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高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系

上傳人:san****019 文檔編號(hào):15972874 上傳時(shí)間:2020-09-15 格式:PPT 頁(yè)數(shù):53 大?。?.02MB
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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(shí)際工程中已有幾百年歷史。19世紀(jì)末,西方就開(kāi)始嘗試用鋼鐵材料制作的框架承重體系,例如美國(guó)在1883年建造的11層的保險(xiǎn)公司大樓就是采用生鋼柱和熟鐵梁所構(gòu)成的框架來(lái)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(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)計(jì)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(shí)帶來(lái)了設(shè)計(jì)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(jià)

2、。,,1)國(guó)外的發(fā)展,高層鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展,形成期 西方工業(yè)革命時(shí)期,鐵鋼開(kāi)始用于建筑 1872年法國(guó)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(guó)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(guó)家快速發(fā)展,其中以美國(guó)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(guó)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(guó)際飯店,22層,高82.5米。 中國(guó)大陸自20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(yáng)、天津等地建造了數(shù)10幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。,國(guó)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(wàn)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(shí)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(huì)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6

4、32米,結(jié)構(gòu)高度為565.5米,這兩個(gè)高度均超過(guò)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(kāi)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(duì)稱的頂部卷折狀造型,將進(jìn)一步豐富上海的城市天際線。 “上海中心”總投入將達(dá)148億元,2014年竣工交付使用。項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)由上海中心大廈建設(shè)發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)。,國(guó)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(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 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(duì)環(huán)境污染小。 缺點(diǎn) 鋼材的抗火性能差,用鋼量稍大,造價(jià)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(lái)多層和小高層住宅也已開(kāi)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(zhǎng)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

6、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)計(jì)的重要問(wèn)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(wú)支長(zhǎng)度 對(duì)繞截面弱軸的回轉(zhuǎn)半徑 之比,示于圖2121對(duì)曲線A, 小,受彎承載力保持在 時(shí)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(duì)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

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(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(shí)的全塑性彎矩, 是軸力為零時(shí)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(zhǎng)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

8、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(zhǎng)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)表示斜桿只在發(fā)展新的塑性伸長(zhǎng)度時(shí)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(shuō)一般地斜桿的能量消耗能力小于抗彎框架。,2124 連接節(jié)點(diǎn) 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(diǎn)板剪切屈服,如圖2126a;梁翼板傳來(lái)的壓力和拉力形成的局部應(yīng)力可能帶來(lái)兩類破壞: 1)梁受壓翼板

9、傳來(lái)的壓力使柱腹板翹曲 (2)梁受拉翼板傳來(lái)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(guò)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(diǎn)來(lái)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(jiǎn)單,施工周期短。所以,對(duì)層數(shù)不太多的高層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),框架體系是一種應(yīng)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(dāng)樓層數(shù)較多時(shí)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(guò)大,就會(huì)使框架失去其經(jīng)濟(jì)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(lái)低抗水平力,當(dāng)建筑物超過(guò)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(shí),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(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(wú)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(shuō),支撐的抗側(cè)力剛度相對(duì)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(diǎn)上,而偏心支撐就是支撐至少有一端偏離了梁柱節(jié)點(diǎn),而是直

13、接連在梁上,則支撐與柱之問(wèn)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(duì)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(diǎn)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(dú)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?yàn)楦鲗訕巧w沿水平方向的剛度很大,框架和支撐不再能自由地單獨(dú)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(dú)框架和單獨(dú)支撐的側(cè)移曲線之間。從而使支撐的頂點(diǎn)側(cè)移和頂點(diǎn)最大層間側(cè)移角得以減??;同時(shí)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

15、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(guò)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(lái)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)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(jí)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(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)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(jì)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(gè)獨(dú)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(shí),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(guó)外采用的不太多,而在我國(guó)近年來(lái)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(gè)是實(shí)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(guó)發(fā)生“911”事件一個(gè)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(guó)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(guò)樓板而連接成一個(gè)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(guó)1989年39層高155的北京國(guó)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(gè)筒體:通過(guò)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(guó)貿(mào)大廈,4束筒結(jié)構(gòu)體系 束筒結(jié)構(gòu)就是將各個(gè)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(gè)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(zhǎng),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(gè)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。,

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