高层钢混凝土混合结构的应用现状与发展Word文档下载推荐.docx
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钢结构具有自重轻、强度高、延性好、工业化程度高等优点,但存在造价高、防火性能差等缺点。
钢筋混凝土结构具有造价低、耐火性能好等优点,但由于构件截面较大,增大了结构自重并且减少了使用空间。
钢-混凝土混合结构高层建筑综合了二者的优点,被认为是一种符合我国国情的较好的高层建筑结构形式,被大量用于我国的高层建筑特别是超高层建筑结构中。
2、钢-混凝土混合结构概述
2.1钢-混凝土混合结构定义
广义的混合结构指组合异种材料构成结构构件,且由这些构件形成至少两种不同类型的结构(或子结构)复合而成的结构体系。
高层建筑钢-混凝土混合结构是由部分钢结构和部分钢筋混凝土结构组合而成的,其结构的组合主要是指抗侧力结构的组合。
混合的目的是希望具有单一结构不具有的结构性能或发挥多种结构合理、有序地“混合”之后结构体系的综合性能。
2.2钢-混凝土混合结构体系分类
根据结构材料、子结构类型,目前应用的高层、超高层混合结构体系主要有以下一些混合形式:
2.2.1外框架-混凝土筒体混合结构体系
外框架-混凝土筒体混合体系是由外框架与混凝土筒体组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构。
主要利用混凝土筒体在各个方向上都具有较大的抗侧刚度,成为结构体系主要的抗侧力构件,以承受地震作用和风荷载所产生的大部分水平荷载,筒体外围的框架主要承受竖向荷载,并分担一部分水平荷载,以有效发挥材料的长处。
据外框架所用材料不同又分为钢框架-混凝土筒体、型钢混凝土框架-混凝土筒体、钢管混凝土框架-混凝土筒体。
2.2.2巨型型钢混凝土框架柱-内筒混合结构体系
在高层建筑中抵抗侧向荷载最有效的方法之一就是采用巨型柱。
巨型柱有多种形式:
一种体系是采用大直径的薄壁管或筒,内填高强混凝土,一般不需要纵向钢筋,也不需要横向钢筋,施工相对简单。
另一种建造组合柱的方法是采用传统的支模技术,唯一不同的是钢柱抱在大柱内部,钢柱用作假设钢框架,也可增强轴向和剪切承载能力。
2.2.3支撑筒混合结构体系
支撑筒体系是由大型立体支撑、支撑节间内小框架及内部钢框架所组成,大型立体支撑和与其相连的柱构成高效的抗侧力体系,它将承担绝大部分的竖向荷载和水平荷载。
支撑筒的抗推刚度远大于框筒,水平荷载作用下,支撑筒利用其斜杆将楼层剪力转化为斜杆轴力,向下传递,在同等侧移限制的条件下,支撑筒的构件截面尺寸较小,从而用钢量小。
2.2.4竖向混合结构体系
多功能建筑要求在一幢建筑中提供两个或更多种类型的用途,将使用功能不同的各部分竖向叠合在一起。
在某些建筑中,可在下部采用混凝土,在上部采用钢结构。
2.2.5钢筋混凝土外筒/型钢混凝土外筒-钢框架混合结构体系
此种混合结构体系由建筑平面周边的钢筋混凝土外筒和建筑内部的钢框架共同组成,外筒承担了几乎全部的水平荷载,结构内部的框架主要承担竖向荷载,为减轻自重并获得大空间而优选钢结构柱,由于抗侧力结构构件布置在外侧,故其抗水平荷载的能力较大,并且建筑围护部件与结构承载构件合二为一,省去外墙板及其安装工程量。
外筒除采光面积外,其余面积均可用于框架的梁和柱,使框筒各构件具有较大截面尺寸,框筒的剪力滞后效应减弱,提高框筒的抗推刚度和抗倾覆能力。
2.2.6其他混合结构体系
由于建筑造型的差异,建筑物所处场地的不同和业主的要求等,混合结构的结构类型不拘一格。
上述的几大混合结构类别仅仅是比较典型的几种,实际6
紫峰大厦
南京
450
89
M
7
西尔斯大厦
芝加哥
443
110
S
8
京基100大厦
深圳
441.7
100
9
广州国际金融中心
广州
438.6
103
10
金茂大厦
上海
420.5
88
表2我国十大高层建筑
序号
建筑名称
完工
地点
总高度
结构
1
上海中心大厦
2014
632
2
广州塔
2009
600
3
上海环球金融中心
2007
492
4
香港国际金融中心
2008
香港
484
5
东方明珠广播电视塔
1994
467.9
6
2011
442
438
1998
421
香港国际金融中心二期
2003
416
(注:
建筑高度为包含天线的高度;
表中名词排列仅供参考;
结构中M表示钢混结构,S表示钢结构,C表示混凝土结构)
钢-混凝土混合结构在国外的应用始于1972年,此后几十年中,美国、日本及法国等相继建成了一批混合结构建筑,但整体数量偏少。
目前使用钢-混凝土混合结构的比例在不断上升,加强该结构体系的研究及工程经验总结使其健康的发展,显得尤为重要。
3.2目前存在的问题
3.2.1钢-混凝土混合结构的抗震性能研究不够充分与完善
国外在地震区采用钢-混凝土混合结构的建筑数量较少,并且对这种结构体系在地震区应用尚有分歧,因此也缺乏相应混合结构抗震镇海调整资料和对该结构抗震性能的系统研究。
而至今我国已建的大量高层钢-混凝土混合结构尚未经过地震考验,其迅速发展的姿态使人们对这种结构的抗震性能越加关注。
通过目前为止做过的几次重要实验,得出了以下几点重要的结论。
1991年底,中国建筑科学研究院进行了1:
20的23层钢框架-钢筋混凝土筒体混合结构模型试验研究。
研究结果表明:
该类混合结构具有钢结构和混凝土结构两者的优点,既具有优于钢结构的刚度特性,又具有优于混凝土结构的变形性能,其整体性能更优于钢结构和混凝土结构。
1999年,同济大学在模拟地震振动台上完成的试验表明,只要按照现行建筑结构抗震设计规范进行合理设计,混凝土结构和钢结构7度设防要求设计的混合结构,能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的要求。
2004年底,中国建筑科学研究院进行了1:
10的30层型钢混凝土框架-混凝土筒体混合结构模型试验,得到结论如下:
钢混凝土框架与核心筒的协同作用使整体结构有较高的承载力,也具有一定的延性,抗震性能较好。
为了适应我过这种结构形式的建设速度,迫切需要对这种结构的抗震性能和设计方法展开系统深入的研究。
3.2.2钢-混凝土混合结构抗风关键技术研究不足
随着高层建筑高度的增加,结构对风荷载更加敏感,在不少地区,抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。
应进一步加强对高层建筑横向风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判断等方面的研究。
3.2.3混凝土内筒的施工误差远大于钢结构
钢框架-混凝土内筒体系中,混凝土内筒的施工进度常先于钢框架。
由于支模等原因,现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏移差大于施工规范规定甚多。
当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连接时,这些钢板预埋件在平面和竖向标高的位置,不仅受混凝土墙体偏移的影响,而且受预埋件移位的影响,其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围,常需采取难以令人满意的弥补措施。
3.3未来展望
现有的研究成果和大量的工程实践均表明,钢-混凝土混合结构在高层及超高层结构中将具有广阔的应用前景。
加强对混合结构整体抗震性能、抗风性能、新型结构体系的研发及高性能材料的应用、巨型构件的受力性能、消能减震技术、施工过程模拟等方面的研究将有助于混合结构设计整体水平的提高,所以只有通过相关实验以及理论分析,才能逐步完善钢-混凝土混合结构在我国高层建筑中的应用。
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86
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- 高层 混凝土 混合结构 应用 现状 发展