高层建筑钢结构-第一章概论概论课件

高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构设计高层建筑钢结构设计土木工程与建筑学院土木工程与建筑学院高层建筑钢结构高层建筑钢结构1、张耀春，钢结构设计，高等教育出版社，20072、陈富生等，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，2000（已有第二版）3、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主要参考书：主要参考书：高层建筑钢结构高层建筑钢结构1、概论、概论2、高层钢结构用钢、高层钢结构用钢3、结构体系和布置、结构体系和布置4、结构分析、结构分析5、构件设计、构件设计6、节点设计、节点设计7、防灾、防灾主要内容：主要内容：结构用钢结构用钢体系和布置体系和布置结构分析结构分析构件设计构件设计节点设计节点设计高高层层建建筑筑钢钢结结构构钢钢结结构构设设计计理理论论高层建筑钢结构高层建筑钢结构v城市化进程加速、人口集中、低价飞涨，城市化进程加速、人口集中、低价飞涨，节约用地成为关键；节约用地成为关键；v缩短道路和管线设施长度，节约城市基缩短道路和管线设施长度，节约城市基础设施总投资础设施总投资；v改善城市面貌，体现经济实力和技术水改善城市面貌，体现经济实力和技术水平，成为地标性建筑。平，成为地标性建筑。1.1 高层建筑的发展背景高层建筑的发展背景1 概论概论高层建筑钢结构高层建筑钢结构1）高层建筑的定义v联合国教科文组织联合国教科文组织世界高层委员会世界高层委员会1972年将年将9层及层及9层层以上的建筑定义为高层建筑，并分成以上的建筑定义为高层建筑，并分成4类：类：第一类916层（最高50m俗称小高层）第二类1725层（最高75m俗称中高层）第三类2640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钢结构在高层建筑中的地位高层建筑v我国我国高层民用建筑设计防火规范高层民用建筑设计防火规范GB50045-95规规定：定：10层的居住建筑24m且2层以上的民用建筑高层建筑钢结构高层建筑钢结构v我国我国钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程JGJ3-91规定规定8层为高层。层为高层。主要考虑目前登高消防车的供水高度仅为主要考虑目前登高消防车的供水高度仅为24m高层建筑钢结构高层建筑钢结构2）高层钢结构的地位v1990年统计年统计世界最高的世界最高的90幢幢高层建筑中高层建筑中钢结构(S)51座56.6钢-砼混合结构(M)25座27.8钢筋砼结构(RC)14座15.6v1998年统计年统计世界最高的世界最高的28幢幢建筑中建筑中钢结构(S)14座50.0钢-砼混合结构(M)8座28.6钢筋砼结构(RC)6座21.484.478.6高层建筑钢结构高层建筑钢结构3）高层钢结构的）高层钢结构的优势优势v自重轻，可减少地震作用，减少运输量，便于地基自重轻，可减少地震作用，减少运输量，便于地基处理处理v结构所占面积少，可增加使用面积结构所占面积少，可增加使用面积S较M可增加23S较RC可增加46v工厂化程度高，施工周期短，早投产、早受益、早工厂化程度高，施工周期短，早投产、早受益、早回收回收综合经济指标显示：钢结构最适于高层和超高层建筑高层建筑钢结构高层建筑钢结构v全钢结构体系全钢结构体系1.3 高层钢结构体系介绍高层钢结构体系介绍平面框架1530层平面框架-支撑结构4060层等效筒体结构5065层高效筒体结构65110层(框筒、筒中筒、成束筒)巨型结构65110层以上(巨型框架、巨型桁架、巨型悬挂、巨型分离式)高层建筑钢结构高层建筑钢结构不同结构体系的对比高层建筑钢结构高层建筑钢结构v混合结构体系混合结构体系钢筋砼内筒外围钢框架钢筋砼内筒外围钢框架 钢筋砼剪力墙钢框架钢筋砼剪力墙钢框架 钢管砼结构钢管砼结构 钢骨砼结构钢骨砼结构 高层建筑钢结构高层建筑钢结构1）国外的发展1.4 高层钢结构在国内外的发展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高层建筑钢结构高层建筑钢结构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、生铁柱框架高层建筑钢结构高层建筑钢结构发展期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。Empire state building高层建筑钢结构高层建筑钢结构繁荣期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高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构芝加哥JhonHancock大厦，100层344米，用钢量145Kg/m2，1969年建成。大型支撑框筒体系。高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构日本最高建筑为横滨里程碑(LandMark)大厦，73层，高296米，1993年建成。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。l采用钢采用钢-砼混合结构砼混合结构l采用钢梁和压型钢采用钢梁和压型钢板组合楼盖板组合楼盖,C40砼砼l钢砼内筒钢砼内筒23m23ml外筒直径外筒直径46m，由，由16根钢砼柱组成根钢砼柱组成,C80砼砼l4142层处层处,58m跨钢跨钢天桥天桥高层建筑钢结构高层建筑钢结构世界第一高的比较Twin towersSears高层建筑钢结构高层建筑钢结构目前不少国家准备突破500米高度大关美国设计了MiglinBeitler塔楼，为混合结构，下125层，高453米，为高强砼结构，砼强度C70C100，上156米为钢结构塔楼，总高度609米。高层建筑钢结构高层建筑钢结构美国还提出了高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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构迪拜塔成为世界最高建筑高度已达629米(2008/4/9)超过了高度为米的美国超过了高度为米的美国北达科他州电视发北达科他州电视发射塔，从而成为世界最高建筑。射塔，从而成为世界最高建筑。电视发射塔自电视发射塔自年以来保持着世界最高牵索建筑年以来保持着世界最高牵索建筑纪录。纪录。迪拜塔于年月动工。为迪拜塔于年月动工。为防止竞争者超越，艾马尔公司一直防止竞争者超越，艾马尔公司一直将迪拜塔的最终高度作为商业机密将迪拜塔的最终高度作为商业机密而不予公布。而不予公布。耗资耗资1010亿美元。亿美元。更令人不可思议的是，全球有更令人不可思议的是，全球有4 4个号称高于千米的个号称高于千米的“待建待建大楼大楼”，全部位于中东：，全部位于中东：科威特科威特20052005年策划建一座年策划建一座10011001米高的米高的“丝绸城丝绸城”；巴林于巴林于20062006年提出要建年提出要建10221022米高的米高的“穆尔詹塔穆尔詹塔”；20072007年年3 3月迪拜月迪拜“纳克希尔纳克希尔”公司宣布，计划在迪拜建公司宣布，计划在迪拜建一座高达一座高达12001200米的米的“Al-Al-BurjBurj塔塔”；20082008年年2 2月，沙特亲王阿勒瓦利德掌控的帝国控股公司月，沙特亲王阿勒瓦利德掌控的帝国控股公司计划建设计划建设16001600米的米的“英里塔英里塔”(MileHighTower)，预计，预计投资百亿美元，比台北投资百亿美元，比台北101101高出高出10001000多米，比在建的多米，比在建的“迪迪拜塔拜塔”高出高出800800米米 。高层建筑钢结构高层建筑钢结构韩国正在建造130层高580米的国际贸易中心，造价13亿，工期为20042008年。日本的超高层建筑构想如下高层建筑钢结构高层建筑钢结构高800米的Millenuium塔高层建筑钢结构高层建筑钢结构高800米的DIB-200动力智能大厦高层建筑钢结构高层建筑钢结构高1000米的空中城市高层建筑钢结构高层建筑钢结构高2001米的空中大都会高层建筑钢结构高层建筑钢结构高4000米超过富士山的整体都市设想高层建筑钢结构高层建筑钢结构思考问题：思考问题：l交通空间浪费交通空间浪费l结构防灾结构防灾l是否越高越好？是否越高越好？高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构国内目前最高的为上海金贸大厦，88层，高421米高层建筑钢结构高层建筑钢结构国内第二高的为深圳地王大厦，81层，高384米高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构目前在建的高层钢结构见下表高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构伸臂桁架和带状桁架B356层核心筒5678层核心筒7790层核心筒高层建筑钢结构高层建筑钢结构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高层建筑钢结构高层建筑钢结构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）高层建筑钢结构高层建筑钢结构中国国际贸易中心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：53.353.3。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2830层和5557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Q390Z25，梁Q345；总重为42000t.高层建筑钢结构高层建筑钢结构腰桁架和伸臂桁架高层建筑钢结构高层建筑钢结构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：67m61m。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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构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800800；H型钢柱：板厚80mm，最大截面800800；圆形钢管柱：板厚60mm，直径1000mm；矩形桁架：板厚60mm，截面100060060；材质：Q345CZ15，用钢量39000吨。高层建筑钢结构高层建筑钢结构北京电视中心安装现场高层建筑钢结构高层建筑钢结构复杂箱形柱高层建筑钢结构高层建筑钢结构北北京京电电视视中中心心：钢钢管管柱柱轴轴测测图图高层建筑钢结构高层建筑钢结构北北京京电电视视中中心心：箱箱型型钢钢柱柱轴轴测测图图高层建筑钢结构高层建筑钢结构北北京京电电视视中中心心：H H型型钢钢柱柱轴轴测测图图高层建筑钢结构高层建筑钢结构桁架整体预拼装布置图桁架最大板厚60mm、截面H1000*600*40*60高层建筑钢结构高层建筑钢结构中央电视台新台址建设规模：总建筑面积约55万平方米，主楼建筑面积约38万平方米。总投资预算：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；高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构北京中关村金融中心高层建筑钢结构高层建筑钢结构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650650，板厚7080mm，最厚100mm。材料：70100mm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-支撑体系高层建筑钢结构高层建筑钢结构北京中关村金融中心安装现场高层建筑钢结构高层建筑钢结构北京中关村金融中心安装现场高层建筑钢结构高层建筑钢结构北京中关村金融中心安装现场高层建筑钢结构高层建筑钢结构箱型柱最大板箱型柱最大板厚厚100，截面截面650*650高层建筑钢结构高层建筑钢结构上海中心大厦（计划中）上海中心大厦的建筑结构高度确定为上海中心大厦的建筑结构高度确定为565.6565.6米米(原公布为原公布为580580米米)，但其总高度将达到，但其总高度将达到632632米米 有龙形方案和尖顶型两种有龙形方案和尖顶型两种最快在年内开工，并有望于最快在年内开工，并有望于20132013年竣工年竣工高层建筑钢结构高层建筑钢结构中标的龙型方案，来自美国中标的龙型方案，来自美国GENSLERGENSLER事务所，建筑外观宛事务所，建筑外观宛如一条盘旋升腾的巨龙，如一条盘旋升腾的巨龙，“龙尾龙尾”在大厦顶部盘旋上翘，在大厦顶部盘旋上翘，“其优势在于顶端可以借由天线，进一步攀高其优势在于顶端可以借由天线，进一步攀高”高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构1987年建成的汇丰银行也很有特色，地上43层，高178.8米，为巨型悬挂结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构目前香港最高的建筑物为：香港国际金融中心2003年年7月落成月落成高高420米，共米，共88层层6层地下室层地下室,埋深埋深38m建筑平面建筑平面48m48m总投资总投资30亿美元亿美元混凝土：混凝土：112,000m3钢筋：钢筋：18,000t钢：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，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，只有中心结构和只有中心结构和8 8根位于结构外沿的根位于结构外沿的SRCSRC柱，每边的柱，每边的2 2根柱距离根柱距离24m24m，营造出无柱空间的效果。，营造出无柱空间的效果。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构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。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构3）今后的发展趋势单体建筑的发展趋势：单体建筑的发展趋势：l构件立体化构件立体化l布置周边化布置周边化l结构支撑化结构支撑化l体形圆锥化或变截面棱体形圆锥化或变截面棱柱化柱化l材料高强化材料高强化l结构巨型化结构巨型化l外墙蒙皮化外墙蒙皮化l结构智能化结构智能化巨型结构的发展趋势：巨型结构的发展趋势：l分离整体式结构分离整体式结构l空中城市空中城市高层建筑钢结构高层建筑钢结构1）高钢的优缺点1.5 高层钢结构的技术经济分析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。缺点钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。高层建筑钢结构高层建筑钢结构2）高钢的技术经济分析关于用钢量高钢的用钢量随技术进步在降低国外国外1965年以前年以前1966年以后年以后层数层数Kg/m2Kg/m2203011010331421449743层以上层以上163138平均平均139113高层建筑钢结构高层建筑钢结构我国：我国：90年代以前建成的年代以前建成的11栋钢结构建筑栋钢结构建筑(2653层层)，用钢，用钢量为量为95160Kg/m2，平均平均128Kg/m2。同期同期9栋钢砼栋钢砼(1862层层)，用钢量为，用钢量为68120Kg/m2，平均平均91Kg/m2。通过采用轻质围护材料，先进结构体系，用钢量还通过采用轻质围护材料，先进结构体系，用钢量还会进一步下降。会进一步下降。高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构关于造价工程工程造价造价工程总造价工程总造价5070%动迁费动迁费征地费征地费3050%工程造价工程造价结构结构造价造价30%装修费装修费设备费设备费70%结构造价结构造价6070%上部上部结构结构造价造价基础基础造价造价3040%815%上部结构上部结构造价造价工程总造价工程总造价上部高层钢结构的造价一般为高层钢筋砼结构造价的1.52.0倍，因此钢结构较钢砼结构的差价约为工程总投资的48。高层建筑钢结构高层建筑钢结构这一这一差价可由下述差价可由下述4项节约来弥补：项节约来弥补：减轻结构自重减轻结构自重 钢砼标准层自重约为钢砼标准层自重约为1.31.8t/m2 钢结构标准层自重约为钢结构标准层自重约为 1.0t/m2 可同时减少地震作用和基础费用可同时减少地震作用和基础费用节约建筑物面积节约建筑物面积 建筑物面积建筑物面积/总面积总面积 故钢结构可较钢砼结构增加使用面积故钢结构可较钢砼结构增加使用面积46缩短施工周期缩短施工周期 钢结构较钢砼结构缩短周期钢结构较钢砼结构缩短周期2050回收效率高，成本低回收效率高，成本低考虑以上考虑以上4项带来的附加效益，高层钢结构的综合经济效益高于项带来的附加效益，高层钢结构的综合经济效益高于钢砼结构。钢砼结构。自重减少自重减少1/31/2钢结构钢结构3混合结构混合结构3.54钢砼结构钢砼结构79高层建筑钢结构高层建筑钢结构3）高层钢结构的适用范围）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。公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。特别适用于特别适用于40层以上的超高层建筑，烈度为层以上的超高层建筑，烈度为8度及以度及以上地震区的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。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，形式近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形式喜人。喜人。