《高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系（53頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋,21.1概述 212 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能 213 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系,2.11 世界高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)是世界早期高層建筑中最先使用的一種結(jié)構(gòu)類型，將其應用到實際工程中已有幾百年歷史。19世紀末，西方就開始嘗試用鋼鐵材料制作的框架承重體系，例如美國在1883年建造的11層的保險公司大樓就是采用生鋼柱和熟鐵梁所構(gòu)成的框架來承擔全部荷載，外圍磚墻僅是自承重墻，這棟樓被認為是近代高樓的始祖。,計算機和結(jié)構(gòu)計算理論也的飛躍性發(fā)展。這些進步使得高層建筑的結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)出先進、新型、高效和多樣化的局面，同時帶來了設(shè)計技術(shù)的革新，增加了高層建筑的適用性和使用功能，也降低了建筑的造價

2、。,,1）國外的發(fā)展,高層鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展,形成期 西方工業(yè)革命時期，鐵鋼開始用于建筑 1872年法國巴黎Menier巧克力廠采用了鋼框架結(jié)構(gòu),,發(fā)展期 20世紀初，技術(shù)進步加速，電梯技術(shù)的完善。 1931年紐約建成381m(102層)的帝國大廈，鋼框架結(jié)構(gòu)，206Kg/m2, 雄踞世界第一高40多年。,繁榮期 1945年二次大戰(zhàn)后，高層在美歐等西方國家快速發(fā)展，其中以美國最具代表性 芝加哥Sears大廈，109層443米，用鋼量161Kg/m2，1974年建成。Sears Tower 成束筒體系。,2）國內(nèi)的發(fā)展,解放前高層鋼結(jié)構(gòu)建筑甚少，最高的是1934年在上海建成的上海

3、國際飯店，22層，高82.5米。 中國大陸自20世紀80年代中期起步修建高層鋼結(jié)構(gòu)，先后在上海、北京、深圳、廣州、大連、廈門、沈陽、天津等地建造了數(shù)10幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。,國內(nèi)目前最高的為上海環(huán)球金融中心,主樓建筑面積：25.3萬m2。 總用鋼量：65000t。 建筑規(guī)模：主體建筑物高492米,地上101層，地下3層。 結(jié)構(gòu)形式為同時采用三種體系： a、巨型柱、巨型斜撐和帶狀桁架組成的巨型結(jié)構(gòu)； b、鋼筋混凝土的核心筒； c、構(gòu)成核心筒和巨型柱之間相互作用的伸臂桁架。 投資單位：日本森海外株式會社 日本森大樓公司主導興建 2008年8月竣工,上海中心大廈 大廈的主樓為127層，總高為6

4、32米，結(jié)構(gòu)高度為565.5米，這兩個高度均超過了上海環(huán)球金融中心，從而成為“上海第一高”。 “上海中心”建筑外觀呈螺旋式上升，建筑表面的開口由底部旋轉(zhuǎn)貫穿至頂部，從天空向下俯瞰，“上海中心”非對稱的頂部卷折狀造型，將進一步豐富上海的城市天際線。 “上海中心”總投入將達148億元，2014年竣工交付使用。項目的開發(fā)建設(shè)和運營由上海中心大廈建設(shè)發(fā)展有限公司負責。,國內(nèi)在建或已建完的其他著名高層鋼結(jié)構(gòu)詳細信息,1）高鋼的優(yōu)缺點,優(yōu)點 承載能力高，自重輕，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比要輕 30-50，結(jié)構(gòu)所占面積和空間小，另外鋼結(jié)構(gòu)斷面小，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比可增加建筑有效面積8左右，抗震性能好，工

5、廠化程度高，建設(shè)周期短，鋼材可回收，對環(huán)境污染小。 缺點 鋼材的抗火性能差，用鋼量稍大，造價偏高。,2）高層鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍,公共建筑，商業(yè)建筑，多層工業(yè)建筑，住宅等。 特別適用于40層以上的超高層建筑，烈度為8度及以上地震區(qū)的高層建筑和軟弱地基上的高層建筑。 近年來多層和小高層住宅也已開始采用鋼結(jié)構(gòu)，形式喜人。,212 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能,鋼是具有較好的延性材料。但是由鋼材制造成的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在豎向和水平荷載作用下并不一定總是延性破壞。 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，其脆性破壞主要是失穩(wěn)和脆性斷裂。 構(gòu)件截面因?qū)捄癖容^大而產(chǎn)生局部壓屈，柱和斜撐因長細比較大而撓屈失穩(wěn)以及梁、柱構(gòu)件的側(cè)向扭屈等屬于失

6、穩(wěn)破壞。 螺栓或鉚釘連接的凈斷面拉壞，焊縫應力集中斷裂等為脆性斷裂破壞。 因此，避免鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脆性破壞，是搞好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要問題。,2121 鋼梁,,1單調(diào)荷載下的性能 H形截面梁在均布彎矩作用下的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系、依賴于橫向無支長度 對繞截面弱軸的回轉(zhuǎn)半徑 之比，示于圖2121對曲線A， 小，受彎承載力保持在 時有大的轉(zhuǎn)角， 值為： 式中， 是塑性的截面模量， 是鋼材屈服強度 。對曲線B, 略大于A的值。在達到足夠的轉(zhuǎn)角之前因橫向壓屈使承載下降。如果 更大，在達到受彎承載力 之前橫向壓屈，如曲線C.。,2反復荷載下的性能 鋼梁在往復荷載作用下的性能與單調(diào)荷載作

7、用下基本一致，其滯回環(huán)在小的轉(zhuǎn)角幅度下是穩(wěn)定的，其反復荷載作用下的轉(zhuǎn)角能力隨 的變化低于單調(diào)荷載。循環(huán)荷載作用下的滯回曲線如圖2122所示；,2122 鋼柱 1單調(diào)荷載下的性能 寬翼板的柱在固定軸力和單調(diào)彎矩作用下的彎矩曲率關(guān)系如圖2123，其中 是軸力為零時的全塑性彎矩， 是軸力為零時的屈服曲率。如果不出現(xiàn)局部壓屈，隨曲率的增加，彎矩可達到 值并保持不變。 除了彎曲屈服破壞外，細長的柱因壓彎和局部壓屈可能在平面內(nèi)失穩(wěn)。,2反復荷載下的性能 橫向被梁支承的框架柱在固定軸向和反復水平荷載作用下的滯回曲線如圖212，4所示。,2123 支撐構(gòu)件 圖2125給出了斜桿在反復荷載下的

8、滯回性能，其中P和 分別是斜桿內(nèi)的軸向力和相應的伸長度，H和 分別是斜桿承受的水平荷載和框架的水平位 移。由于每根斜桿只承受拉力，如圖2125b、c，斜桿承擔的總水平荷載是各桿力的水平分量之和，如圖2125d。d中的滯回環(huán)表示斜桿只在發(fā)展新的塑性伸長度時才消耗能量。斜桿如果在固定位移幅度的反復荷載作用下，則不消耗能量，如圖2125e；這就是說一般地斜桿的能量消耗能力小于抗彎框架。,2124 連接節(jié)點 焊接的剛性梁柱連接處的破壞可能是局部高應力導致的屈服或斷裂，如圖21.26b，也可能發(fā)生節(jié)點板剪切屈服，如圖2126a；梁翼板傳來的壓力和拉力形成的局部應力可能帶來兩類破壞： 1)梁受壓翼板

9、傳來的壓力使柱腹板翹曲 (2)梁受拉翼板傳來的拉力使柱的翼板與相鄰腹板處的焊縫斷裂導致柱翼板過大的撓曲。,,213 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系 目前，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)體系有鋼框架、鋼框架抗剪結(jié)構(gòu)、帶水平加強層的鋼框架支撐桁架結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系，下面就這些結(jié)構(gòu)體系的不同特點來分別討論。,2131 鋼框架結(jié)構(gòu)體系 框架結(jié)構(gòu)體系是指，沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側(cè)向力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。 由于框架體系能夠提供較大的內(nèi)部使用空間，因而建筑布置靈活。此外，框架的桿件類型少，構(gòu)造簡單，施工周期短。所以，對層數(shù)不太多的高層結(jié)構(gòu)來說，框架體系是一種應用比較

10、廣泛的結(jié)構(gòu)體系。 這種結(jié)構(gòu)形式的抗例移剛度主要取決于組成框架的柱和粱的抗彎剛度，側(cè)向剛度較小，主要適用于30層以下的建筑。 純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力主要決定于柱和梁的抗彎能力，當樓層數(shù)較多時要提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度只有加大梁和柱相的截面。截面過大，就會使框架失去其經(jīng)濟合理性。,2132 鋼框架抗剪結(jié)構(gòu)體系 由于純框架結(jié)構(gòu)是靠梁柱的抗彎剛度來低抗水平力，當建筑物超過30層或純框架結(jié)構(gòu)在風荷載或地震作用下的側(cè)移不符合要求時，往往在純框架結(jié)構(gòu)中再加上抗側(cè)移構(gòu)件，即構(gòu)成了鋼框架抗剪結(jié)構(gòu)體系。 根據(jù)抗側(cè)移構(gòu)件的不同，這種體系又可分為框架剪力墻和框架支撐桁架結(jié)構(gòu)體系,1框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系 這里的

11、剪力墻包括鋼筋混凝土剪力墻、帶縫剪力墻和鋼板剪力墻等。 在鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻剛度較大，在大震作用下易發(fā)應力力集中現(xiàn)象。導致出現(xiàn)大的斜向裂縫而引起脆性破壞。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，采用一種帶縫剪力墻，這種剪力墻在風荷載和小震作用下處于彈性，剛度較大；在大震作用下即進入塑性狀態(tài)、能吸收大量的地震能量并保證其承載力。這種帶縫剪力墻，是在鋼筋混凝土墻板中按一定間距設(shè)置豎縫形成的，在豎縫中設(shè)置了兩塊重疊的石棉纖維做隔板，既不妨礙豎縫剪切變形，還能起到隔音等作用。,帶豎縫剪力墻板的框架,鋼板剪力墻板,2框架支撐框架結(jié)構(gòu)體系 框架支撐框架結(jié)構(gòu)就是在框架的一跨或幾跨沿豎向布置支撐而構(gòu)成，其中支撐

12、桁架部分起著類似于框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的作用。在水平作用下，支撐桁架部分中支撐構(gòu)件只承受拉、壓軸向力，這種結(jié)構(gòu)形式無論是從承載力或變形的角度看，都是十分有效的。與純框架結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)形式大大提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度。 支撐在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側(cè)移，主要是由其桿件的軸向拉伸或壓縮變形引起的。與桿件的剪彎剛度相比較，桿件的軸向變形剛度要大得多。也就是說，支撐的抗側(cè)力剛度相對于框架的抗側(cè)力剛度要大得多。 就鋼支撐的布置而言可分為中心支撐(CBF)和偏心支撐(EBF)兩大類。,在框架支撐體系中的中心支撐是指支撐的兩端都直接連接在梁柱節(jié)點上，而偏心支撐就是支撐至少有一端偏離了梁柱節(jié)點，而是直

13、接連在梁上，則支撐與柱之問的一段梁即為耗能連梁。 中心支撐框架體系在大震作用下支撐易屈曲失穩(wěn)，但抗側(cè)移剛度很大，構(gòu)造相對簡單。 偏心支撐框架較好地結(jié)合了純框架相中心支撐框架兩者的長處，與純框架相比，它每層加有支撐，具有更大的抗側(cè)移剛度及極限承載力，與中心支撐框架相比，它在支撐的一端有耗能連梁，在大震作用下，耗能連梁在巨大剪力作用下，先發(fā)生剪切屈服，從而保證支撐的穩(wěn)定，滯回環(huán)穩(wěn)定，具有良好的變形和耗能能力。,中心支撐的類型(支撐框架),偏心支撐的類型(偏心支撐框架),在框架支撐體系中，因受到體系中其它構(gòu)件的制約，框架和支撐的變形狀態(tài)均發(fā)生變化其特點是： (1)水平荷載是作用于結(jié)構(gòu)體系之上(

14、圖2131a)，而不是分別單獨作用于框架和支撐之上，框架和支撐作為體系中的分離體所受到的水平荷載的大小，是按照兩者抗側(cè)力剛度的大小比例分配的。,(2)在框架支撐體系中，框架和支撐之間，不僅有連系梁，更重要的是有各樓蓋將他們連為一體。因為各層樓蓋沿水平方向的剛度很大，框架和支撐不再能自由地單獨變形，兩者的側(cè)移曲線由各層樓蓋將其協(xié)調(diào)一致，變成一條共同的側(cè)移曲線(圖213 1b) (3)各層樓蓋協(xié)調(diào)的結(jié)果，使框架支撐體系的側(cè)移曲線，介于單獨框架和單獨支撐的側(cè)移曲線之間。從而使支撐的頂點側(cè)移和頂點最大層間側(cè)移角得以減?。煌瑫r也使得框架下部的最大層間側(cè)移角減小(圖2131b)。,3帶水平加強層的鋼框架

15、支撐結(jié)構(gòu)體系 帶水平加強層的鋼框架支撐框架結(jié)構(gòu)體系就是通過在技術(shù)層(設(shè)備層、避難層)設(shè)置剛度較大的加強層，進一步加強內(nèi)芯與周邊框架柱的聯(lián)系，充分利用周邊框架柱的軸向剛度而形成的反彎矩來減少內(nèi)筒體的傾覆力矩，從而達到減少結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移。 由于外圍框架梁的豎向剛度有限，不足以讓未與水平加強層直接相連的其它周邊柱參與結(jié)構(gòu)的整體抗彎，一般在與水平加強層的樓層沿結(jié)構(gòu)周邊外圈還要設(shè)置周邊環(huán)行桁架。,2133 巨型結(jié)構(gòu)體系 巨型結(jié)構(gòu)體系是一種新型的超高層建筑結(jié)構(gòu)體系是由梁式轉(zhuǎn)換樓層結(jié)構(gòu)發(fā)展而形成的巨型結(jié)構(gòu)又稱超級結(jié)構(gòu)體系，是由不同于通常梁柱概念的大型構(gòu)件巨型梁、巨型柱組成的簡單而巨型的主結(jié)

16、構(gòu)和由常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共向工作的一種結(jié)構(gòu)體系。 巨型鋼結(jié)構(gòu)按其主要受力體系可分為：巨型桁架(包括簡體)、巨型框架、巨型懸掛結(jié)構(gòu)和巨型分離式筒體等四種基個類型。由上述四種基本類型和其它常規(guī)體系還可以組合出許多其他性能優(yōu)越的體型剛結(jié)構(gòu)體系。,2134 筒體結(jié)構(gòu)體系 筒體結(jié)構(gòu)體系是在超高層建筑體系中應用較多的一種種，按筒體的位置、數(shù)量等分為鋼框架核心筒體結(jié)構(gòu)體系、外框架筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系和束筒結(jié)構(gòu)體系。,1鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)體系 鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)體系將抗剪結(jié)構(gòu)作成四周封閉的核心筒，用以承受全部或部分水平荷載和扭轉(zhuǎn)荷載。 外圍框架可以是鉸接鋼結(jié)構(gòu)或鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，主要求受自身的重

17、力荷載，也可設(shè)計成抗彎框架，承擔一部分水平荷載； 核心筒的布置隨建筑的面積和用途不同而有很大的變化。它可以是位于建筑物核心的單筒，也可以是幾個獨立的筒位于不同的位置上。它的材料可以是鋼的、鋼筋混凝土的或兩者組合的。若采用鋼筋混凝圖核心筒時，筒與鋼框架可以交替施工，有利于加快施工速度， 這種結(jié)構(gòu)形式在國外采用的不太多，而在我國近年來被大量的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程采用，如上海希爾頓酒店、金茂大廈等。,上海金貿(mào)大廈，88層，高421米,2外框架筒結(jié)構(gòu)體系 外框架筒結(jié)構(gòu)體系就是將具有很大剛度的外圍框架作成自地面伸出的、封閉的空心箱形懸臂梁，用以抵抗水平力。內(nèi)部則取消了剪力墻或支撐桁架等抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，其

18、少量的中間柱只承受重力荷載、勁性樓板則作為隔板起將水平力分布到周邊結(jié)構(gòu)上的作用。這種結(jié)構(gòu)的外框筒，通常由圍繞房屋周邊并與窗間梁連接在一起的密排柱子組成的?？尚纬珊艽蟮目臻g結(jié)構(gòu)。大大提高了體系的抗側(cè)移剛度和抗扭性能。,在水平力作用下，結(jié)構(gòu)基本上僅發(fā)生整體彎曲。即各框架柱僅發(fā)生軸向變形。然而外框筒個是實體，易形成正應力兩側(cè)大、中間小的剪力滯后現(xiàn)象，導致角柱要比中間柱承受更大的軸力。結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度將呈明顯的剪切型變形。 紐約110層415m高的世界貿(mào)易中心就是采用了這種結(jié)構(gòu)形式。,這是2001年10月11日，在美國發(fā)生“911”事件一個月后，黎明的曙光照亮了紐約世貿(mào)中心的廢墟。,這是2002年3月

19、7日，美國紐約世貿(mào)大樓被炸廢墟清理工作繼續(xù)進行，世貿(mào)大樓地表層已經(jīng)基本被清理干凈。,3筒中筒結(jié)構(gòu)體系 筒中筒結(jié)構(gòu)體系就是集外圍框筒和核心筒為一體的結(jié)構(gòu)形式，共外圍多為密柱深梁的鋼框筒，核心為鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土構(gòu)成的筒體。內(nèi)、外筒通過樓板而連接成一個整體，大大提高了結(jié)構(gòu)的總體剛度，可以有效地抵抗水平外力。 與鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)體系相比由于外圍框架筒的存在，整體剛度遠大于它；與外柜筒結(jié)構(gòu)體系相比，由于核心內(nèi)筒參于抵抗水平外力，不僅提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，還可使得框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后現(xiàn)象得到改 善。這種結(jié)構(gòu)體系在工程中應用較多。 我國1989年39層高155的北京國貿(mào)中心大廈就采用了全鋼筒中筒結(jié)構(gòu)體

20、系。,筒中筒體系是由內(nèi)外設(shè)置的幾個筒體：通過樓蓋系統(tǒng)連接組成的能共同工作的結(jié)構(gòu)體系，如圖所示。它具有很大的側(cè)向剛度和抗側(cè)力能力。,北京國貿(mào)大廈,4束筒結(jié)構(gòu)體系 束筒結(jié)構(gòu)就是將各個單元框架筒體相連在一起而組成的組合筒體，是一種抗側(cè)剛度很大的結(jié)構(gòu)形式。這些單元筒體本身就有很高的承載能力，可以在平面和立面上組合成各種形狀，并且各個筒體可終止于不向高度，可使建筑物形成豐富的立面效果，而又不增加其結(jié)構(gòu)的復雜性。 曾經(jīng)是世界最高的建筑位于芝加哥的110層高442m的西爾斯大廈所采用的就是這種結(jié)構(gòu)形式。,如圖所示，它是以外框筒為基礎(chǔ)，在其內(nèi)部沿縱橫向設(shè)置多榀框架，減小了筒體的邊長，從而大大減小了剪力滯后效應。,西爾斯大廈,5.桁架筒體系 在框筒體系中沿外框筒的四個面設(shè)置大型桁架(支撐)構(gòu)成桁架筒體系，如圖所示。由于設(shè)置了大型桁架(支撐)，一方面大大提高了結(jié)構(gòu)的空間剛度和整體性；另一方面因剪力主要由桁架(支撐)斜桿承擔，避免橫梁受剪切變形，基本上消除了剪力滯后現(xiàn)象。,