建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术.docx
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建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术
第五编建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术
第五编
建筑工程钢结构设计与钢筋连接技术
第一章建筑工程钢结构
第一节高层建筑钢结构发展情况
一国外超高层建筑发展概况
1995年5月在荷兰阿姆斯特丹召开了第五届国际高层建筑会议会上发布了当时100幢200m以上的超高层建筑概况表如表511所示再根据此表并按建造年代结构材料及建筑用途等进行归纳统计可得情况表512由表511及表512可知下列的发展情况
世界上最高的100幢建筑表511高层
建筑与城市住宅委员会(CTBUH)1995年10月31日
发布序号名称城市建成(年)层数高度(m)
材料用途
1石油大厦1PetronasTowerl吉隆坡UC9688450M多功能
2石油大厦2PetronasTower2吉隆坡UC9688450M多功能
3西尔斯大厦SearsTower芝加哥1974110443S办公
4金茂大厦JinMaoBuilding上海UC9888421M多功能
5世界贸易中心1OneWorldTradeCenter纽约1972110417S办公
6世界贸易中心2TwoWorldTradeCenter纽约1973110415S办公
7帝国大厦EmpireStateBuilding纽约1931102381S办公
8中环广场CentralPlaza香港199278374C办公
9中银大厦BankofChinaTower香港198970369M办公
10TC大厦TCTower高雄UC9785348S多功能
11标准石油公司大厦Amoco芝加哥197380346S办公
12约翰汉考克中心JohnHancockCenter芝加哥1969100344S多功能
13地王大厦ShunHingSquare深圳UC9681325M办公
14中天大厦SkyCentralPlaza广州UC9680322C多功能
15拜约基大厦BaiyokeTowerll曼谷UC9790320C多功能
16克莱斯勒大厦ChryslerBullding纽约193077319S办公
17国民银行广场NationsBankPlaza亚特兰大199255312M办公
18第一州际世界中心FirstInterstateWorldCenter洛杉矶198975310M办公
19得克萨斯商业大厦TexasCommerceTower休斯顿198275305M办公
20柳京饭店RyugyongHotel平壤UC95105300C饭店
21咨询大厦TwoPrudentialPlaza芝加哥199064298C办公
22第一州际银行广场FirstInterstateBankPlaza休斯顿198371296S办公
23兰马克大厦LandmarkTower横滨199370296S多功能
24南威克街311大厦311SouthWackerDrive芝加哥199065292C办公
续表
序号名称城市建成(年)层数高度(m)
材料用途
25租庇利街皇后大道中大厦JubileeStreetQueensRoadCentral香港UC9769292S办公
26第一加拿大大厦FirstCanadianPlace多伦多197572290S办公
27美洲国际大厦AmericanInternationalBuilding纽约193266290S办公
28自由大厦1OnelibertyPlace费城198761287S办公
29哥伦比亚第一海上中心ColumbiaSeafirstCenter西雅图198576287M办公
30华尔街40大厦40WallStreet纽约193070283S办公
31国民银行广场NationsBankPlaza达拉斯198572281M办公
32华联银行中心OverseasUnionBankCentre新加坡198666280S办公
33华联银行广场UnitedOverseasBankPlaza新加坡199266280办公
34共和国广场RepublicPlaza新加坡199566280M办公
35花旗中心CiticorpCenter纽约197759279S多功能
36斯科休广场ScotiaPlaza多伦多198968275M办公
37特兰斯科大厦TranscoTower休斯顿198364275S办公
38社会中心SocietyCenter克利夫兰199157271M办公
39ATT公司中心ATTCorporateCenter芝加哥198960270M办公
40北密西根900大厦900NorthMichigan芝加哥198966265M多功能
41国民银行中心NationsBankCorporateCenter夏洛特199260265C办公
42桃树中心OnePeachtreeCenter亚特兰大199260264C办公
43加拿大信托大厦CanadaTrustTower多伦多199051263办公
44水塔大厦WaterTowerPlace芝加哥197674262C多功能
45第一州际大厦FirstInterstateTower洛杉矶197462262S办公
46全美金字塔大厦TransamericaPyramid旧金山197248260S办公
47GE洛克菲勒中心G.E.RockefellerCenter纽约193370259S办公
48第一国民银行广场OneFirstNationalPlaza芝加哥196960259S办公
49商业银行大厦CommerzbankTower法兰克福UC9760259办公
50自由大厦2TwoLibertyPlace费城199058258办公
51迈萨托大厦Messeturm法兰克福199063257C办公
52USX大厦USXTower匹兹堡197064256S办公
53门楼GateTower大阪UC9656254办公
54世界贸易中心WorldTradeGenter大阪199455252M办公
55亚特兰大中心OneAtlanticCenter亚特兰大198850250M办公
56BNI城市大厦BNICityTower雅加达199546250办公
57朝鲜人寿保险公司大厦KoreaLifeInsuranceCompany汉城198560249S办公
58城巅大厦CitySpire纽约198972248C多功能
59蔡斯曼哈顿广场OneChaseManhattanPlaza纽约196160248S办公
60公园街200大厦200ParkAvenue纽约196359246S办公
61KTAR大厦KompleksTunAbdulRazakBuilding槟城198565245C办公
62马拉扬银行大厦MalayanBankr吉隆坡198850244C办公
63东京都府大厦TokyoMetropolltanGovernmentBuilding东京199148243M办公
64内托大厦RialtoTower墨尔本198556242C办公
65乌尔沃斯大厦WoolworthBuilding纽约191357241S办公
66美浓银行中心MellonBankCenter费城199054241S办公
67约翰汉考克大厦JohnHancockTower波士顿197660240S办公
68银行中心BankOneCenter达拉斯198760240M办公
69JR中心大厦JRCentralTowers名古屋UC9953240多功能
续表
序号名称城市建成(年)层数高度(m)
材料用途
70商业大厦CommerceCourtWest多伦多197357239M办公
71莫斯科国立大学MoscowStateUniversity莫斯科195326239文教
72国民银行中心NationsBankCenter休斯顿198456238S办公
73美洲银行中心BankofAmericaCenter旧金山196952237S办公
74世界广场OneWorldwidePlaza纽约198947237S办公
75加拿大广场OneCanadaSquare伦敦199150237S办公
76IDS中心IDSCenter明尼阿波利斯197257236M办公
77西北中心NorwestCenter明尼阿波利斯198857236S办公
78第一银行大厦FirstBankPlace明尼阿波利斯199253236S办公
79新加坡财政部大厦SingaporeTreasuryBuilding新加坡198652235M办公
80夏巨库公园大厦ShinjukuParkTower东京199452233S多功能
81继承广场HeritagePlaza休斯顿198753232S办公
82科学文化宫PalaceofCultureandScience华沙195542231M文教
83卡内基大厦CarnegleHallTower纽约199160231C办公
84第一国民广场ThreeFirstNationalPlaza芝加哥198157230M办公
85公平大厦EquitableTower纽约198551229S办公
86宾夕法尼亚广场OnePennPlaza纽约197257229S办公
87美洲街1251大厦1251AvenueoftheAmericas纽约197254229S办公
88咨询中心PrudentialCenter波士顿196452229S办公
89加利福尼亚广场TwoCaliforniaPlaza洛杉矶199252229办公
90煤气公司大厦GasCompanyTower洛杉矶199150228办公
91MLC中心MLCCentre悉尼197865228C办公
92太古广场香格里拉饭店TwoPacificPlaceShangriLaHotel香港199156228C多功能
93路易斯安那1100大厦1100LouisianaBuilding休斯顿198055228M办公
94朝鲜世界贸易中心KoreaWorldTradeCenter汉城198854228S办公
95永乐街皇后大道中大厦WingLokStreetQueen'sRoadCentral香港UC9754228办公
96菲利浦总部大厦GovernorPhillipTower悉尼199354227C办公
97靡尔根总部大厦J.P.MorganHeadquarters纽约198950227S办公
98联合广场TwoUnionSquare西雅图198956226M多功能
99希望大厦南333333SouthHopeBuilding洛杉矶197555226S办公
100自由广场OneLibertyPlaza(U.S.Steel)纽约197354226S办公注S为钢结构C为混凝土结构M为
钢混凝土混合结构(包括钢骨混凝土结构)UC为预计建成时间
表512世界上100幢最高建筑建成
的年代材
料及用途
建造年代建筑数量结构材料建筑数量建筑用途建筑数量
目前正在施工13钢筋混凝土结构18旅馆1
1990年25混合结构24多功能16
1980年30钢结构45办公楼80
1970年18不详13不详3
1960年6
1950年2
1940年0
1930年5
1930年前1
1超高层建筑的数量在增加
200m以上的超高层建筑自30年代至今除40年代因受第二次世界大战的影响外随后的年代均在持续增加尤其是70年代后更显著
2较多的是200300m的超高层建筑
当今世界上有6幢400m以上的超高层建筑其中3幢建于70年代另3幢建于90年代建于70年代高为443m的西尔斯大厦至今仍属世界上最高建筑于1996年建成的高为450m的吉隆坡石油大厦在高度上与西尔斯大厦基本相同100幢超高层建筑中有20幢的建筑高度为300450m80幢为200300m高的建筑这表明后者的建筑高度适用性得到开发商的关注
3超高层建筑的用途在拓宽
80年代以前的超高层建筑大部分用作办公建筑但在90年代较多地增加了多功能建筑和旅馆建筑的比例拓宽了建筑用途相应地结构材料和结构体系的选择也需适应其要求
4结构材料在多样化
70年代以前和70年代建造的超高层建筑绝大部分采用钢结构在80年代增加了钢混凝土结构的比例90年代在非地震区增加了钢筋混凝土结构的比例如上所述这些结构材料的变化除受建筑用途影响外还由于经济原因和防火要求使后两种结构材料的应用比例有所增加对于地震区超高层建筑则仍以钢结构为主少量的采用钢混凝土结构
二国内高层建筑钢结构发展概况
自80年代中期至今的15年内我国已建成和在建的高层建筑钢结构和钢混凝土结构约有29项其简要情况见表513根据该表并按建筑高度结构材料及建筑用途进行归纳统计其情况如表514所示表中7度抗震设防的高层建筑项目位于上海深圳大连及厦门等城市8度抗震设防的项目均位于北京表513国内高层建筑钢结构及钢混凝土结构
工程
序号工程名称地点高度(m)层数
地下地上建筑面积万(m2)总用钢量(t)结构形式
1金茂大厦上海36538817.714000钢筋混凝土核心筒外框钢筋混凝土柱及钢柱
2地王大厦深圳294.136814.9724500钢筋混凝土核心筒外框钢结构
3赛格广场深圳278.647015.810000钢筋混凝土核心筒外框钢管混凝土结构
4浦东国际金融大厦上海23035312.011000钢筋混凝土核心筒外框钢结构
5国际航运大厦上海210348109500钢筋混凝土核心筒外框钢结构
6京广中心北京20835713.719000钢框架带钢边框钢骨混凝土剪力墙
续表
序号工程名称地点高度(m)层数
地下地上建筑面积万(m2)总用钢量(t)结构形式
7森茂大厦上海19834811.08000钢筋混凝土核心筒外框钢骨混凝土结构
8京城大厦北京18245211.012000钢框架钢支撑(外包钢筋混凝土)
9世界金融大厦上海166.53438.33300钢筋混凝土核心筒外框钢骨混凝土柱
10深圳发展中心深圳1652485.69000钢筋混凝土核心筒外框钢结构
11商品交易大厦上海157.73438.56500钢筋混凝土核心筒外框钢结构
12新金桥大厦上海1572384.07000钢筋混凝土核心筒外框钢结构
13北京国贸中心北京155.22398.612000内外钢框架钢支撑筒体
14中保大厦上海1543387.02000钢筋混凝土筒体钢桁架梁
15上海锦江饭店上海1531464.87500钢框架钢支撑及钢板剪力墙
16世界广场上海150********00钢框架钢支撑
17上海希尔顿饭店上海1441435.24000钢筋混凝土核心筒外框钢结构
18上海国贸中心上海1422379.010740钢框架钢支撑
19上海证券大厦上海120.92279.89000钢筋混凝土核心筒巨型钢框架钢支撑
20上海瑞金大厦上海1071273.23700钢筋混凝土核心筒外框钢结构
21大连森茂大厦大连1092244.63530钢骨混凝土框架钢支撑
22长富宫饭店北京90.93265.055300纯钢框架
23九州大厦厦门902256.265400钢框架钢支撑
24香格里拉饭店北京82.72245.65300钢筋混凝土核心筒钢骨混凝土框架
25中国工商银行总行北京48.33106.84000钢框架钢偏心支撑
26上海金沙江饭店上海41.41141.61100钢框架钢支撑
27北京国贸中心(二期)北京156339钢筋混凝土核心筒外框钢结构
28大连远洋大厦大连200.8451钢筋混凝土核心筒外框钢结构
29环球金融中心上海460395钢骨混凝土筒中筒结构(基础已施工)
表514国内29幢高层建筑钢结构和钢混凝土结构情况归纳(幢数)
建筑高度结构材料建于地震区建筑用途
300mm300150m150m钢结构钢混凝土结构(包括钢骨混凝土结构)7度设防区8度设防区办公多功能旅馆2171010192271955
从表514对29幢高层建筑钢结构和钢混凝土结构的归纳结果可知下列情况
1.三分之二的工程及5幢最高建筑是钢混凝土结构
表513中多数高层建筑项目由外商设计他们在80年代设计的项目主要采用钢结构其原因是多方面的一是考虑到建于地震区钢结构的抗震性能较好另一是根据国外的经验因劳务费高认为钢结构造价低于混凝土结构施工周期也短等原因在90年代则成为主要采用钢混凝土结构包括少量的钢骨混凝土结构其中原因主要在于投资商结合我国国情采用钢混凝土结构可降低结构造价此外表中前5幢最高建筑是采用钢混凝土结构
2建筑高度多数为150300m
上述29幢高层建筑中60的建筑高度为150300m其中原因受城市规划和商业适用性的影响在结构上也因建于地震区受钢筋混凝土高层建筑结构适用高度的影响要考虑选用钢结构和钢混凝土结构
329幢高层建筑均建于抗震设防区
我国较多的大中城市位于抗震设防区尤其是沿海商业城市因此设计时很重视钢筋混凝土结构钢混凝土结构和钢结构的选用以及结构体系的选择相应地促进钢结构和钢混结构的发展也推动科研工作和规范的制订在这一过程中关于钢混凝土结构在地震区高层建筑中的应用问题也受到工程界的关注
4高层建筑的用途多样化
由表514可知我国与国外在高层建筑用途的多样化发展方面也基本相同即在数量上虽然办公楼占多数但多功能及旅馆用途的高层建筑在逐渐增多以适应当今开发商在商业上的需要
三国内钢材生产和钢结构制作安装技术概况
1钢材质量及规格在不断提高和开发
高层建筑钢结构中的柱子及竖向支撑常需采用大于40mm的厚钢板而且要求符合Z向断面收缩率的规定目前厚钢板的生产质量在逐渐提高也已能生产符合断面收缩率要求的厚钢板如上海宝山钢铁公司等H型钢的生产供应已处于开发供应阶段自1997年开始已有马鞍山钢铁公司鞍山第一轧钢厂及莱芜钢铁公司等厂家生产H型钢马钢公司可供应的最大截面宽翼缘H型钢为400400mm中翼缘H型钢为600300mm窄翼缘H型钢为700300mm前一时期国内高层建筑钢结构的钢材主要采用进口钢材现随着国内厂家的产品开发规格增多价格趋于合理等也将使国产钢材采用数量增加
2钢结构制作安装专业公司在扩大
高层钢结构的制作及安装技术要求一般情况下要高于钢筋混凝土结构近年来随着国内高层钢结构工程不断增多以及国内厂商与外商在制作和安装的合作并经历了北京上海和深圳等一批大中项目的实践已形成一些专业公司也已具有较好的技术水平国内有些专业公司已具备高层钢结构总承包商的条件
第二节钢结构及其同类制品的应用
我国的高层建筑结构目前主要采用钢筋混凝土结构这既符合我国国情可适应使用要求和降低工程造价也符合规范关于适用高度的规定对于建于抗震设防区的超高层建筑由于国内外对钢筋混凝土结构的实践经验还较少因此在考虑结构方案时主要关注钢结构和钢骨混凝土结构等方案是符合当前技术条件的而且这类结构还有其他方面的优点现就高层建筑中钢结构钢混凝土结构和钢骨混凝土结构等三类结构的主要优缺点作一粗略分析
一高层建筑钢结构
一主要优点
1抗震性能优于钢筋混凝土结构
相对于钢材来说混凝土的抗拉和抗剪强度均较低延性也差混凝土构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低钢材基本上属各向同性的材料抗压抗拉和抗剪强度均很高更重要的是它具有良好的延性在地震作用下钢结构因有良好的延性不仅能减弱地震反应而且属于较理想的弹塑性结构具有抵抗强烈地震的变形能力
2减轻结构自重降低基础工程造价
一般钢筋混凝土框剪结构和框架筒体结构的高层建筑当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板内墙采用轻质隔墙时包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为1517kNm2其中梁板柱及剪力墙等结构的自重约为1012kNm2相同条件下采用钢结构时全部重力荷载约为1012kNm2其中钢结构和混凝上楼板的结构自重约为56kNm2由上述可知两类结构的结构自重的比例为21全部重力荷载的比例约为151这相当于75层高的钢结构高层建筑上部重力荷载可等同于50层高的钢筋混凝土结构高层建筑荷载值的很大差异相应的地震作用数值也大为减小基础荷载大为减轻基础技术处理的难度以及基础工程造价等均将受到很大影响
3减少建筑中结构所占的面积
对于3040层的钢筋混凝土结构的高层建筑建于地震区时其柱截面尺寸常取决于轴压比限值而达18m18m20m20m核芯筒在底部的壁厚将达0608m以符合结构侧向刚度和层间位移的要求这两项结构面积约为建筑楼层面积的7如采用钢结构柱截面大为减小核芯筒采用钢柱及钢支撑时包括它外侧的装修做法其厚度仍比筒壁厚度薄很多相应的结构面积一般约为建筑楼层面积的3比钢筋混凝土结构可减少约4这对投资方来说将产生不小的经济效益
4施工周期短
钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作然后在现场安装钢构件安装时一般不搭设大量的脚手架同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板无需另行支设模板而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行钢筋混凝土结构除钢筋可在车间内下料外大量的支模钢筋绑扎和混凝土浇筑等工作均需在现场进行因此钢结构的施工速度常可快于钢筋混凝土结构约2030相应的施工周期也缩短能早日投入使用使投资方在经济效益上获得早回报
二关于钢结构造价及综合经济效益
1高层钢结构的造价高于同高度混凝土结构的造价及其原因
不包括基础及地下室结构在内上部高层钢结构造价一般为同样高度钢筋混凝土结构造价的1520倍从而增加了上部结构的直接投资钢结构的造价一般包含三部分即钢材费用制作和安装费用以及防火涂料费用这三者的粗略比例关系可由下式表示钢结构造价=钢材费用40+制作安装费用30+防火涂料费用30实际工程中钢结构的用钢量虽大于钢筋混凝土结构中的钢筋用钢量但这不是两种结构差价的主要原因主要原因在于防火涂料费用占有较大的比例以及钢结构制作安装的技术含量较高相应的劳务费也高上式中制作安装费用和防火涂料费用与结构用钢量相关因此节省用钢量对降低工程造价是很见效的
2上部钢结构造价与全部结构造价及工程造价的比例关系
全部结构造价包括上部钢结构外还包括影响较大的基础造价和地下室造价基础造价与地基土条件有很大的关系软土地基时的桩基费用相当高对于一般性高层建筑上部钢结构造价约为全部结构造价的6070工程造价除包括全部结构造价外还包括费用很高的建筑装修及电梯机电设备等粗略估计时一般全部结构造价约为工程造价的2030相应地上部钢结构约为工程造价的1520
3采用钢结构的综合经济效益
由上述可知上部钢结构的造价一般为工程造价的1520而一般工程造价约为工程总投资包括拆迁购地及市政设施增容费用等的5070相应地上部钢结构造价约为工程总投资的815因此钢结构与钢筋混凝土结构间的差价约为工程总投资的
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