高层建筑钢结构-第一章概论

高层建筑钢结构-第一章概论第一页，共84页。1、陈富生等，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，20042、张耀春，钢结构设计，高等教育出版社，20073、刘大海等，高楼钢结构设计，中国建筑工业出版社，20034、行业标准，高层民用建筑钢结构技术规程，JGJ99-98，中国建筑工业出版社，1998(2012报批稿)主要参考书：第二页，共84页。1、概论2、高层钢结构用钢3、结构体系和布置4、结构分析5、构件设计6、节点设计7、防灾主要内容：结构用钢体系和布置结构分析构件设计节点设计高层建筑钢结构钢结构设计理论第三页，共84页。城市化进程加速、人口集中、地价飞涨，节约用地成为关键；缩短道路和管线设施长度，节约城市基础设施总投资；改善城市面貌，体现经济实力和技术水平，成为地标性建筑。1.1高层建筑的发展背景1概论第四页，共84页。1）高层建筑的定义联合国教科文组织世界高层委员会1972年将9层及9层以上的建筑定义为高层建筑，并分成4类：第一类9～16层（最高50m俗称小高层）第二类17～25层（最高75m俗称中高层）第三类26～40层（最高100m俗称高层）第四类40层以上（高度100m以上，称超高层）1.2钢结构在高层建筑中的地位高层建筑我国《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95规定：≥10层的居住建筑≥24m且2层以上的民用建筑第五页，共84页。我国《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ3-91规定≥8层为高层。主要考虑目前登高消防车的供水高度仅为24m第六页，共84页。2）高层钢结构的地位1990年统计世界最高的90幢高层建筑中钢结构(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％1998年统计世界最高的28幢建筑中钢结构(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％国内近15年最高的29幢高层建筑中钢结构及钢-砼混合结构占2/3，以钢-砼混合结构为主。第七页，共84页。3）高层钢结构的优势自重轻，减少地震作用和运输量，便于地基处理结构所占面积少，可增加使用面积S较M可增加2～3％S较RC可增加4～6％工厂化程度高，施工周期短，早投产、早受益、早回收

综合经济指标显示：钢结构最适于高层和超高层建筑绿色环保、可持续发展15层以上的高层钢结构造价可达到与混凝土持平，综合造价可超过混凝土第八页，共84页。全钢结构体系1.3高层钢结构体系介绍平面框架15～30层平面框架-支撑结构40～60层等效筒体结构50～65层高效筒体结构65～110层(框筒、筒中筒、成束筒)巨型结构65～110层以上(巨型框架、巨型桁架、巨型悬挂、巨型分离式)第九页，共84页。不同结构体系的对比框架结构框架支撑或框架剪力墙部分筒体筒体结构第十页，共84页。混合结构体系

钢筋砼内筒＋外围钢框架钢筋砼剪力墙＋钢框架钢管砼结构钢骨砼结构第十一页，共84页。1）国外的发展1.4高层钢结构在国内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第十二页，共84页。1885年美国芝加哥建成了HomeInsurance大楼，开始建成10层，后又追加了2层的钢梁、生铁柱框架第十三页，共84页。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。Empirestatebuilding第十四页，共84页。繁荣期1945年二次大战后，高层在美欧等西方国家快速发展，其中以美国最具代表性芝加哥Sears大厦，109层443米，用钢量161Kg/m2，1974年建成。SearsTower成束筒体系。Sears第十五页，共84页。第十六页，共84页。第十七页，共84页。纽约世界贸易中心双塔楼，110层412米，用钢量186Kg/m2，1973年建成，2001年9月11日被撞倒塌。框筒结构体系。第十八页，共84页。第十九页，共84页。芝加哥JhonHancock大厦，100层344米，用钢量145Kg/m2，1969年建成。大型支撑框筒体系。第二十页，共84页。近期发展目前欧洲最高建筑为德国法兰克福商业银行新大楼，地上63层，高298.7米。平面呈圆角三角形，1997年5月竣工。第二十一页，共84页。日本最高建筑为横滨里程碑(LandMark)大厦，73层，高296米，1993年建成。第二十二页，共84页。第二十三页，共84页。马来西亚号称世界第一高楼的吉隆坡石油双塔，88层450米，1996年建成。实际上没有Sears大厦高。采用钢-砼混合结构采用钢梁和压型钢板组合楼盖,C40砼钢砼内筒23m×23m外筒直径46m，由16根钢砼柱组成,C80砼41~42层处,58m跨钢天桥第二十四页，共84页。世界第一高的比较TwintowersSears第二十五页，共84页。迪拜塔成为世界最高建筑828米超过了高度为６２８．９米的美国北达科他州ＫＶＬＹ－ＴＶ电视发射塔，从而成为世界最高建筑。ＫＶＬＹ－ＴＶ电视发射塔自１９６３年以来保持着世界最高牵索建筑纪录。迪拜塔于２００４年９月动工。为防止竞争者超越，艾马尔公司一直将迪拜塔的最终高度作为商业机密而不予公布。耗资数十亿美元。第二十六页，共84页。

美国设计了MiglinBeitler塔楼，为混合结构，下125层，高453米，为高强砼结构，砼强度C70～C100，上156米为钢结构塔楼，总高度609米。未来的空中城市设计第二十七页，共84页。

美国还提出了高850米的Erewhon中心的设想，系大型支撑结构体系，刚度甚大，周期仅为10s。第二十八页，共84页。莫斯科水晶岛福斯特建筑事务所刚刚获得设计许可，在一半岛上建造。高457米，可供3万人居住，同时拥有3000个酒店房间，设有电影院、剧院、购物中心、健身中心和容纳500名学生的国际学校。第二十九页，共84页。高800米的DIB-200动力智能大厦第三十页，共84页。高800米的东京千年塔(Millenuiumtower)高约840米，170层，外观呈圆锥形，1989年是由福斯特建筑事务所提出，占地0.4平方英里，用于商业和居住，可容纳6万人。每隔13层都设有一个交通中转站，公交系统连接这些交通枢纽。千年塔的风力涡轮机和安装在上层的太阳能电池板可以为整栋建筑提供可持续能源，是目前提出的最环保的城市设计方案之一。第三十一页，共84页。东京空中之城1000约1000米高，自给自足，1989年提出，以恢复东京的绿地。由14个玻璃层保护的平台构成，占地面积3.1平方英里，内部拥有大片绿色空间。多种用途，容纳居民3.6万，工人10万，有学校、商场、建影院等。使用新一代三层电梯，从底层到顶层只需2分钟。第三十二页，共84页。第三十三页，共84页。高2001米的空中大都会第三十四页，共84页。东京清水TRY2004巨城金字塔

高度是埃及吉萨大金字塔的12倍，约2003米，占地3平方英里。共有大8层，每层都由几个更小的金字塔构成，总面积达34平方英里，一至四层用于住宿和商业活动，五至八层休闲和娱乐场所。可容75万人，通过55个交通枢纽将整个城市连成一片，交通快捷。实现了零碳排放，外立面覆盖光电涂层，将阳光转换为电。第三十五页，共84页。东京X-Seed4000第三十六页，共84页。第三十七页，共84页。

X-Seed4000摩天巨塔是一个建筑学构想，最早于1995年提出，当时的初衷是吸引外界对提出这一宏伟蓝图的设计者的关注。尽管如此，我们仍认为X-Seed4000堪称非凡的建筑设计，即便它可能永远地停留在绘图板上，无法成为现实。X-Seed4000摩天巨塔楼高13,123英尺(约合4000米)，即便是富士山也在它面前黯然失色。富士山的标志性外形向来被建筑师们誉为给他们的创作灵感来源。这座超级结构造价1万亿美元，形似帐篷由巨柱支撑，每根柱子都可以住人。X-Seed4000摩天巨塔共有800个楼层，占地空间为26平方英里，可以让50万至100万人在此安居乐业。当然，我们还需要开发出各种各样的技术，才能让这种停留于绘图板上的庞大计划成真，这个建设项目包括新一代便捷交通运输网、高速电梯和一套可以减缓整幢大楼内温度、风速和气压等巨大波动的系统。X-Seed4000的能量供应完全来自于太阳能，不过目前尚不清楚太阳能是由覆盖于外立面的光电板产生，还是来自于新一代薄膜太阳能电池板。大楼内部确实会遵循的人类与自然和谐共存的建筑原则；正如上图所示，楼内不缺乏绿色植物。问题是有谁愿意长年生活在2.5英里高的庞大建筑物的阴影下面？第三十八页，共84页。旧金山终极塔楼由美籍华裔建筑规划师崔悦君(EugeneTsui)提出。高2英里，以应对旧金山人口激增问题。基座直径1830米，共53平方英里的空间，500层，巨大圆锥体。立面安装太阳能吸收板和风力涡轮机，并采用“大气能量转换”技术，利用楼顶和楼底之间的压差发电，提供常年稳定的能源，对环境不会造成任何破坏。3英里/小时的高速电梯，10分钟就可到顶层。第三十九页，共84页。思考问题：是否越高越好？你是想

极目楚天一览众山小还是想

脚踏实地沐自然雨露结构防灾交通空间浪费第四十页，共84页。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。近期随着我国经济的持续增长，在全国各地都有较快发展。第四十一页，共84页。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月竣工第四十二页，共84页。第四十三页，共84页。第四十四页，共84页。伸臂桁架和带状桁架B3~56层核心筒56~78层核心筒77~90层核心筒第四十五页，共84页。国内第二高楼为上海金贸大厦，88层，高421米第四十六页，共84页。深圳地王大厦，81层，高384米第四十七页，共84页。深圳赛格广场是国内最高的采用钢管砼结构的高层建筑，72层，高292米。第四十八页，共84页。国内已建完的著名高层钢结构(2009土木工程学报)第四十九页，共84页。武汉国际证券大厦建筑面积：1390万m2。高度：338m；层数：68总用钢量：17400t。结构形式：外钢管混凝土框架＋内部框架支撑筒体第五十页，共84页。上海世贸广场建筑面积：17万m2。总用钢量：8500t。建筑规模：主体建筑物高246米,桅杆顶333米；地上60层，地下3层。结构形式：框筒结构（混凝土筒体＋钢结构外框架）。施工单位：沪宁钢机（参加）第五十一页，共84页。中国国际贸易中心3期建筑规模：地上74层，地下三层，总高330m，总建筑面积192000m2；标准层尺寸：53.3×53.3。结构类型：(筒中筒)SRC柱＋钢梁组成外框筒；SRC柱＋钢梁＋支撑组成内筒；在28～30层和55～57层处设有两道伸臂桁架连接内外筒。柱距：底部11.2m，中部4.2m(办公层)，上部5.6m(宾馆层)。钢材：大部分钢柱Q390－Z25，梁Q345；总重为42000t.第五十二页，共84页。腰桁架和伸臂桁架第五十三页，共84页。北京电视中心建筑面积：18.9万m2。总用钢量：35000t。建筑规模：主体建筑物高236.4米,最高层数41层。平面尺寸：67m×61m。结构形式：地下部分钢骨砼结构、地上部分巨型框架结构体系。整体结构在建筑物的四角上布置四个“L型”巨型柱，巨型柱之间用钢梁与巨型钢桁架相连。第五十四页，共84页。整体建筑形式是由四个“L”型复合矩形钢柱。

箱形钢柱：板厚80mm，最大截面800×800；

H型钢柱：板厚80mm，最大截面800×800；

圆形钢管柱：板厚60mm，直径1000mm；

矩形桁架：板厚60mm，截面1000×600×60；

材质：Q345CZ15，用钢量39000吨。第五十五页，共84页。北京电视中心安装现场第五十六页，共84页。复杂箱形柱第五十七页，共84页。北京电视中心：钢管柱轴测图第五十八页，共84页。北京电视中心：箱型钢柱轴测图第五十九页，共84页。北京电视中心：H型钢柱轴测图第六十页，共84页。桁架整体预拼装布置图桁架最大板厚60mm、截面H1000*600*40*60第六十一页，共84页。中央电视台新台址(奥雅纳ARUP设计)建设规模：总建筑面积约55万平方米，主楼建筑面积约38万平方米。总投资：50亿元人民币。存在问题：1.

建筑物出现3维结构体不稳定问题和整体抗震问题；2.

结构基础重力抗倾覆问题；3.

45M悬挑竖向抗震问题；4.

抗风力乱流问题；5.

抗击恐怖活动的结构安全度问题；第六十二页，共84页。北京中关村金融中心第六十三页，共84页。世界第一幢双曲面超高层建筑，39层，用钢量11600吨。结构形式：四层一折线箱形钢柱，箱形柱截面650×650，板厚70－80mm，最厚100mm。材料：70—100mm选用的舞阳钢厂Q345CGJZ15，≤60mm选用武汉钢铁公司Q345CJZ15、Q345B-JZ15高层建筑用钢。结构形式：钢框架-支撑体系第六十四页，共84页。北京中关村金融中心安装现场第六十五页，共84页。北京中关村金融中心安装现场第六十六页，共84页。北京中关村金融中心安装现场第六十七页，共84页。箱型柱最大板厚100㎜，截面650*650第六十八页，共84页。上海中心大厦（计划中）上海中心大厦的建筑结构高度确定为565.6米(原公布为580米)，但其总高度将达到632米有龙形方案和尖顶型两种，有望于2013年竣工第六十九页，共84页。中标的龙型方案，来自美国GENSLER事务所，建筑外观宛如一条盘旋升腾的巨龙，“龙尾”在大厦顶部盘旋上翘，“其优势在于顶端可以借由天线，进一步攀高”第七十页，共84页。香港地区是我国高层建筑比较集中的地区，由于不考虑地震，高层以钢筋砼为主，少数采用钢结构。钢结构建筑中，1990年建成的中银大厦70层，高315米，为大型支撑结构。第七十一页，共84页。1987年建成的汇丰银行也很有特色，地上43层，高178.8米，为巨型悬挂结构第七十二页，共84页。目前香港最高的建筑物为：香港国际金融中心2003年7月落成高420米，共88层6层地下室,埋深38m建筑平面48m×48m总投资30亿美元混凝土：112,000m3钢筋：18,000t钢：28,000t结构方案：超大型结构柱和多个悬臂梁结构组成的结构框架，只有中心结构和8根位于结构外沿的SRC柱，每边的2根柱距离24m，营造出无柱空间的效果。第七十三页，共84页。第七十四页，共84页。台湾地区位于地震高发区，近年来高层钢结构逐年增多，其中以台北101层的国际金融中心为最高，达到508米。第七十五页，共84页。第七十六页，共84页。3）今后的发展趋势单体建筑的发展趋势：构件立体化布置周边化结构支撑化体形圆锥化或变截面棱柱化材料高强化结构巨型化外墙蒙皮化结构智能化巨型结构的发展趋势：分离整体式结构空中城市第七十七页，共84页。1）高钢的优缺点1.5高层钢结构的技术经济分析优点承载能力高，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