高层钢混凝土结构钢结构预备知识1

地王大厦

地王大厦为深圳第一高层建筑，高383.95

米，共81层。于1996年完工。建成时是亚洲最高建筑，也是全国第一个钢结构高层建筑。现为深圳市最高建筑，位居目前世界十大建筑之列。其建筑体形的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的神髓，它的宽与高之比例为1:9，创造了世界超高层建筑

“扁”最“瘦”的记录。

地王大厦钢结构装总量达２.４５万吨，仅螺栓、栓钉就达１００万颗，焊缝延长米达６００公里。施工单位打破传统的管理模式，将生产诸要素的动态优化配置成功地运用于项目施工中，在内地率先购置使用澳大利亚Ｍ４４０Ｄ内爬塔吊设备，并引进进口压型钢板二氧化碳点焊机、熔检焊机等先进设备，确保了工程质量，创造了两天半一个结构层的“新深圳速度”。该工程施工技术荣获国家科技进步三等奖，二氧化碳立焊、斜立焊技术经国家权威技术中心检验确定为国际首创。

帝国大厦1931年，在纽约建成了著名的帝国大厦（EmpireStateBui1ding），102层，381m高，成为当时的奇迹，它享有“世界最高建筑”之美誉达40年之久。1981年4月30日，矗立在美国纽约市中心高1250英尺、共102层的帝国大厦度过了50个春秋。30年代，美国经济处于大萧条时期，人民生活更加困苦，而华尔街的老板们却热衷于修建摩天大楼的竞赛。百万富翁拉斯科布为了显示自己的富有，决意修建一座世界最高的楼房。他找来著名的建筑师威廉·拉姆，问楼房能盖多高？拉姆沉思片刻后回答说：“1050英尺。”拉斯科布对这个高度很不满意，因为这仅仅比当时纽约新建成的克莱斯勒大厦高4英尺。于是，建筑师设法增加了一节200英尺高的圆塔，使帝国大厦的高度为1250英尺。这座摩天大楼只用了410天就建成，也可算是建筑史上的奇迹。在很长一段时间里，帝国大厦一直是世界最高的楼房。香港中环广场，香港中国银行大厦北京国贸三期工程北京国贸三期工程国贸三期大厦位于北京CDB区域核心地带，是集写字楼、商场、酒店、公寓于一体的大型建筑群，其中A阶段总建筑面积30万m2，地下4层，地上74层。其中主塔楼高330m，结构形式为筒中筒结构，即外部的型钢混凝土框架筒体与内部的型钢混凝土支撑核心筒体；筒体之间设有两个伸臂，基础结构为桩筏基础。上海环球金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心工程是一幢以办公为主，集商贸、宾馆、观光、展览及其他公共设施于一体的大型超高层建筑，位于浦东陆家嘴，与金茂大厦相距仅40米。工程总建筑面积377300平方米，塔楼地上101层，地面以上高度为492米。它将有世界上最高的观景台、一个五星级豪华旅馆，以及零售空间。

1.2高层钢结构的设计特点

1.水平荷载成为决定因素

1)结构自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比。水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，与楼房高度的二次方成正比；在各种荷载作用下的内力与房屋高度的关系为：竖向荷载作用下的最大轴力：

水平均布荷载作用下的最大弯矩：水平倒三角形分布荷载下的最大弯矩：图荷载内力与侧移

a）重力荷载式中q、W为作用于楼房b）水平均布荷载

每m高度上的水平荷载c）水平倒三角形荷载与竖向荷载。

2)对某一高度的楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化，从而使合理确定水平荷载比确定竖向荷载困难。2．结构侧移可能成为控制指标

如图结构顶点侧移为：

水平均布荷载作用时

水平倒三角形分布荷载

作用时

结构顶点侧移△与结构总高度H的四次方成正比。

随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形速率增大。因此，与较低房屋相比，结构侧移已上升为高层建筑结构设计的关键因素，可能成为结构设计的控制指标。3．轴向变形不容忽视

在高层钢结构中，柱中轴力大，轴向变形大，同时各柱轴向变形差异随房屋高度的增加而加大。

框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，这种轴向压缩差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大（图1-9）。3．轴向变形不容忽视

在较低的房屋中，因为柱的总高度较小，此种效应不显著，所以可不考虑。当房屋很高时，这种轴向压缩差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

弯矩图

a）未考虑柱的差异压缩b）各柱差异压缩后实际情况

例：美国休斯顿的75层得克萨斯商业大厦采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合结构体系。据计算，中心钢柱由于负荷面积大，截面尺寸小，重力荷载下的轴向压缩变形，要比型钢混凝土剪力墙多260mm，这就要求该钢柱在下料时总共要加长260mm，并需逐层加以调整。

4．梁柱节点域的剪切变形影响不能忽视

在结构设计中，钢框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假设梁、柱端弯矩完全由梁、柱翼缘板承担，并忽略轴力对节点域变形的影响，则节点域可视为处于纯剪切状态工作，节点域板件一般较薄，剪切变形较大，对结构内力和侧移的影响不能忽视。

对同一钢框架结构，采用有限元法分析后得出：考虑梁、柱节点域剪切变形后，其梁、柱弯矩均有所增加，侧向水平位移增加显著。与不考虑其剪切变形的情况相比:顶层绝对侧移量增大8.8％;若以层间侧移而论，第一层增大1.2％，第二层增大9.7％，顶层则可增大达25.7％左右。

可见，在进行高层钢框架的内力和侧移计算时，不能忽视其梁、柱节点域的剪切变形影响。

5．结构延性是重要设计指标 相对于较低楼房而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，除选用延性较好的材料外，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。6．尽量选用空间构件

组成结构体系的构件可归纳为线形构件、平面构件和空间构件三类基本形式，如图1-10。

图1-10抗侧力构件的基本形式

a）线形构件b）实体平面构件c）杆系平面构件d）空间构件（一）e）空间构件（二）

线形构件具有较大长细比的细长构件，称为线形构件或线构件。

平面构件具有较大横截面宽厚比的片状构件，称为平面构件或面构件。

空间构件由线构件和（或）面构件组成的具有较大横截面尺寸和较小壁厚的组合构件，称为空间构件或立体构件。

在高层建筑结构中，空间构件作为竖向筒体或巨型柱使用时，主要承受倾覆力矩、水平剪力和扭转力矩。与线构件和面构件相比，它具有较大的抗扭刚度和极大的抗推刚度，在水平荷载下的侧移较小。

在高层或超高层建筑中，宜尽量选用空间构件。

7.抗火设计必不可少8.防锈处理必须到位

9.避雷系统完整可靠10.结构动力响应成为关键因素11．减轻结构自重具有重要意义12．结构体系合理与否取决于能否有效提供抗侧能力

随着城市建设和社会发展，高层建筑必将会高速发展。在确保高层建筑具有足够可靠度的前提下，为了进一步节约材料和降低造价，结构构件和材料正在不断更新，设计概念也在不断发展。高层建筑钢结构的发展趋势主要表现在下列方面。 第2章高层建筑钢结构类型与体系

2.1高层建筑结构类型与特征 根据主要结构所用材料或不同材料的组合可将高层建筑结构分为：

钢筋混凝土结构纯钢结构钢-混凝土混合结构后两种结构类型可归属于高层建筑钢结构范围，统称高层建筑钢结构。

1．纯钢结构梁、柱及支撑等主要构件均采用钢材。该类型主要用于纯框架体系或框架－支撑（等效支撑）体系。

2．钢－混凝土混合结构梁、柱构件采用钢材，而主要抗侧力构件采用钢筋混凝土内筒或钢筋混凝土剪力墙。该类型主要用于框架-内筒体系或框架-剪力墙体系。

钢框架-核心筒体系

北京京澳中心发展项目

2.2高层建筑钢结构体系与特性 根据抗侧力结构的力学模型及其受力特性，可将常见的高层建筑钢结构分成如下四大体系：框架结构体系双重抗侧力结构体系筒体结