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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(yīng)用到實際工程中已有幾百年歷史。19世紀(jì)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(dān)全部荷載，外圍磚墻僅是自承重墻，這棟樓被認(rèn)為是近代高樓的始祖。,計算機(jī)和結(jié)構(gòu)計算理論也的飛躍性發(fā)展。這些進(jìn)步使得高層建筑的結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)出先進(jìn)、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。,1）國

2、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(jì)初，技術(shù)進(jìn)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。SearsTower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國際飯店，22層，高82.5米。中國大陸自20

3、世紀(jì)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?？傆娩摿浚?5000t。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(dǎo)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632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

4、“上海第一高”?！吧虾Ｖ行摹苯ㄖ庥^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(jìn)一步豐富上海的城市天際線?！吧虾Ｖ行摹笨偼度雽⑦_(dá)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(fù)責(zé)。,國內(nèi)在建或已建完的其他著名高層鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)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

5、。,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(xì)比較大而撓屈失穩(wěn)以及梁、柱構(gòu)件的側(cè)向扭屈等屬于失穩(wěn)破壞。螺栓或鉚釘連接的凈斷面拉壞，焊縫應(yīng)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)

6、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(qiáng)度。對曲線B,略大于A的值。在達(dá)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(dá)到受彎承載力之前橫向壓屈，如曲線C.。,2反復(fù)荷載下的性能鋼梁在往復(fù)荷載作用下的性能與單調(diào)荷載作用下基本一致，其滯回環(huán)在小的轉(zhuǎn)角幅度下是穩(wěn)定的，其反復(fù)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

7、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(dá)到值并保持不變。除了彎曲屈服破壞外，細(xì)長的柱因壓彎和局部壓屈可能在平面內(nèi)失穩(wěn)。,2反復(fù)荷載下的性能橫向被梁支承的框架柱在固定軸向和反復(fù)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(fù)荷載下的滯回性能，其中P和分別是斜桿內(nèi)的軸向力和相應(yīng)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(dān)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

8、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(fù)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(yīng)力導(dǎo)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(yīng)力可能帶來兩類破壞：1)梁受壓翼板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(dǎo)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(qiáng)層的鋼框架支撐桁架結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、筒

9、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(yīng)用比較廣泛的結(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(dāng)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(jì)合理

10、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(dāng)建筑物超過30層或純框架結(jié)構(gòu)在風(fēng)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(yīng)力力集中現(xiàn)象。導(dǎo)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(fēng)荷載和小震作用下處于彈性，剛度較大；在大震作用下即進(jìn)入塑性狀態(tài)、能吸收

11、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

12、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

13、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(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

14、樓蓋將其協(xié)調(diào)一致，變成一條共同的側(cè)移曲線(圖2131b)(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(qiáng)層的鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系帶水平加強(qiáng)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(qiáng)層，進(jìn)一步加強(qiáng)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(dá)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(qiáng)層直接相連的其它周邊柱參與結(jié)構(gòu)

15、的整體抗彎，一般在與水平加強(qiáng)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)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(yīng)用較多的一種種，按筒體的位置、數(shù)量等分為

16、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)，主要求受自身的重力荷載，也可設(shè)計成抗彎框架，承擔(dān)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

17、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。可形成很大的空間結(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(yīng)力兩側(cè)大、中間小的剪力滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致角柱要比中間柱承受

18、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7日，美國紐約世貿(mào)大樓被炸廢墟清理工作繼續(xù)進(jìn)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(yuǎn)大于它；與外

19、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(yīng)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(fù)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(yīng)。,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(dān)，避免橫梁受剪切變形，基本上消除了剪力滯后現(xiàn)象。,