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1、結構選型建筑體系實例分析 建筑1002班 何流 14號一 體育館建筑-（鋼架；桁架結構體系）二 高層建筑 -（剪力墻；筒中筒結構體系）三 博物館建筑-（懸索；網殼結構體系）一體育館建筑鋼架結構體系概述 鋼結構是把各種型鋼或鋼板通過焊接或螺栓連接等方法組成基本構件根據使用要求按照一定的規律制造而成的工程結構。鋼結構在工程建設中應用較廣如高層建筑、大跨度空間結構、輕鋼結構、工業廠房道路工程中的鋼橋水工建筑中的鋼閘門、加油站的鋼頂棚等。具有材料的強度高，塑性和韌性好；材質均勻，和力學計算的假定比較符合；制作簡便，施工周期短；質量輕；鋼材耐腐蝕性差；鋼材耐熱，但不耐火；等優點桁架結構體系概述桁架結構中2、的桁架指的是桁架梁，是格構化的一種梁式結構。桁架結構常用于大跨度的廠房、展覽館、體育館和橋梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋蓋結構，桁架通常也被稱作屋架。當涉及大跨度或重荷載時，用于建筑的屋蓋結構的桁架通常稱作屋架，桁架要比梁更經濟。桁架，是由一些細長直桿按適當方式分別在兩端連接而成的幾何形狀不變的結構。桁架按其材料可分為木桁架、鋼筋混凝土桁架、鋼桁架。本人針對以上兩種常常同時出現的結構體系，進行了實地調研。實例工程項目一 南京奧體中心體育場屋蓋鋼結構工程概況 南京奧林匹克體育中心位于南京市城西秦淮河與長江之間的河西新城區中心區域,它東臨江東南路,南毗青石埂路、西連上新河路、北接緯八路,占地3、面積89.6公頃,總建筑面積約40萬m2。 體育場的俯視平面為直徑285.60 m的圓。整個體育場建筑造型風格獨特,具有自由動態感。主體結構為部分預應力鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系(27層) 結構形式 體育場的屋蓋結構體系是由跨度達376 m、傾斜45的變斷面三角桁架拱與平行設置的鋼箱梁和平面支撐形成的單層馬鞍形殼組成的空間結構,其大拱的支座處水平推力達13 000 kN。設計最終采用的拱腳為固接,并要求其支座處水平位移控制在6 mm以內,否則屋蓋結構在計算時要考慮水平位移對整個屋蓋結構的影響。 該結構的屋頂組合鋼結構為由跨越東西看臺上空的變斷面三角桁架拱(跨度為372.140m,矢高64m4、,與水平面傾斜45)及穿越比賽場地的地下連接兩拱腳的“弦”(長400m的825根預應力鋼絞線)組成的大雙“弓”,跨越南北面看臺前沿上空的跨度140m的懸索狀鋼管,覆蓋整個看臺上空的104根平行的箱形梁和其間支撐形成的馬鞍形殼和箱梁后端的V形支撐共同組成的空間鋼結構體系。 因此,整個屋頂結構傳力途徑復雜,屋面部分荷載通過拱傳給基礎,部分由屋面箱梁后端的V形支撐通過看臺鋼筋混凝土框架結構體系傳給基礎,力的分配因各種荷載組合工況不同而異。“弦”的作用主要是使樁基礎不承受拱傳來的達113萬kN的南北向水平推力,使拱支座不產生水平位移。東西向的水平推力由兩相對稱的拱腳下的地梁平衡。 a - 平面 ; b5、 - 軸側 ;c - 立面 ; d - 端部立面 屋蓋結構示意斜放“弓”結構的設計 弓結構的弓背拱的設計是變斷面等腰三角形桁架鋼拱,底邊由中間的寬15m變至5m。高由7m變至2m。材質為Q345-C,為美觀起見,主管外徑均為1000,壁厚為2060mm。拱的設計重點在拱腳和節點上。將三根主管直接埋入拱腳頂標高為7100 m鋼筋混凝土墩內固定 。作為“弓”結構的弦預留在連接每條拱相對的兩個拱墩的地梁中的824根1512無粘結預應力筋也在拱墩基座中錨固。設計總控制張拉力20000kN,實測數據表明拱腳位移最大為215mm,證明拱在最不利的荷載組合下基本上無水平位移產生。屋架設計 南京奧林匹克體育中6、心體育館屋架由14榀大跨曲面鋼管桁架構成,整個屋面似一個空間球面,平面尺寸為120m110m,采用計算機同步控制液壓牽引的曲面滑移技術就位,滑移軌道擱置在異形曲面的框架柱頂面上。需要滑移的主桁架計12榀,每榀單重約8097t;最大跨距104.4m,最大高度約6m,標準間主桁架水平投影間距8.6m,第114榀桁架的水平投影距離約111.8m。滑移弧線軌道半徑約359m,滑移弧線軌道最低點與弧線軌道最高點高差約4.3m。次桁架及主桁架間支撐構件共計13個單元,每個單元重約30t,整個滑移區域總重約計1 661t。實例工程項目 二南京奧體體育科技中心觀光塔工程概況 南京奧體體育科技中心位于南京奧體中7、心的西南隅,由九層主樓(體育新聞中心),四層裙房(行政管理中心)和觀光塔三部分組成,其中裙房與觀光塔相連,與主樓以抗震縫脫開。觀光塔由主塔塔身、弧形桁架和觀光平臺三部分組成,弧形桁架底部設置兩根鋼柱斜撐。主塔塔身布置有兩座觀光電梯和一座外露的消防樓梯,主塔塔身頂點標高110m,桅桿頂點標高145.3m。2005年5月建成后的觀光塔已成為整個體育中心的一個亮點。結構形式 觀光塔采用鋼結構,結構體系為框架-支撐體系,下圖為塔身平面圖和塔身豎向支撐體系布置圖,下右圖為弧形桁架結構空間視圖。塔身在31.2m標高以上采用了6根80018鋼管混凝土柱和2根組合柱;31.2m標高以下,利用被裙房包裹的消防樓8、梯間設置了壁厚為500mm的混凝土筒體。框架梁截面HW4004001321,結合消防樓梯層高,沿塔身高度方向布置間距為2.6m。觀光平臺采用空間鋼桁架體系,上下平臺均為環向不對稱懸挑,其中下平臺面標高為101.70m,沿正立面懸挑長度左端為8.3m,右端為15.7m,平臺樓面采用壓型鋼板-現澆混凝土組合樓板,現澆混凝土厚75mm。弧形桁架節間豎向距離10m,弦桿采用90012鋼管,在斜腹桿與桁架弦桿的節點處共采用了11個鑄鋼節點。鋼材材質為Q345B,鋼管混凝土柱內混凝土標號為 C40。結構特點觀光塔具有以下一些主要結構特點:(1)主塔高寬比大,為110/7=15.7;(2)塔身在31.2m標9、高處豎向截面突變;(3)觀光平臺不對稱懸挑,結構質心與剛心不重合;(4)弧形桁架,觀光平臺與塔身三者之間應能較好地共同工作;(5)舒適度指標控制。設計措施針對觀光塔高、柔、不對稱性等特點,設計中采取了以下針對性措施:(1)采用鋼管混凝土柱,抗側能力強,且增加了結構質量,結構頂點加速度易滿足;(2)將塔身中部的2根80018鋼管混凝土柱改為兩根“啞鈴形”鋼管混凝土組合柱,組合柱由2根80018鋼管通過20mm厚鋼板連接組成,結構在兩個方向的抗側移能力,尤其在X方向大幅增強,靜力計算風荷載作用下的塔身頂點位移在X和Y方向分別下降了28.4%和19.8%;(3)塔身在31.2m標高以下利用外擴樓梯間10、設置3m7.4m的混凝土筒體,并將塔身中部范圍內筒體墻厚加厚至500mm;(4)立面和觀光要求在、軸及觀光電梯的兩個側面不允許布置豎向支撐,且觀光梯三個外立面處相應橫梁間距由2.60m增加到5.20m,塔身在Y方向僅有軸線一道豎向支撐。為解決該方向抗側能力的不足,控制平面扭轉,消防剪刀梯采用梁式做法,梯梁為兩根20040012方鋼管,與加強后的樓梯平臺一起構成該方向的X形交叉支撐;(5)31.2m標高塔身豎向平面轉換采用18mm厚鋼板剪力墻過渡,過渡范圍沿高度為2.90m;(6)觀光層上下平臺間沿露天平臺內側環向設置22根24512的吊柱和柱間支撐,如圖5所示,利用上下平臺形成的連接剛度,以達11、到減少平臺扭轉和降低下平臺撓度的目的;(7)下部弧形桁架支座采用萬向轉動球鉸支座,設計內力為:最大水平剪力設計值Vmax=800kN,最大軸力設計值Nmax=3000kN實例工程項目三南京奧體新聞科技中心工程概況 南京奧體新聞科技中心位于南京市河西地區,為全國第十屆運動會的新聞辦公中心。結構整體東西長123m,南北寬47m,主體結構為九層,外帶局部裙房和高為110m的觀光塔,科技中心的屋蓋結構為空間弧形鋼結構體系。結構形式 主體結構是由對稱的兩個矩形結構組成,通過一系列空中連廊將這兩個結構連為整體,下部結構采用了八個V形柱和托梁來支承上部結構,如下圖所示。主體結構為混凝土框架2剪力墻結構體系,12、結構層1高6.4m,層2高3.5m,層3高5.0m,層4以上高3.8m。整個結構的混凝土強度等級為:層13梁為C40,柱和剪力墻為C45;層49梁、柱和剪力墻均為C40。屋蓋結構為空間交叉桁架體系,以兩邊空間主桁架為主要受力體系,中間通過空間次桁架來連接兩主桁架。結構布置 體育科技中心屋蓋結構為縱向對稱的空間鋼結構,是由兩片空間交叉弧形鋼桁架組成,且兩片空間交叉弧形鋼桁架在豎向存在一定落差。左片空間交叉弧形鋼桁架又是由2榀縱向空間弧形主桁架和15榀橫向次桁架組成的;右片空間交叉弧形鋼桁架也是由2榀縱向空間弧形主桁架和18榀橫向次桁架組成的,如圖所示。空間交叉桁架桿件采用熱軋無縫鋼管,鋼材材質為13、Q345B。體育科技中心屋蓋在水平方向的投影長度為118.45m,而橫向寬度是漸變的。整個屋蓋左右兩片空間交叉弧形鋼桁架上均要開洞。屋蓋鋼結構空間弧形主桁架與下部混凝土結構之間的連接是通過四角錐體系來實現的,屋蓋懸挑鋼結構與附屬混凝土結構是通過一些搖擺柱來實現連接的。二高層建筑剪力墻結構體系概述 剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力。鋼筋混凝土墻板能承受豎向和水平力，它的剛度很大，空間整體性好，房間內不外露梁、柱楞角，便于室內布置，方便使用。剪力墻結構形式是高層住宅采用最為廣泛的一種結構形式。其墻體同時也起圍護及分割房間的作用。14、整體性好，剛度大，抗震性能好，適于建造高層建筑。不過剪力墻間距太小，平面布置不靈活，自重大，不適應建造公共建筑，一般適用于建造住宅。剪力墻結構體系主要有：框架-剪力墻結構、剪力墻結構、框支剪力墻結構、筒式結構等四大類。筒中筒結構體系概述筒中筒結構由心腹筒、框筒及桁架筒組合，一般心腹筒在內，框筒或桁架筒在外，由內外筒共同抵抗水平力作用。由剪力墻圍成的筒體稱為實腹筒，在實腹筒墻體上開有規則排列的窗洞形成的開孔筒體稱為框筒；筒體四壁由豎桿和斜桿形成的桁架組成則稱為桁架筒。結構體系是指結構抵抗外部作用的構件組成方式。在高層建筑中，抵抗水平力是設計的主要矛盾，因此抗側力結構體系的確定和設計成為結構設計的15、關鍵問題。高層建筑中基本的抗側力單元是框架、剪力墻、實腹筒（又稱井筒）、框筒及支撐由這幾種單元可以組成多種結構體系。實例工程項目 一北京保利國際廣場主塔樓工程概況 保利國際廣場項目位于北京市朝陽區大望京村項目包括三棟辦公塔樓塔樓1即地標塔樓，是項目中最高的塔樓，共32層，結構主體高度161.2m塔樓2共17層，高80m塔樓3共13層，高66m地下共有3層，地下一層主要功能為商業，地下二層和地下三層主要為車庫基礎埋深17.6m，基礎形式為樁筏+平板基礎，超高層塔樓1下采用800大直徑后壓漿灌注樁，塔樓2，3和裙樓部分采用平板基礎。 塔樓1建筑方案由美國SOM公司設計，采用獨特的鉆石型折疊網格造型16、結構體系依據建筑體型，采用交叉網格筒中筒體系，外筒為鋼管混凝土斜柱構成的交叉網格結構，無豎直柱子，內筒為鋼筋混凝土剪力墻核心筒。抗側力體系 塔樓1的抗側力結構體系包括獨特折疊外形的交叉網格外筒和鋼筋混凝土核心筒剪力墻交叉網格外筒的組成包括:1)斜向構件，以一定角度(約45)傾斜相交的斜柱，斜柱每根跨兩層;2)水平構件，由外環梁和徑向梁構成，外環梁沿外周邊每兩層設置一圈，連接網格柱節點，徑向梁支承于交叉網格節點和核心筒之間作為一種新穎的框筒體系，交叉網格筒體的受力性能與一般框筒有很大差別。豎向承重體系 塔樓1的樓蓋承重體系由鋼梁支承的壓型鋼板組合樓板構成，核心筒外樓板厚度120mm由于外網格斜柱17、跨越兩層，因此樓層自然劃分為節點樓層和中間樓層，樓層平面每四層重復一次節點樓層的標高與斜柱端節點對應，承重梁為一端支承在邊梁另一端支承在核心筒剪力墻的組合鋼梁中間樓層的標高與斜柱中點對應，為避免地震作用下柱中受到較大的側向力，樓蓋 與網格柱不連接，采用吊柱支承邊梁，吊柱荷載通過徑向主梁傳遞到上層斜網格節點處。與交叉網格節點相連的外環梁除承擔本層樓面荷載外，還由于環箍效應而軸向受拉在1.2恒載+1.4活載工況下，下部樓層的外環梁軸力設計值最大達到2900kN環梁構件采用寬翼緣H型鋼或者箱形截面，并形成閉合環。 與交叉網格相連的徑向主梁既承受本層樓面荷載，還要通過吊柱承擔其下方的中間樓層荷載，同時18、還由于約束網格節點的徑向變形趨勢而受到很大的軸向拉力在1.2恒載+1.4活載工況下，下部樓層的徑向梁軸力設計值最大可達到11280kN為了有效傳遞軸向力，徑向主梁與核心筒內的鋼骨梁直接相連，鋼骨梁按與徑向梁軸向受拉等強設計 核心筒內的樓板由鋼筋混凝土梁和厚150mm樓板組成周邊斜網格系統支承直接與之相連的外幕墻荷載實例工程項目 二南京紫峰大廈工程概況南京紫峰大廈鋼結構工程與鼓樓大廈相鄰，位于南京市鼓樓廣場西北角，東至中央路，西至北京西路，南接中山北路，是集酒店、辦公于一體的超五星級建筑，總建筑面積261075m2，主樓地下4層，地上70層，標高+381.0m，屋頂天線桅桿頂標高+450m。樓層19、標準層高4.2m和3.8 m，局部非標準層高6m和7m，桁架層和設備層高8.4m。結構體系 紫峰大廈采用了帶有加強層的框架一核心筒混合結構體系，采用型鋼混凝土柱、鋼梁和鋼筋混凝土核心筒，在層10、層35、層60處共設置了三個加強層。核心筒位于結構三角形平而的中心位置，見蚓3，其而積大約占整個結構平而而積的27%，剪力墻厚度在1500mm到400mm范同內變化，各片剪力墑通過連梁連接構成一個封閉的筒體，為結構提供了大部分的抗側剛度和抗扭剛度。型鋼混凝土組合柱的直徑在1750mm到900mm范圍內變化。外圍抗彎矩鋼梁一般為W600 x180xlOx16。在每個加強層處，放置了8.4m高的伸臂桁架把20、周邊型鋼混凝上柱與核心筒連接在一起，并配合伸臂桁架還設置了周邊帶狀桁架，把周邊型鋼混凝土柱連接在一起，從而使柱子更加均勻受力。外伸桁架與帶狀桁架的設置顯著增強了結構的抗側移能力。周邊的型鋼混凝土柱與劇邊鋼梁剛性連接，構成抗彎矩框架，形成了主樓的第二道抗側力體系。 從基礎底面到22層高度范圍內核心筒外圍剪力墻厚度一般為1m，核心筒三角形頂部剪力墻厚度一般為1.2m，最頂部的一片剪力墻厚度為1.5m;從23層到60層高度范圍內核心筒外圍剪力墻厚度一般為0.8m，核心筒三角形頂部剪力墻厚度一般為l.Om，最頂部的片剪力墻厚度為1.2m;在36層處，核心筒三角形底邊內收一格減小，在61層以上，核心筒外21、圍剪力墻厚度一般為0.4m，核心筒三角形頂部剪力墻厚度為0.6m。紫峰大廈的重力荷載抗力結構體系是鋼筋混凝土核心筒支承筒內的鋼筋混凝土樓板，外圍組合柱、抗彎矩鋼粱、核心筒剪力墻和鋼混組合梁支承著壓型鋼板混凝土組合樓板。桁架層體系 桁架層分布于F10F11、F35F36、F60F61層，包括伸臂桁架和帶狀桁架，桁架層高8.4m。伸臂桁架主要包括筒內勁性伸臂桁架、筒外外挑伸臂桁架和外圍框架柱，連接節點形式均采用高強螺栓連接，單榀重量約750t，最大構件重量14.7t，外圍框架柱最大構件重量21.6t。帶狀桁架連接節點采用翼緣板焊接腹板高強螺栓連接的組合形式，單榀重量約200噸，最大構件重量10t。22、三 博物館建筑網架結構體系概述網架結構體系是一種新興的屋蓋結構，它是由平面桁架發展起來的，由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連結而成的空間結構。由于以桁架代替了梁，所以，網架系統的雙向作用可以用來跨越更大的面積，是一種大面積的剛性覆蓋結構。因此，具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優點；可用作體育館、 影劇院、展覽廳、候車廳、體育場看臺雨篷、飛機庫等，按其外形的不同，可分為曲面網架和平面網架兩類。懸索結構體系概述懸索結構是以一系列的受拉的鋼索（或拉條）作為主要承重構件，鋼索按一定規律組成各種不同形式的結構體系，并懸掛在相應的支承結構上。懸索一般采用由高強度鋼絲組成的鋼鉸線、鋼絲繩或鋼絲23、束，也可以采用圓鋼筋或帶狀薄鋼板。懸索結構通過鋼索的軸向拉伸來抵抗外部的載荷作用，可以最充分地利用鋼材的抗拉強度，采用高強度鋼材時，更可大大的減輕結構自重。它的主要特點是受力合理，可以充分的利用高強度鋼索的性能，能較經濟的跨越很大的跨度。懸索結構便于建筑造型，適用于多樣的平面圖形和外形輪廓，能較自由的滿足各種建筑功能的要求。實例工程項目 一金沙遺址采光屋頂工程概況 成都金沙遺址博物館位于成都市城西金沙遺址路2號,屬遺址類博物館,是國務院公布的第六批全國重點文物保護單位。總建筑面積約38 000m2,主要由遺跡館、陳列館、文物保護中心、生態環境園林區、游客接待中心等部分組成。采光屋頂預應力懸索屬24、于陳列館的屋頂部分,其跨度為23m。結構體系 該工程采用結構形式為懸索結構,屋頂平面近似為圓形,直徑約為23m,矢高為2m。上層索網和下層索網之間通過不銹鋼撐桿相連,中間設置1個不銹鋼內環梁和三圈環索,形成一個穩定的受力體系。徑向索由上、下層兩部分,均有24根,采用索型為BRUGGSpiral Strand 161型, 26mm,強度1 450MPa,固定端采用OPEN SWAGED SOCKET Stainless Steel,調節端采用TURNBUCKLEWITHOPENSOCKETStainless Steel。環向索采用索型為BRUGG Spiral Strand 161型, 20mm25、,強度等級1 450MPa,索端采用OPEN SWAGED SOCKETStainless Steel的壓接頭,索端連接處采用調節套筒。結構如圖所示。節點設計 結構鋼索相關節點主要有3部分,第1部分為上層徑向索、上層環索及撐桿的連接;第2部分為下層徑向索、下層環向索及撐桿的連接;第3部分為內環梁節點。采光屋頂屋面懸索結構所有撐桿及節點配件均采用不銹鋼,節點構造簡潔明快、精致美觀,構造形式采用一字形和十字形兩種。為滿足建筑設計要求,撐桿上節點玻璃屋面與索網之間的連接采用與點支玻璃幕墻相同的方式:在每個不銹鋼撐桿的位置都伸出一個駁接爪,用以支撐上面的玻璃。由于鋼索采用一端張拉,一端固定,所以徑向索26、與外環梁連接采用1塊耳板加2塊焊接補強板。實例工程項目 二上海科技館工程概況 上海科技館位于上海浦東花木行政中心區,場地面積68 726m2,主樓建筑面積88 000m2,最高層數4層,最高點49m,層高10m。建筑設計由美國RTKL和上海建筑設計研究院完成,結構設計由上海建筑設計研究院完成。 在建筑物中軸線上有一由單層網殼和通透玻璃組成的橢圓球體大廳,是建筑設計中的重點。球體在整個建筑物中相對獨立,與周邊脫離,形成一個巨型通透中庭空間。結構體系 科技館橢圓形球體結構單層網殼的長軸67m,短軸51m,橢球體為沿橢圓平面長軸旋轉體,削去下半部分而成。球高42.2m。球體兩側各開有寬9m、高16m27、的大門洞,端部有個寬9m、高5m的小門洞。球體下端支座分成兩個標高,分別在首層及地下層1平面。 根據建筑使用功能的要求、網殼靜力特性的要求及荷載傳遞方式的要求,網殼結構采用聯方型與凱威特型相結合的形式。在接近赤道的上下部位采用了聯方型,而在頂部部分則采用凱威特型。確定結構形式后,網格數和網格尺寸即可確定。鋼網殼結構由上海建筑設計研究院設計,設計基本情況為圓鋼管單層網殼結構,三種截面尺寸分別為 1596, 2198, 27312,節點采用獨創的空心焊接鼓形節點,有限元分析采用剛節點計算模型;鋁網殼結構由Temcor公司設計,桿件斷面為H形,高254mm,寬分別為158,172,215mm三種,桿件材料為鋁合金型材6061-T6,節點形式為板式節點,板平面為圓盤形,直徑分別為400,450mm,材料為鋁合金6061-T6,緊固螺栓為305系列不銹鋼,緊固螺帽為6061熱處理鋁合金。