高层建筑钢结构（讲稿）1.ppt

高层建筑钢结构,主要参考书,1、高层建筑钢结构设计 陈富生，邱国华，范重 中国建筑工业出版社，2000年,2、高层建筑钢结构 郑延银 高等学校土木工程专业系列选修课教材 2000年06月,3、高层建筑钢结构设计 孙纲廷 大连理工大学出版社,4、高层建筑钢、混凝土组合结构设计 Dr Bungale S.Taranath 罗福午、方鄂华、王娴明、张良铎 译,内容,1、概述,2、设计原则,8、结构计算方法,4、抗重力体系,5、抗侧力体系,6、楼板 设计,7、连接设计,3、钢材及连接材料,第一部分 概述,高层建筑的定义,高层建筑钢结构的发展历史,高层建筑结构的分类,高层建筑钢结构的特点,高层建筑钢结构的发展趋势,一 高层建筑的定义,不同国家不同地区,不同的高层建筑的层数和高度界限,德国 22 m（从室内地面起）,日本 11层，31 m,英国 243 m,法国 8层或8层以上（住宅），或31 m,苏联 10层或10层以上（住宅），7层或7层以上（其它建筑）,美国 2225m，或7层以上,中国 10层及以上住宅，高度24 m及以上其它建筑（高层防火规 范、民用建筑设计通则）8层或8层以上建筑（钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程）,联合国教科文组织,世界高层建筑委员会,1972年 国际高层建筑会议,9层和9层以上的建筑,高层建筑,定义,分为如下 4类,高度,层数,第一类：,916层，最高50m；,第二类：,17 25层，最高75m；,第三类：,26 40层，最高100m；,第四类：,40层以上，高度在100m以上,二 高层建筑结构的分类,两种分类方法,抗侧力体系的做法,按主要受力构件的材料,1 主要受力构件的材料,高层建筑钢结构(重点介绍内容),高层建筑钢筋砼结构,高层建筑钢骨混凝土结构,高层建筑钢管混凝土结构,高层建筑组合结构,钢材,钢筋混凝土,钢骨混凝土,钢管混凝土,上述两种或以上材料的组合,2 抗侧力体系类型,高层建筑的结构体系,抗侧力体系,抗重力体系,水平力,竖向重力,抗侧力体系,高层建筑结构体系,主要部分,高层建筑的另一种分类方式(后面介绍),三 高层建筑钢结构的发展历史,1 国外发展历史,(近一百多年),共经历了五个阶段,（1）欧洲多层铁结构的出现（19世纪初叶）,（2）芝加哥高层钢结构的出现（19世纪中叶）,（3）纽约出现了一批高层钢结构（20世纪初）,（4）二次大战中处于停顿状态,（5）二战后处于恢复和发展阶段,第一阶段 欧洲(英国)多层铁结构的出现（19世纪初叶）,铁结构,钢结构的前身,含C量大于2%,铁结构出现必须满足的条件,实际的需要,型材的批量生产,炼铁技术的成熟,1720年欧洲开始用焦炭代替木碳炼铁,1855年发明转炉,1864年利用转炉进行冶炼,18世纪,英国开始生产轧制铁板,1854年法国生产第一批工字型熟铁,欧洲工业革命,厂房内为安装机器,需更大的空间和承载力,铁柱和铁梁代替了木柱和木梁,这便是原始的铁结构,第一幢铁结构,索福特工厂大楼,1801年,长42m，宽12m，高7层,第二阶段 芝加哥高层钢结构的出现（19世纪中叶）,高层建筑钢结构出现的条件,芝加哥实际的需要,高速升降机（电梯）在1853年发明,炼钢技术的成熟和型钢的批量生产,芝加哥（Chicago)简介,地理位置,在美国中北部，五大淡水湖之一的密西根湖畔（Lake Michigan），面积588平方公里，人口273万。它是伊利诺伊州最大的城市，大都市区包括本州6县和邻州印第安纳的2县，共有人口853万。城市规模仅次于纽约和洛杉矶之外。,早期发展历史,芝加哥的第一个居民是来自非洲 Santo Domingo 的法国后裔 Du Sable，他是一个毛皮制品商人。Du Sable 于 1779 年时在芝加哥河出口建造了第一个屯垦区。,1833年，人口为350 的芝加哥镇成立，芝加哥之名取自于印地安语，意思是强壮 或伟大！,1837 年，芝加哥镇的人口达到 4,170 人，同年芝加哥镇升格为芝加哥市,1871 年10月8日，一场火灾失去控制，燃烧两天，导致三百人死亡，九万多人无家可归，财物损失高达两亿美元！大火过后，芝加哥有了重新规划及兴建的机会。,早期的城市地位,美国人称芝加哥为中西部，因为美国在开发初期，由东向西，人们到了芝加哥，以为已经靠近西边，哪里料到在芝加哥以西，还有三千多公里，才到达新大陆的边缘。,由于美国中西部的开发，铁路和航运的发展，以及国家矿产资源的开发，使芝加哥成为美国内陆的中转站和生产中心，世界最大的谷物、木材、食品和机械产品的交易场所,地价飞涨，最大限度利用地皮和加快建筑进度成为迫切需要,1885年 Home Insurance Building(家庭保险公司大楼）,1879年 Leiter Building(第一莱特大楼),7层,30m40m,1889年 Leiter Building(第二莱特大楼),1891年 费尔大楼,世界第一幢高层建筑钢结构,www.pbs.org/wgbh/buildingbig/wonder/structure/home_insurance.html,Home Insurance Building,Leiter Building(II)(Sears,Roebuck&Company Building)1891 Chicago,Illinois,USA William Le Baron Jenney,architect,第三阶段 纽约出现了一批高层钢结构（20世纪初）,主要原因,美国的经济中心,芝加哥,纽约,1931年 Empire State Building 102层,381m,1929年 Chryster Building 77层,319m,1913年 Wool Worth Building 60层,234m,1909年 Metropolitar Tower 200m,1904年 Times Tower 25层 110m,1902年 Flatiron Building 21层,87m,1900年前后 Park Row Building 30层 119m,1904年 Times Tower 110m,25层,1931年 Empire State Building 102层,381m,Empire State Building（保持世界最高建筑记录达40余年）,第四阶段 停顿状态（二次大战1939-1945）,第二次世界大战,时间,1939年9月1日（德国闪击波兰）,1945年9月2日（日本宣布投降）,6年,参战国,卷入战争的国家和地区80多个（其中参战国61个），人口约20亿，占当时世界总人口80以上。,战争损失,全世界有5000多万人死于战争，直接军费开支11170亿美元，经济损失达4万亿美元。,第五阶段 恢复和发展阶段（1945-今）,二战后，特别是50-70年代，欧洲国家（主要是西欧）和日本在较短的时间内进入到高速发展阶段。,原因,美国的大力扶植,这些国家雄厚的工业基础及技术基础,第三次科技革命的推动,国家加强对经济的宏观指导,高层建筑钢结构进入了一个新的发展阶段，一大批超高层建筑相继出现，这些建筑不仅分布在美国，还分布在欧洲、亚洲等地,芝加哥高层建筑前十位,资料,1991年前，世界前100栋高层建筑中，81栋为钢结构。,81栋,9栋 其它国家,72栋 美国,24栋 纽约,7栋 芝加哥,41栋 其它城市,日本,加拿大,香港,新加坡,南朝鲜,三 高层建筑钢结构的发展历史,2 中国发展历史,第一阶段 古代（鸦片战争前）,第二阶段 近代（鸦片战争-1949年）,第三阶段 现代（1949年-今）,第一阶段 古代（鸦片战争前）,秦代（公元前200年，秦始皇）,铸铁,桥墩,汉代（公元60年，汉明帝）,铁,铁链悬桥,中国是最早用铁作为承重构件的国家,铁结构的发展主要表现在两个方面,铁索桥,铁塔,古代最著名的铁索桥,大渡河桥（四川泸定）,沅江桥（云南）,盘江桥（贵州）,古代最著名的铁塔,玉泉寺铁塔（湖北当阳）,铁塔寺铁塔（山东济宁）,甘露寺铁塔（江苏镇江）,现存古代铁索桥中制作最精良的一座。,桥净跨约103m，每根铁链长约127m，桥宽2.8m。共九根底链，上横铺木板，纵铺走道板。两侧各有两根栏杆铁链。,大渡河铁索桥,始建于清代康熙四十四年（公元1705年），次年完成。,时间,结构,地位,为我国现存最高、最重和保存最完好的铁塔,该塔高1669米，共8间13层，,北宋(公元1061年),时间,结构,地位,玉泉寺铁塔,第二阶段 近代（鸦片战争-1949年）,发展比较缓慢，仅有的为数不多的钢结构也几乎被外国人包揽,国际饭店,上海大厦,建成于1934年。由匈牙利著名建筑师邬达克设计，上海馥记营造厂承建。整个大楼钢框架结构，外型为美国当时的摩天大楼式样，总高82米，是当时上海最高的建筑，也是远东最新建筑。,原名百老汇大厦，22层，高88米。由英国著名设计师佛兰赛设计。动工于1930年，1934年10月正式开业，1951年5月1日由上海市人民政府改名为“上海大厦”,现为挂牌四星级涉外饭店。,第三阶段 现代（1949年-今）,80年代以前,由于钢产量底，主要是钢桥，重型厂房及大跨度屋盖结构。,80年代以后至今,随着国家经济的发展，钢产量的提高，需求的不断增长，高层钢结构在国内兴起。80年代建成11座，集中在北京、上海、深圳。90年代建成35座，兴建城市已扩展到大连、厦门、广州、天津、沈阳、成都等地，钢结构施工总承包已由国外转为国内。,金茂大厦,中国，上海4m,层，19年竣工,中国民生银行大厦 武汉，地下3层，地上68层，建筑总高度331.3米，六层以下为钢骨混凝土结构、钢筋混凝土结构，六层以上转换成钢框架支撑结构体系，,四 高层建筑钢结构的特点,1 从设计角度,（1）结构自重轻,原因,钢材强度高；高层建筑钢结构一般采用轻质维护结构,数据,混凝土高层建筑：1520 t/m2;高层建筑钢结构：0510 t/m2。,（2）基础小,原因,结构自重轻,（3）结构柱断面小,原因,钢材强度高；自重轻；地震剪力小,数据,假设一轴心柱，P=1000t，h=35m,则柱断面如下：,C25混凝土 德国St52方管柱（板厚42mm）德国St52实心柱 920920 350350 250250,德国St52，fy=360N/mm2,（4）计算结果精确可靠,原因,钢材基本上各向同性，同力学计算假设相符合,（5）钢梁经济跨度大,原因,钢材强度高,数据,实腹式工字梁，经济跨度 L=618m；格构式梁：经济跨度 L=3060m；,（6）结构形式多，选择灵活,原因,抗侧力体系类型多，相应的结构形式多，方便选择,2 从施工角度,（1）施工速度快，工期短,原因如下：,A 钢结构由基本构件组成，而基本构件可直接在工 厂里制造，然后运到现场拼装,从而节约了时间,B 高层建筑钢结构楼板一般为压型钢板砼板，不需 支模、拆模等工序,C 钢结构部分的安装基本不受气候条件影响，可以 全天候作业,但施工速度也会受到如下因素影响：,A 钢结构基础部分为砼结构，施工周期长，从而影响整个工期,B 钢结构一般比较复杂，安装精度要求高,C 钢结构要进行防腐和防火处理，从而影响施工进度,D 高层钢结构高空作业影响安装效率,E 高层钢结构高空作业受风的影响较大，一旦风速达到一定值，起重吊装工作将被迫停止。,（2）高层建筑钢结构施工现场用地面积少,原因,基本构件和材料可以按需供应，所以现场不需要设置仓库，仅设起重机的使用空间和吊装构件所需要得空间,（3）高层建筑钢结构施工对环境影响不大,原因,钢结构安装一般噪声不大，废料少，干净，所以对周围环境影响较小,（4）高层建筑钢结构敷设管线方便,方法,当管线直径小时，可从楼板中穿过；当管线直径大时，可从：实腹式钢梁腹板中穿过；格构式钢梁空当中穿过；空腹式钢梁腹板圆孔中穿过。,3 从使用角度,（1）柱断面小,增加了使用面积,数据：钢筋混凝土 7%钢结构 3%,（3）造价相对较低,（2）需进行防火防腐处理,钢结构造价（结构造价）=,钢材（40%）,防火、防腐处理（30%）,制作、安装费用（30%）,钢结构造价高的原因：,甲方总投资由几部分构成。其中土建造价仅占其中的1/4，因而因采用钢结构而增加的费用对总投资的影响不大。相反，由于采用了钢结构，而使甲方获得了如下利益：,1基础费用降低2施工费用降低3工期短而使甲方提前获利4使用面积增大,五 高层建筑钢结构的发展趋势,1 采用新的抗侧力体系,2 计算方法更完善,3 钢材性能的提高,4 采用轻质材料,5 改进连接方法,6 开发大型热轧型钢,7 研制高效能的施工工具,8 采用钢混凝土组合结构,