由此可知, 撞击造成了不少于3 层的楼板大面积破坏.3）楼板的塌落a. 楼板严重超载. 飞机的总重量约为1 500kN , 连同被撞破坏的约2 层楼板的重量共同施加在下1 层的楼板上, 造成了该层楼板的严重超载.b. 楼板本身的整体性差. 世贸中心的设计和施工共花费了7 年. 建设者们把楼层分解, 一节一节在工厂车间制作后, 再在现场拼装, 这种施工方法造成了楼板与楼板之间以及楼板和柱之间的整体性相对较差.c. 楼板的抗剪能力差. 由图可知,

17、 板和柱之间的整体性较差, 在垂直荷载作用下, 抗剪切能力下降, 在超额荷载作用下容易造成楼板和柱连接处的冲切破坏.d.“多米诺骨牌”效应. 上层楼板的塌落, 全部重量砸向下一层楼板, 楼板逐层塌落, 形成“多米诺骨牌”效应.4）外筒钢柱的失稳使塔楼最终垂直坍塌外筒钢柱为压弯构件. 钢柱的设计包括强度、变形和稳定的设计. 强度不足产生的破坏形态为延性破坏, 失稳破坏则十分突然, 要求更高. 影响钢柱稳定性的重要因素是其长细比K.纽约世贸中心有110 层, 层间的平均高度H 约为3. 75 m.设计的稳定性是在楼板对钢柱有可靠横向支撑,从而长细比很小的条件下得以保证. 楼板的“多米诺骨牌”式的塌

18、落, 使钢柱的计算长度H 0和长细比K增长了数10 倍.钢柱失稳示意5）燃油燃烧加速坍塌过程许多专家认为: 导致世贸中心坍塌的原因是飞机燃油起火后烧软了钢结构(甚至认为钢材已被烧熔化 , 这就是“火因说”. 作者对这一说法持怀疑态度. 高层建筑不仅对其承载力有极高要求,对其防火也有十分严格的要求. 按照中国GB50045295高层民用建筑设计防火规范的规定, 世贸中心为一类高层民用建筑, 耐火等级为一级，其建筑材料的燃烧性能级别为A 级, 即不燃性建筑材料, 耐火极限是指在标准耐火试验中, 从受到火的作用到失去稳定性、完整性或绝热性的抗火作用时间.纽约世贸中心为全钢结构, 其防火标准必是超级的, 主体结构耐火极限不会小于3 h. 耐火极限的保障,