高等钢结构概述2015

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通过上述四点改进,用钢量可由200㎏/㎡降低到约80㎏/㎡。
某预应力钢桁架：
（Prestressed steel truss）
1 2 3 4
钢结构精心设计的四大步骤 结构方案（概念设计） OK 结构截面高度 NG 构件布局（短程传力、形态学与拓朴原理） 结点（node）小型化
gk A（kN/m) 梁的重力：
钢桁架
预应力
——重力密度（kN/m3)
F= ma=kg ·m/s2=N（牛顿）
由于，索穹顶是通过施加预应力获取刚度（刚化），它的科技含量最高，如美
国亚特兰大乔治亚索膜穹顶（Georgia Dome）等。因此，索结构最能实现结构哲理： 少费多用（more with less）——用最少的结构提供最大的结构承截力（Doing the Most with the Least ）。
1.天蓬支架环；
2.装饰围护环； 3.看台面板环；
4.看台支架环；
5.地面看台环。
1和4的材料为旧钢管；
3和5的材料为低碳混凝土； 2的材料为纤维布。
“伦敦碗”（2012年）
北京“鸟巢”（2008年）
1996年第26届奥运会亚特兰大主体育馆，椭圆平面：240.79m×192.02m） （屋顶+外环）用钢量=（30+57）㎏/㎡
绿色建筑：在建筑全寿命周期内，最大限度 地节约资源（节能、节地、节水、 节材），保护环境和减少污染，为 人们提供健康、适应和高效的使 用空间，与自然和谐共生的建筑。 定义：绿色建筑为人类提供一个健康、舒适 的活动空间，同时最高效率地利用能 源、最低限度地影响环境的建筑物。 内容：①节约能源；②建筑适应气候；③材 料资源的再生利用；④尊重用户；⑤ 尊重地理环境；⑥整体的设计观。
序号 工程
用钢量(kg/m2 ) （屋顶+外环）
710～881 （屋盖弯矩结构） 200 （屋盖弯矩结构）
① ②
鸟巢（平面桁架系结构[62] ） 椭圆平面：332.3m×297.3m 广东奥林匹克体育场（桁架） 悬臂52.4 m
③
④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨
汉城体育馆（索穹顶，D=120m）
美国乔治亚体育馆 椭圆240.79m×192.02m
钢结构精心设计的四大步骤[19][1][2]
1 结构方案（概念设计） 2 结构截面高度 3 构件布局（短程传力、形态学与拓朴原理） 4 结点（node）小型化 其中，第1、2步极为重要。为了正确选择结 构方案（概念设计），首先必须进行结构分类。
1 2 3 4
钢结构精心设计的四大步骤 结构方案（概念设计） OK 结构截面高度 NG 构件布局（短程传力、形态学与拓朴原理） 结点（node）小型化
屋盖空间结构（形效结构）
屋盖弯矩结构
高层空间结构（三维体结构）
轻屋面大跨度屋盖结构
桁架与索穹顶的用钢量比较
桁架的用钢量与跨度的平方（L2）成正比，当L=100m时，用钢量约80kg/m2。鸟巢（平面桁架系体系[62] ）
L=280m，用钢量：（280/100）2×80=627.2kg/m2，鸟巢实际用钢量：(710~881)kg/m2（曲线b) 。
福斯桥(1886)已采用大量的平炉钢,但埃菲尔仍坚持采 用锻铁，显示结构设计水平。
(b) 巨型框架体系单元体
结构剖面
悬挂楼盖系统
结点（node）设计是关键
日本空中城市大厦-1000
严格区分：结构(Structure)与构件(Structural Member)
图示桁架，平板网架，它们都是由轴力构件(Axial Force-Resisting Members)组成的弯矩结构， 汉考克中心是由轴力构件和压弯构件(Beam-Column Members)组成的弯矩结构等。
Hs=3051.6m （Steel） Hc=709.3m （Concrete） 最短的工期 工厂焊接、工地高强螺栓拼装 最好的延性 钢材伸长率 结构延性比 （Du——极限位移）
1 钢结构固有的三大核心价值
最轻的结构
假想强度受压高度 H f
k
/
：Hs=3051.6m (steel)
Hc=709.3m (concrete)
最短的工期
工厂焊接、工地高强螺栓拼装
最好的延性
结构钢伸长率
5 20%
结构延性比
Du / Dy : s 7 ~ 8 、 c 3 ~ 4
这些核心价值导致最优的结构抗震性能，2011年3月11日，日本9 级大地震就说明了这一点。因此，在大跨度钢屋盖和高层全钢结构 中，100多年来，先进国家大量采用钢结构，并能基本上实现了以上 三个优点。
珠江的水，波涛滚滚
广东奥林匹克体育场
(美国Nixon Ellerbe Racket ( NEB )公司中标，2001)
弯矩结构
最大受压杆
通过对MT径向主桁架的精心设计,即减小弦杆内力、提高 值：
① 桁架高度：h=（1/7～1/8）变高度：h=3m～7m ② H型钢弦杆 ③ 用弱支撑连接两片“波涛”增加整体性，满足“小震不坏，大震不 倒”。 ④ 拉索由
创新？ yes 框筒结构
（密柱+深梁）
No
屋盖弯矩结构（用于中、小跨度） 板梁 桁架 张弦梁（一、二维） 格栅 网架 门式框架
-
悬挂结构 巨型结构
索网、双层索系、索膜穹顶 （柔性结构）
弦支穹顶Suspen-Dome （杂交结构）
3 现代钢结构设计最关键的两大步骤
——正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度
15+ （屋盖空间结构）
30[19]+ （屋盖空间结构）
理论分析：索穹顶的maxL=400m[19] 国家大剧院（网壳） 椭圆平面212m×143m 深圳宝安体育馆[24] 辐射桁架，D =101.4m，悬臂48.295m 湛江电厂干煤棚[25] （四柱支承平板网架，柱距79.8m） 老山自行车馆（四角锥网壳） D=133m
292 （屋盖空间结构） 68 （屋盖弯矩结构） 70.3 （屋盖弯矩结构） 60+40 （屋盖空间结构）
用钢量与跨度 索穹顶的用钢量不按D2增加，随着索穹顶跨度的增大，用钢量相对增加不多,比较序号③与④(曲线a）。
建筑钢结构分类框图
建筑钢结构
多、高层结构
No 框 架 、 框 架 支 撑
大跨度屋盖？ （大跨度＞100m） yes 好结构？ yes 屋盖空间结构 （形效结构） yes 创新？ No 网壳Lattice shell （刚性结构） No
(Steel)
16.7 106 H c fck / c 709.3m (Concrete) 2400 9.81
Hs、Hc ——钢、砼材料在自重下强度破坏时的最大假想受压高度
结构延性比（Ductility ratio）
S 7 ~ 8（钢结构）
Du / Dy
RC 3 ~ 4（RC结构）
中国国家大剧院
China Country Big Theater
国家大剧院选网壳结构 OK！而截面尺寸选择太大 No Good！
下沉式建筑（安德鲁）
椭圆平面：2.381万m2
美国建筑师M.G. Smith的回归分析11种 166个工程[23]（1963）
国家大剧院（2004）
用钢量：0.695万t[21] 即， 292kg/m2
图1-3 鸟巢
图1-4 乔治亚索穹顶
传力 维数
结构新分类
轴力结构
（Axial Force-Resisting Stru. ）
旧分类
弯矩结构
（Moment-Resisting Structures）
屋盖空间结构（形效结构）
（大跨度L＞100m）
屋盖弯矩结构
（中、小跨度） 板梁，桁架，张弦梁 格栅，网架，张弦梁
Βιβλιοθήκη Baidu
结构的延性比
最短的工期——工厂焊接单元、工地高强螺栓拼装（精度高、结点延性好与耗能）
高强螺栓(High Strength Bolts)
大六角头型（8.8级、10.9级)
扭剪型
(10.9级)
10.9级：fu=1000N/mm2，fy / fu=0.9
2012年伦敦奥运会主体育场——伦敦碗
伦敦碗由五层结构环组成：
轻屋面边（端）支承屋盖钢结构的跨度L（或直径D）和结构截面高度 h的适用范围
一维 参数 L 或D （m） 实腹梁 ＜30
L L ~ 15 20
二维 张弦梁 ＜90
L 10
三维 张弦梁 ＜100
L 12
桁架 ＜80
L L ~ 10 14
格栅 ＜35
L L ~ 25 30
网架 ＜100
L L ~ 12 16
美国乔治亚穹顶
2008年第29届奥运会国家体育场，瑞士赫尔佐格、德梅隆中标，平面桁架系结构。 椭圆平面：332.3m×297.3m，中央开洞口：185.3m×127.5m，用钢量710-881㎏/㎡
鸟巢（Brid,s Nest）
2 结构新分类
弯矩结构
（Moment-Resisting Structures）
轴力结构
（Axial Force-Resisting Structures）
空间结构中的分类问题？
空间结构的优点一般表现为：（1）自重轻……；（2）便于工业化生产……；（3）刚 度好……；（4）造型美观……。 正因为空间结构具有这样的优点，才使其在大型体育馆、歌剧院、会展中心、候机大 厅等大跨度公共建筑设施中得到广泛应用……。如图1-3所示是我国为2008年北京奥运会 而兴建的主体育场鸟巢；如图1-4所示是1996年美国亚特兰大奥运会主场馆乔治亚穹顶。 这些建筑物的建造同时也极大的推动了空间结构的发展和受关注程度。
球面网壳 ≤100m(单层) ≤150m(双层)
弦支穹顶 Dmax=150
索穹顶 Dmax=200
h
双层
多、高层结构
框架、框架-支撑、框筒、巨型 结构、悬挂体系
一 二 三 刚性结构，网壳 柔性结构，索穹顶、索网、
单双层索系 杂交结构，弦支穹顶
板梁，桁架 网架 网壳 高层建筑
Tall Building:
[16]
直接作用 间接作用
[43]
一维弯矩结构 ① 力臂加大 ② H/B=4~6
金茂大厦（Jin Mao Building，上海浦东 n =88，H=421m，1999年）
轴力结构
一维 受压构件：N=M/h
弯矩结构
二维
顶平面：30.5m×50.3m
桁架 (Truss)
一维
平板网架
网壳 (Lattice shell)
二维
弦支穹顶(Suspened Dome)
张弦梁(String Beam)
约翰· 汉考克大厦（1969）
（ H=343.5mn=100，145kg/m2 ）
结构方案（概念设计）
截面h
h/l=8/45.6 l=45.6m＜100m 选 =1/5.7＞1/18~1/15 弯矩结构（桁架） NG! OK！
正确估计结构截面高度
普 通
h=(1/14~1/10)l，当l=45.6m时 h=3.3m~4.56m h=(1/18~1/15)l，当l=45.6m时 h=2.53m~3.04m
课程讨论选题
国内外该方面研究状况文献查询； 每位同学根据文献检索，归纳后（用某一专题如不 同类型钢结构体系在工程中的应用）以PPT形式进 行15分钟汇报； 汇报作为课程成绩评定依据之一； PPT汇报要点：工程背景、研究内容、应用概述、 归纳总结（优缺点）。 成绩评定：到课率20%、汇报20%；期末考核60%。
第1章 高等钢结构概述
传统结构 现代结构 结构尺寸大，刚度大。厚钢板焊 新材料、新技术，并采用减震技术：隔 接延性差，导致地震力也大。 震、消能、主（被）动控制，结构构件 小，结点小型化。
钢结构
钢结构固有的三大核心价值[1] 最轻的结构 假想强度受压高度：
（ ——强度标准， ——重力密度）
绿色建筑
钢试件的强度高、延性好
Hs Hc 表1 最轻的结构：
材料 钢（Steel，Q345） 砼（Concrete，C50） 比例 重力密度 （kgf/m3） 7850 2400 3.27 强度
f k（N/mm2）
345 23.1 14.9
235N/mm2 235N/(10-3m) 2 Hs fsk / s 3051.6m 3 3 7850kgf/m 7850 9.81N/m
弯矩结构
1889年为庆祝法国大革命而建造。是巴黎博览会标志性 建筑 ( 受力合理、雄伟壮观 )。塔脚由四个角铁和扁铁构成 桁架柱。锻铁用量：Q = 0.73万t
如果结构不合理，当时的锻铁强度就建不起这么高的 高耸结构（high rise structure)。
埃菲尔铁塔
（ H=321m 、锻铁铆接结构）