高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小論

1、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小論文 題目：高層鋼結(jié)構(gòu)建筑認(rèn)識(shí)姓名：王冬班級(jí)：土091 學(xué)號(hào)： 成績；Abstract: Brief describe the history of the development of steel tall buildings.In“911 incident”New York World Trade Center experienced some random loadings w hich include the ram of the planes, the burning of the gasoline as well as the overload of the flo

2、or slab. The process of the w ho le dam age lasted 1 2 hours and its a ductility dam age. The ram force of the planes is analysed, w hich caused a great displacemen t of the tower, sheared the steel column s of the externaltube and b rough t dam age to the floo rslab. The weigh t of the p lane great

3、 ly overloaded the destroyed f loorslab and caused a collapse in a“dominoes style”. The tower finally collapsed vert ically w hen the steel columns lost stable equilibrium , due to the enormou sly increasing ratio of the length and slenderness. Though the burning of the gasoline w as not the maincau

4、se for the collapse, it w as resu lted in a decrease of the strength of the materials and the load2carrying ability, w h ich aggravated the damage.Key words: “911 incident”; New York World Trade Center; h igh2rise building; collapse歲月如梭，歲月如流水，轉(zhuǎn)瞬即逝。不知不覺對(duì)土木工程的學(xué)習(xí)已經(jīng)有三年了，隨著專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的進(jìn)行，也對(duì)土建工程有了逐漸深入的認(rèn)識(shí)。而這

5、學(xué)期在張艷霞老師的帶領(lǐng)下對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，讓我對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)有了更加深入的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。暑期實(shí)習(xí)時(shí)所在的施工單位所建設(shè)的京豫文化交流中心為五層鋼框架結(jié)構(gòu)，期間大致學(xué)到與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識(shí)，圖（1）、圖（2）為實(shí)習(xí)期間我所照的相片。圖（1） 圖（2）本學(xué)期在聽課后，對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)我較為感興趣的一部分內(nèi)容為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展其優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍以及紐約世界貿(mào)易中心雙塔樓破壞倒塌原因。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，西方就開始嘗試用鋼鐵材料制作的框架承重體系，例如美國在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

6、框架來承擔(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)。一、高層鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展國外的發(fā)展形成期 西方工業(yè)革命時(shí)期，鐵鋼開始用于建筑 1872年法國巴黎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

7、家快速發(fā)展，其中以美國最具代表性芝加哥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國際飯店，22層，高82.5米。中國大陸自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、天津等地建造了數(shù)10幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。國內(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

8、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632米，結(jié)構(gòu)高度為565.5米，這兩個(gè)高度均超過了上海環(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)目的開發(fā)建設(shè)和運(yùn)營由上海中心大廈建設(shè)發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)。 國內(nèi)在建或已建完的其他著名高層鋼結(jié)構(gòu)

9、詳細(xì)信息二、高鋼的優(yōu)缺點(diǎn) 1）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，工廠化程度高，建設(shè)周期短，鋼材可回收，對(duì)環(huán)境污染小。 2）缺點(diǎn) 鋼材的抗火性能差，用鋼量稍大，造價(jià)偏高。三、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。近年來多層和小高層住宅也已開始采用鋼結(jié)構(gòu)，形式喜人。四、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

10、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)的重要問題。 五、高層鋼結(jié)構(gòu)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。下面主要說明框筒結(jié)構(gòu)體系，框筒是由布置在建筑物周邊的柱距小、梁截面高的密柱深梁框架組成。形式上框筒由四榀框架圍成，但其受力特點(diǎn)不同于框架?？蚣苁瞧矫娼Y(jié)

11、構(gòu)，只有與水平力方向平行的框架才抵抗層剪力及傾覆力矩?？蛲彩强臻g結(jié)構(gòu)，沿四周布置的框架都參與抵抗水平力，層剪力由平行于水平力作用方向的腹板框架抵抗，傾覆力矩由腹板框架和垂直于水平力作用方向的翼緣框架共同抵抗?？蛲步Y(jié)構(gòu)的四榀框架位于建筑物周邊，形成抗側(cè)、抗扭剛度及承載力都很大的外筒，使建筑材料得到充分的利用。因此，框筒結(jié)構(gòu)的適用高度比框架結(jié)構(gòu)高得多。下圖為水平力作用下的傾覆力矩在框筒柱中產(chǎn)生的軸力分布圖。傾覆力矩使框筒的一側(cè)翼緣框架柱受拉、另一側(cè)翼緣框架柱受壓，而腹板框架柱有拉有壓。翼緣框架中各柱軸力分布并不均勻，角柱的軸力大于平均值，中部柱的軸力小于平均值；腹板框架各柱的軸力也不是線性分布。這

12、種現(xiàn)象稱為剪力滯后。剪力滯后越嚴(yán)重，框筒的空間作用越小。框筒結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵是如何減小剪力滯后。框筒可以是鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者混合結(jié)構(gòu)。第一棟框筒結(jié)構(gòu)是Fazlur Khan設(shè)計(jì)的芝加哥DewittChestnut公寓大廈，43層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1965年竣工。紐約世界貿(mào)易中心雙塔樓，為兩棟110層、高417m的鋼框筒結(jié)構(gòu)，平面尺寸為63.5m63.5m，柱距l(xiāng).02m，梁高1.32m，標(biāo)準(zhǔn)層的層高為3.66m，設(shè)置在平面中央的47根鋼柱僅承受豎向荷載。每32層設(shè)置一道7m高的鋼板圈梁，以減小剪力滯后。單獨(dú)采用框筒為抗側(cè)力體系的高層建筑結(jié)構(gòu)較少，框筒主要與內(nèi)筒組成筒中筒結(jié)構(gòu)或多個(gè)框筒組成

13、束筒結(jié)構(gòu)。1）飛機(jī)撞擊力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響撞擊力可用動(dòng)能定理FS = m v 2/2 來計(jì)算. 波音767 的起飛質(zhì)量為156 t, 其中所載燃料約50t. 據(jù)航空專家稱, 飛機(jī)的巡航速度為850 km /h ,但撞擊時(shí)屬大迂回后的超低空飛行, 速度約500 600 km /h , 撞擊前已飛行了1 h 40m in, 用去部分燃料, 飛機(jī)的總質(zhì)量約為150 t。 塔樓的總寬度僅63 m , 假定飛機(jī)從V = 600 km /h 的速度下降到0, 穿過的路程為50m , 由此可求得飛機(jī)撞擊力約為41 700 kN.撞擊力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大位移, 增大塔樓底部彎矩和剪力. 根據(jù)撞擊力的大小、撞擊部位(距頂部

14、約為總高的1/5及塔樓底層的截面剛度E I 等參數(shù)可簡(jiǎn)單地按懸臂構(gòu)件估算樓頂?shù)乃轿灰?世貿(mào)中心有強(qiáng)大的抗風(fēng)能力. 在設(shè)計(jì)風(fēng)載作用下, 頂部計(jì)算位移約900 mm , 但多年的實(shí)測(cè)值僅為280 mm , 可見抗側(cè)移剛度相當(dāng)大. 可以根據(jù)塔樓的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性精確計(jì)算撞擊力產(chǎn)生的樓頂位移. 若真如幸存者所言達(dá)到1 000 mm ,則對(duì)結(jié)構(gòu)的影響比較大.a. 產(chǎn)生強(qiáng)烈的晃動(dòng)和超常的位移. 如按我國JGJ 3291鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程, 筒中筒結(jié)構(gòu)在風(fēng)載作用下的u/H 限值為1/1 050, 地震作用下為2/950, 塔樓位移已超過了正常使用的允許值.b. 水平撞擊力增大底層柱腳的

15、彎矩和剪力. 雖然產(chǎn)生了較大的位移, 增大了底層的彎矩和剪力, 撞擊力并未對(duì)結(jié)構(gòu)的整體承載力構(gòu)成威脅. 世貿(mào)中心未發(fā)生傾倒, 即說明了這一點(diǎn).c. 塔樓頂部產(chǎn)生了偏斜. 飛機(jī)撞擊對(duì)外筒的損傷, 使塔樓上部在撞擊部位形成了不均勻的支承, 機(jī)尾損傷嚴(yán)重, 機(jī)頭損傷較小, 這導(dǎo)致了上部的塔樓向飛機(jī)來的方向有一定偏斜.塔樓偏斜示意2）撞擊使樓身遭到嚴(yán)重破壞a. 撞擊力切割了塔樓內(nèi)外筒的部分鋼柱.b. 撞擊破壞了塔樓的樓板. 飛機(jī)撞擊的具體部位有兩種可能: 一是機(jī)頭在上、下樓層之間撞入, 二是機(jī)頭直接撞擊樓板. 鑒于機(jī)身已隱沒于塔樓內(nèi), 第一種可能性更大. 以波音757 飛機(jī)為例,其翼展為38. 13

16、m , 機(jī)身最大直徑約5. 03 m , 垂直尾翼高13 m , 而樓層平均層高僅為3. 75 m , 標(biāo)準(zhǔn)層層高低于3. 75 m , 由此可知, 撞擊造成了不少于3 層的樓板大面積破壞.3）樓板的塌落a. 樓板嚴(yán)重超載. 飛機(jī)的總重量約為1 500kN , 連同被撞破壞的約2 層樓板的重量共同施加在下1 層的樓板上, 造成了該層樓板的嚴(yán)重超載.b. 樓板本身的整體性差. 世貿(mào)中心的設(shè)計(jì)和施工共花費(fèi)了7 年. 建設(shè)者們把樓層分解, 一節(jié)一節(jié)在工廠車間制作后, 再在現(xiàn)場(chǎng)拼裝, 這種施工方法造成了樓板與樓板之間以及樓板和柱之間的整體性相對(duì)較差.c. 樓板的抗剪能力差. 由圖可知, 板和柱之間的整

17、體性較差, 在垂直荷載作用下, 抗剪切能力下降, 在超額荷載作用下容易造成樓板和柱連接處的沖切破壞.d.“多米諾骨牌”效應(yīng). 上層樓板的塌落, 全部重量砸向下一層樓板, 樓板逐層塌落, 形成“多米諾骨牌”效應(yīng).4）外筒鋼柱的失穩(wěn)使塔樓最終垂直坍塌外筒鋼柱為壓彎構(gòu)件. 鋼柱的設(shè)計(jì)包括強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定的設(shè)計(jì). 強(qiáng)度不足產(chǎn)生的破壞形態(tài)為延性破壞, 失穩(wěn)破壞則十分突然, 要求更高. 影響鋼柱穩(wěn)定性的重要因素是其長細(xì)比K.紐約世貿(mào)中心有110 層, 層間的平均高度H 約為3. 75 m.設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性是在樓板對(duì)鋼柱有可靠橫向支撐,從而長細(xì)比很小的條件下得以保證. 樓板的“多米諾骨牌”式的塌落, 使鋼柱的計(jì)

18、算長度H 0和長細(xì)比K增長了數(shù)10 倍.鋼柱失穩(wěn)示意5）燃油燃燒加速坍塌過程許多專家認(rèn)為: 導(dǎo)致世貿(mào)中心坍塌的原因是飛機(jī)燃油起火后燒軟了鋼結(jié)構(gòu)(甚至認(rèn)為鋼材已被燒熔化 , 這就是“火因說”. 作者對(duì)這一說法持懷疑態(tài)度. 高層建筑不僅對(duì)其承載力有極高要求,對(duì)其防火也有十分嚴(yán)格的要求. 按照中國GB50045295高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的規(guī)定, 世貿(mào)中心為一類高層民用建筑, 耐火等級(jí)為一級(jí)，其建筑材料的燃燒性能級(jí)別為A 級(jí), 即不燃性建筑材料, 耐火極限是指在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)中, 從受到火的作用到失去穩(wěn)定性、完整性或絕熱性的抗火作用時(shí)間.紐約世貿(mào)中心為全鋼結(jié)構(gòu), 其防火標(biāo)準(zhǔn)必是超級(jí)的, 主體結(jié)構(gòu)耐火極限不會(huì)小于3 h. 耐火極限的保障,