高层建筑钢结构课件.ppt

精品课件,1,高 层 建 筑 钢 结 构,学时：28 学分：1.5考核方法：笔试主讲教师：张文元,哈尔滨工业大学土木工程学院College of Civil Engineering, HIT,精品课件,2,1、概论2、结构用钢3、结构体系和布置4、荷载和作用效应5、结构分析6、构件设计7、节点设计8、非结构构件设计9、防灾,主要内容：,精品课件,3,1、陈富生等，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，20042、刘大海等，高楼钢结构设计，中国建筑工业出版社，20032、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，19983、Bungale S. Taranth, Steel, Conctete, &Composite Design of Tall Buildings, McGraw-Hill, 1998(已有中文译本)4、李国强，多高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，20045、F. 哈特等，钢结构建筑资料集，中国建筑工业出版社，2000,主要参考书：,精品课件,4,城市化进程加速、人口集中、低价飞涨，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,精品课件,5,1）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 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,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,精品课件,6,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,精品课件,7,2）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,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。,精品课件,8,3）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23 S较RC可增加46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,精品课件,9,全钢结构体系,1.3 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),精品课件,10,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,精品课件,11,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,精品课件,12,1）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,精品课件,13,1885年美国芝加哥建成了Home Insurance大楼，开始建成10层，后又追加了2层的钢梁、生铁柱框架,精品课件,14,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。,精品课件,15,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。Sears Tower 成束筒体系。,精品课件,16,精品课件,17,精品课件,18,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。,精品课件,19,精品课件,20,精品课件,21,精品课件,22,芝加哥Jhon Hancock大厦，100层344米，用钢量145Kg/m2，1969年建成。大型支撑框筒体系。,精品课件,23,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。,精品课件,24,日本最高建筑为横滨里程碑(Land Mark)大厦，73层，高296米，1993年建成。,精品课件,25,精品课件,26,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23m23m,外筒直径46m，由16根钢砼柱组成,C80砼,4142层处,58m跨钢天桥,精品课件,27,世界第一高的比较,精品课件,28,迪拜塔成为世界最高建筑 目前高度近1000米(2009/1/5),超过了高度为米的美国北达科他州电视发射塔，从而成为世界最高建筑。电视发射塔自年以来保持着世界最高牵索建筑纪录。迪拜塔于年月动工。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。预计1073米，耗资数十亿美元。,更令人不可思议的是，全球有4个号称高于千米的“待建大楼”，全部位于中东： 科威特2005年策划建一座1001米高的“丝绸城”； 巴林于2006年提出要建1022米高的“穆尔詹塔”； 2007年3月迪拜“纳克希尔”公司宣布，计划在迪拜建一座高达1200米的“Al-Burj塔”； 2008年2月，沙特亲王阿勒瓦利德掌控的帝国控股公司计划建设1600米的“英里塔” (MileHighTower)，预计投资百亿美元，比台北101高出1000多米，比在建的“迪拜塔”高出800米 。,精品课件,29,美国设计了Miglin Beitler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。,未来的空中城市设计,精品课件,30,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。,精品课件,31,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。,精品课件,32,福斯特建筑事务所的水晶岛(Crystal Island)项目日前刚刚从莫斯科当局获得初步设计许可，将在离克林姆林只有4英里半的纳加蒂诺半岛上建造。水晶岛高1500英尺(约合457米)，是一座实现自给自足的城市，占地面积0.96平方英里，是美国国防部所在地五角大楼的4倍，将拥有多种用途。这座巨型建筑物有900套公寓，可供3万人居住，同时还拥有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。从980英尺(约合300米)高的观景平台俯瞰，游客可以看到莫斯科大街小巷。建成后，莫斯科水晶岛将拥有世界上最大的中庭之一，这个中庭将在夏季开放，届时可以调节大楼内500英里高处公共空间的温度。,精品课件,33,高800米的DIB-200动力智能大厦,精品课件,34,高800米的东京千年塔 (Millenuium tower),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。,精品课件,35,日本东京千年塔高2755英尺(约合840米)，外观呈现圆锥形，1989年是由福斯特建筑事务所最早提出，用以解决东京开发用地短缺和人口过剩问题。按计划，千年塔(Millennium Tower)将建在距东京湾1.2英里处的海岸边，有170层楼那么高，占地面积0.4平方英里，可用于商业和居住。千年塔可以容纳6万人，有一条高速地铁网，每次载客量为160人，保证当地居民正常出行。千年塔每隔13层都设有一个交通中转站，公交系统连接这些交通枢纽，乘客可在这些中转站上下车，或转乘电梯和移动人行道。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理想城市设计方案之一。,精品课件,36,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，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。或许会成为世界上第一个生态城市。,精品课件,37,精品课件,38,空中之城1000(Sky City 1000)是一座3280英尺(约合1000米)高的城市，整座城市可以实现自给自足，最早在1989年由Takenaka公司提出，以帮助恢复东京城市交通拥堵地区的绿地。如果Takenaka公司解决东京交通问题的方案最终通过，我们也许会看到一座完全符合构想的城市在东京拔地而起。空中之城1000由14个玻璃层保护的平台构成，占地面积达到3.1平方英里，将拥有大片的绿色空间。整幢大楼拥有多种用途，可容纳常驻居民3.6万，工人10万，并有广阔空间可供办学校、开商场、建影院等。目前新一代三层电梯正在研发之中，将成为空中之城1000运输系统的支柱，人们从底层到顶层只需短短2分钟。理论上，空中之城1000可以将土地重新回收利用变成绿化空间，缓解人们经常在东京看到的高温状况。目前，这一项目尚处于提议阶段，但东京当局对其相当重视。空中之城1000或许会成为世界上第一个生态城市。,精品课件,39,高2001米的空中大都会,精品课件,40,东京清水TRY 2004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。,精品课件,41,这座“空中城市”的规模简直令人难以置信。如果建成，东京清水TRY 2004巨城金字塔的高度是埃及吉萨大金字塔的12倍。高6574英尺(约合2003米)，占地面积3平方英里。整座建筑共有8层，相互堆叠而成，总面积估计达到34平方英里，每一层都由几个更小的金字塔构成，每个大概相当于拉斯维加斯卢克索酒店那么大，一至四层专门用于住宿和商业活动，五至八层用于休闲和娱乐等社交场所。 清水“空中城市”可容纳75万人，相当于东京1200万总人口的16分之一。解决那么多人的出行问题是一个巨大挑战，不过，便捷的交通运输系统以及快速移动的人行道和电梯网，通过55个交通枢纽将整个城市连成一片，不仅实现了零碳排放，还有效解决了居民出行问题。这座超级结构的外立面覆盖光电涂层，可以将阳光转换为电，从而为更为绿色的城市作出了贡献。,精品课件,42,东京X-Seed 4000,精品课件,43,精品课件,44,X-Seed 4000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-Seed 4000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-Seed 4000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-Seed 4000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-Seed 4000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？,精品课件,45,日本的超高层建筑构想如下,精品课件,46,旧金山终极塔楼,由美籍华裔建筑规划师崔悦君(Eugene Tsui)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。,精品课件,47,美籍华裔建筑师、城市和区域规划师崔悦君(Eugene Tsui)以他对于未来派巨型建筑体的热情而著称。崔悦君设计的终极塔楼高(Ultima Tower)2英里，可以应对寸土寸金的旧金山的人口激增问题。设计构想中的终极塔楼有一个直径6000英尺(约合1830米)的基座，覆盖总共53平方英里的空间，有500层楼那么高，从远处望去，就像一个巨大的圆锥体。崔悦君的“终极塔楼”展示了一个能容纳100万人口的垂直城市的设计构想，满足甚至超越了之前任何类似的设计方案。终极塔楼的外立面安装太阳能吸收板和风力涡轮机，并采用一种称为“大气能量转换”的技术，利用楼顶和楼底之间的压差发电，为这座未来派巨型建筑提供常年稳定的能源，同时对环境不会造成任何破坏。一旦建成，终极塔楼在100至165英尺高的楼层设有开放的绿化空间，特有的叠层设计使人身处这样的高度时，有一种开阔、敞亮的感觉。值得一提的是，尽管终极塔楼高达数千米，但乘坐速度达到每小时3英里的电梯，客人用不了10分钟就可以从楼底升到顶层。,精品课件,48,思考问题：交通空间浪费,结构防灾,是否越高越好？,精品课件,49,2）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、天津等地建造了数十幢高层钢结构建筑。近期随着我国经济的持续增长，在全国各地都有较快发展。,精品课件,50,国内目前最高的为上海金贸大厦，88层，高421米,精品课件,51,国内第二高的为深圳地王大厦，81层，高384米,精品课件,52,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。,精品课件,53,目前在建的高层钢结构见下表,精品课件,54,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。,精品课件,55,精品课件,56,精品课件,57,伸臂桁架和带状桁架,精品课件,58,武汉国际证券大厦,建筑面积：1390万m2 。高度：338 m；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,精品课件,59,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）,精品课件,60,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.,精品课件,61,周边框架三维示意图 核心筒三维示意图 立面图,精品课件,62,腰桁架和伸臂桁架,精品课件,63,主楼二十八层平面图,精品课件,64,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。,精品课件,65,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。,精品课件,66,北京电视中心安装现场,精品课件,67,复杂箱形柱,精品课件,68,北京电视中心：钢管柱轴测图,精品课件,69,北京电视中心：箱型钢柱轴测图,精品课件,70,北京电视中心： H型钢柱轴测图,精品课件,71,桁架整体预拼装布置图桁架最大板厚60mm、截面H1000*600*40*60,精品课件,72,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：50亿元人民币用钢量：12万吨钢材：Q420D、Q460D特点：倾斜：整体双向倾斜6度 双挑：为70米和60米最厚钢板：135mm,精品课件,73,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.基础重力抗倾覆问题3.超长悬挑竖向抗震问题 4.抗风力乱流问题 5.抗击恐怖活动的结构安全度问题6. 施工难度大(焊接、反变形等),精品课件,74,结构平面图,精品课件,75,北京中关村金融中心,精品课件,76,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,精品课件,77,北京中关村金融中心安装现场,精品课件,78,北京中关村金融中心安装现场,精品课件,79,北京中关村金融中心安装现场,精品课件,80,箱型柱最大板厚100，截面650*650,精品课件,81,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近期开工，并有望于2013年竣工,精品课件,82,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”,精品课件,83,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。,精品课件,84,1987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,精品课件,85,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48m48m总投资30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。,精品课件,86,精品课件,87,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。,精品课件,88,精品课件,89,高雄市T&C大厦，85层，高347.45米。,精品课件,90,精品课件,91,超群大厦,Bionic Tower垂直城市，引起了高人口密度的香港和上海两地的浓厚兴趣。高约1200米、300层，总面积达0.8平方英里。将建在一个和内陆相连的，面积约为0.4平方英里的人工岛上，让10万人在此安居乐业。 造价会是多少呢？答案是150亿美元。,精品课件,92,超群大厦(Bionic Tower)是一个垂直城市的设计构想，引起了香港和上海两地的浓厚兴趣，这两座城市的人口密度都相当高。如果这一设计方案最终通过，那么将有一座高3950英尺(约合1200米)、内部总面积达0.8平方英里的摩天建筑在香港或是上海的土地上拔地而起。超群大厦有300层楼那么高，将建在一个和内陆相连的，面积约为0.4平方英里的人工岛上，让10万人在此安居乐业。香港和上海都是世界上人口密度最高的区域，超群大厦建在这种城市，造价会是多少呢？答案是150亿美元。,精品课件,93,3）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,精品课件,94,1）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 钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。,精品课件,95,2）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,精品课件,96,我国： 90年代以前建成的11栋钢结构建筑(2653层)，用钢量为95160Kg/m2，平均128Kg/m2。 同期9栋钢砼(1862层)，用钢量为68120Kg/m2，平均91Kg/m2。 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。,精品课件,97,精品课件,98,关于造价,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。,精品课件,99,这一差价可由下述4项节约来弥补：减轻结构自重 钢砼标准层自重约为1.31.8t/m2 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节约建筑物面积 建筑物面积/总面积 故钢结构可较钢砼结构增加使用面积46缩短施工周期 钢结构较钢砼结构缩短周期2050回收效率高，成本低考虑以上4项带来的附加效益，高层钢结构的综合经济效益高于钢砼结构。,精品课件,100,3）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。特别适用于40层以上的超高层建筑，烈度为8度及以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，形式喜人。如试点工程：天津市梨园小区等。,精品课件,101,1.6 高层建筑设计中的问题,要求外形美观，平面空间划分合理，能与环境相协调对结构的安全和稳定性有更高的要求对防火要求更高要有良好的垂直交通，尤其是电梯要按建筑电气设计技术进行防雷设计要保证水电的供应要采用现代化的施工机械设备和先进的施工技术要求的投资较大,