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1、2024年5月11日星期六,1,高层建筑钢结构设计,土木工程与建筑学院,2024年5月11日星期六,2,1、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：,2024年5月11日星期六,3,1、概论2、高层钢结构用钢3、结构体系和布置4、结构分析5、构件设计6、节点设计7、防灾,主要内容：,2024年5月11日星期六,4,城市化进程加速、人口集中、低价飞涨，节约用地
2、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,2024年5月11日星期六,5,1）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,
3、2024年5月11日星期六,6,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,2024年5月11日星期六,7,2）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 21.4,2024年5月11日星期六,8,3）高层钢结构的优势自重轻，可减少地震作用，减少运输量，便于地基处理结构所占面积少，可
4、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,2024年5月11日星期六,9,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),2024年5月11日星期六,10,不同结构体系的对比,2024年5月11日星期六,11,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,2024
5、年5月11日星期六,12,1）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，钢铁开始用于建筑 1872年法国巴黎Menier巧克力厂采用了钢框架结构,2024年5月11日星期六,13,1885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,2024年5月11日星期六,14,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。,2024年5月11日星期六,15,繁荣期 1945年二次大战后，高层在美欧等西方国家快速发
6、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。,2024年5月11日星期六,16,2024年5月11日星期六,17,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。,2024年5月11日星期六,18,2024年5月11日星期六,19,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。,2024年5月11日星期六,20,近期发展 目前欧洲最高建筑为德国法兰克福商业
7、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。,2024年5月11日星期六,21,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。,2024年5月11日星期六,22,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,2024年5月11日星期六,23,世界第一高的比较,2024年5月11日星期六,24,目前不少国家准备
8、突破500米高度大关,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。,2024年5月11日星期六,25,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。,2024年5月11日星期六,26,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
9、不予公布。耗资10亿美元。,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。,2024年5月11日星期六,27,韩国准备建造130层高580米的国际贸易中心，造价13亿。,日本的超高层
10、建筑构想如下,2024年5月11日星期六,28,韩国 首尔 国际商务中心International Business Center 580米 130层 2013 开工,2024年5月11日星期六,29,2）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。,2024年5月11日星期六,30,上海金贸大厦，88层，高421米,2024年5月11日星期六,31,国内目前最高的为广州塔(600米高),2024年5
11、月11日星期六,32,深圳地王大厦，81层，高384米,2024年5月11日星期六,33,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。,2024年5月11日星期六,34,目前在建（已建）的高层钢结构见下表,2024年5月11日星期六,35,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。,2024年5月11日星期六,36,2024年5月11日星期六
12、,37,上海环球金融中心(492米),2024年5月11日星期六,38,卫星拍摄时间为2009年10月6日,2024年5月11日星期六,39,2024年5月11日星期六,40,2024年5月11日星期六,41,2024年5月11日星期六,42,伸臂桁架和带状桁架,2024年5月11日星期六,43,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,2024年5月11日星期六,44,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
13、。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）,2024年5月11日星期六,45,中国国际贸易中心3期，是现在北京的最高建筑(北京在建第一高楼“中国尊”,108层高510米),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.,2024年5月11日星期六,46
14、,腰桁架和伸臂桁架,2024年5月11日星期六,47,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。,2024年5月11日星期六,48,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1000
15、60060；材 质：Q345CZ15，用钢量39000吨。,2024年5月11日星期六,49,北京电视中心安装现场,2024年5月11日星期六,50,复杂箱形柱,2024年5月11日星期六,51,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；,2024年5月11日星期六,52,2024年5月11日星期六,53,北京中关村金融中心,2024年5月11日星期六,54,
16、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,2024年5月11日星期六,55,北京中关村金融中心安装现场,2024年5月11日星期六,56,北京中关村金融中心安装现场,2024年5月11日星期六,57,北京中关村金融中心安装现场,2024年5月11日星期六,58,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
17、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。,2024年5月11日星期六,59,1987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,2024年5月11日星期六,60,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30亿美元混凝土：112,000m3钢筋：18,000t钢：28,000t,2024年5月11日星期六,61,香港国际金融中心,2024年5月11日星期六,62,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
18、国际金融中心为最高，达到508米。,2024年5月11日星期六,63,3）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,2024年5月11日星期六,64,1）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。,2024年5月11日星期六,65,2）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,2
19、024年5月11日星期六,66,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。,2024年5月11日星期六,67,3）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。,2024年5月11日星期六,68,摩天大楼的优势,城市的面子，很难想象一座国
20、际性的大都市没有傲人的摩天大楼。目前高楼建设方兴未艾。,2024年5月11日星期六,69,摩天大楼的危害,然而，随着2001年纽约世贸中心大厦（526.3米）被毁，人们不禁对摩天大楼的危险性产生怀疑。的确，在摩天大楼居住和工作的人无论地震还是火灾时，都很难逃生，而且近来环保组织也提出，摩天大楼会导致一系列环境问题，影响人类及其它物种的生存。,2024年5月11日星期六,70,第一，摩天大楼会引起城市峡谷效应：城市峡谷效应是指由于几何效应，高层建筑尤其摩天大楼的玻璃幕墙会吸收、反射大量阳光，导致周围的温度比其它区域更高。,2024年5月11日星期六,71,二、摩天大楼会导致光污染高楼的霓虹灯会闪
21、烁一整个晚上，极大的影响人们的睡眠质量。对光污染影响最大的，就是全玻璃建筑，本来闪烁的霓虹灯就已影响人们的生活，再加上全玻璃建筑的反射，将时光污染变得更加严重，所以现在许多人都不赞同全玻璃建筑。,2024年5月11日星期六,72,三、影响鸟类迁徙：摩天大楼的光污染会误导迁徙的鸟类，使它们在夜间也继续飞行而精疲力竭，或不小心撞到夜间大楼的霓虹灯上而导致死亡。在美国，每年有上万只鸟类因此而死。因此，一些大城市的鸟类爱好者们，呼吁鸟类迁徙路线上的高层建筑在晚上熄灭灯光，以保证鸟类的安全飞行。,2024年5月11日星期六,73,四、影响人类居住环境。摩天大楼会造成大片阴影，使得比其低的楼层无法得到充足的光照。风会在高于地面10米以上加快速度，比如在200米的高度，风速会比10米处高出3级，造成了很大的噪声。摩天大楼还会形成通道效应，也就是在大楼拐角处形成旋风，使得行人在经过大楼时受到强风的冲击。,2024年5月11日星期六,74,五、火灾救援度难：目前世界最高的消防云梯只有130米，那么超过这个高度的楼层居民将很难在火灾中得到及时救援。,2024年5月11日星期六,75,心理学家也提出，人类在10层以上的建筑生活，会产生孤寂感，影响心理健康。当然，摩天大楼的确在一定程度上促进了城市的发展。因此，究竟摩天大楼对人类是福是祸，还要从正反两面来客观看待。,
