建筑结构选型作业

广州大学 继续教育学院深圳点 建 筑 结 构 选 型 课 程 作 业 班 级：2011 建筑学 班 学 号：154 号 姓 名：何显鳌 指导老师：刘坚 目录 001-封面 002-目录 003-第一考核题：结构选型体系实例分析 004-混合结构体系 005-框架结构体系 006-剪力墙结构体系 007-门式刚架结构体系 008-桁架结构体系 009-第二考核题：结构形式实例的选择及论证 010-实例结构设计选择的论证 011-实例负二层平面图 012-实例负一层平面图 013-实例一层平面图 014-实例二层平面图 015-实例三层平面图 016-实例四层平面图 017-实例五至十四层平面图 3 第一考核题 结 构 选 型 体 系 实 例 分 析 1混合结构体系 1.1混合结构体系概述： 按照目前国内外的一般认识, 广义的混合结构(Mixed or Hybrid structures) 系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。混合的目的是希望得到单一 结构不具有的结构性能或发挥多种结构合理、有序地/ 混合0 之后结构体系的 综合性能。对于超高层建筑结构, 钢和混凝土所构成的构件( 钢筋混凝土、型 钢钢筋混凝土、纯钢) 和子结构是多种多样的, 从理论上来讲这些不同构件和 子结构混合使用后所构成的混合结构体系是多种多样的。尽管混合结构已经在 国内外有大量实际工程应用, 但是对混合结构全面系统的研究工作尚不充分, 在我国更是如此,实践走在了理论的前面。 1.2 实例工程项目概况 大连远洋大厦由中国远洋运输集团和大连远洋运输总公司投资兴建， 位于大连市友好广场东侧，本工程由国内设计，采用国产钢材，国内加工制作， 由国内施工单位总承包施工的全国产化工程。大厦南北长 150m、东西宽 56.3m，占地面积 13000m2，总建筑面积 13.9万 m2。 大连远洋大厦由中国远洋运输集团和大连远洋运输总公司投资兴建，位于 大连市友好广场东侧，本工程由国内设计，采用国产钢材，国内加工制作，由 国内施工单位总承包施工的全国产化工程。大厦南北长 150m、东西宽 56.3m， 占地面积 13000m2，总建筑面积 13.9万 m2。 1.3 实例工程项目结构选型与结构布置分析 图1 所示为大连远洋大厦典型层的结构平面图,该结构为典型的钢框架+ 钢筋混凝土内筒混合结构体系。图2 所示为典型的钢外筒+ 钢筋混凝土内筒混 合结构体系。 5 图（1） 图（2） 图1 所示混合结构的钢筋混凝土内筒是主要或唯一的抗侧力竖向构件, 所以内 筒的设计非常关键。图2 所示混合结构内外筒共同抵抗水平力, 可有效减小内 筒在水平力作用下抗倾覆力矩所产生的拉应力, 适合于地震区。 在钢框架+ 钢筋混凝土筒体和型钢混凝土框架+钢筋混凝土筒体两种混合结构体 系中, 钢筋混凝土芯筒在各个方向都具有较大的抗侧刚度, 成为结构体系的主 要抗侧力子结构, 将承受地震作用和风荷载所产生的大部分水平荷载。核芯筒 外围的框架主要承受竖向荷载, 并分担按刚度分配所得的一部分水平荷载。与 型钢混凝土框架+ 钢筋混凝土筒体混合结构相比,钢框架+ 钢筋混凝土筒体结构 中的混凝土核芯筒刚度在结构体系总刚度中所占的比重更大, 承担的地震作用 也更多, 外钢框架只承担了极小的地震作用。我国已有的工程实践和试验研究 表明, 混凝土核芯筒结构刚度相对有余, 强度不足, 外钢框架强度相对有余, 刚度不足, 使得这种混合结构体系的抗震性能不协调。当结构体系遭受罕遇大 震时, 塑性铰主要出现在混凝土核芯筒上, 这样的塑性铰机制对结构体系不利, 一旦核芯筒发生过大的变形和严重破坏, 外钢框架子结构因刚度不足就会导致 整个结构体系或子结构局部倒塌。而对于型钢混凝土框架+ 钢筋混凝土筒体混 合结构体系, 由于型钢混凝土外框架部分相对刚度比外钢框架大, 承担的地震 作用也相对较多, 再加之二者材料的一致性, 型钢混凝土框架和钢筋混凝土核 芯筒两种子结构具有较好的变形和强度协调性。因此, 大震作用下, 型钢混凝 土框架+ 钢筋混凝土筒体混合结构较钢框架+ 钢筋混凝土筒体混合结构应有更 好的抗震性能。 对于钢框架+ 钢筋混凝土筒体来说, 由于结构体系以钢筋混凝土核芯筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移值为基准(或适当放宽) ; 又由于核芯筒的 高宽比很大( 约为10 15) , 其变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工 作以减小侧移, 不仅增大了钢结构部分的负担, 而且效果不大, 有时不得不加 大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构, 形成加强层, 才能满足规范侧移限值。而 对于型钢混凝土框架+ 钢筋混凝土筒体混合结构, 由于框架部分相对刚度较大, 框架与筒体二者刚度差异相对减小, 且二子结构主体均属混凝土结构, 所以变 形协调性明显较好, 其结构体系的侧移限值也较易满足。 2.框架结构体系 2.1框架结构体系概述 框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构， 即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用结 构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。框架结构由梁柱构成，构件截 面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂 剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水 平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑， 框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提 供灵活的使用空间，但抗震性能能差。 2.2实例工程项目概况 北京电视中心综合业务楼工程位于建国路98号，是以办公为主的综合性 建筑。该工程地上42层，地下三层，建筑物总高度为227.05米，为超高层建筑。 0.00以下主体结构采用钢骨混凝土框架-剪力墙体系，0.00以上部分结构采 用钢结构框架-支撑结构体系。地下箱型截面柱最大截面尺寸为：箱 80080080mm、H型截面柱最大截面尺寸为：H800 8008080mm，最小截面 尺寸为H50050030 30mm，钢管柱截面尺寸为120060mm。柱间支撑最大截 面尺寸为H5005004025mm、最小截面尺寸为H4004003632mm。地上箱型 截面柱最大截面尺寸为：箱800800 8080mm，最小截面尺寸为箱 5005002828mm；H型截面柱最大截面尺寸为：H8008008080mm，最小截 面尺寸为H5005002828mm；钢管柱截面尺寸最大为120060mm，最小截面 7 尺寸为120040mm；主桁架梁上、下弦，腹杆均采用 H型截面，最大截面尺寸 为：H100060040 30mm，最小截面尺寸为H800600*4030mm。 2.3实例工程项目结构选型与结构布置分析 方案设计中，建筑师想通过结构桁架层将北京电视中心建筑物外围设计 成盘旋上升的巨龙，导致大型钢桁架层在每个立面上都不在同一层上，由于建 筑师对建筑造型要求过严使结构在平面布置和竖向布置上均很不规则给结 构设计带来很大的困难。本工程主楼由于钢桁架层错层。很多层为不同方向的 形平面，质心和剐心位置偏差很大，又由于建筑物上部逐渐内缩使得形状从 “回型”变为“型”：从“型”变为“型”到最终成型”，使结 构在平面布置和竖向布置上均特别不规则。 各层结构平面简图 但是，这本身却拓展了原本死板的框架结构体系的选型和结构布局。从建筑学 的结构选型来说是个很好的范例。 3. 剪力墙结构体系 3.1剪力墙结构体系概述 剪力墙结构定义承受建筑物竖向和水平荷载的主体结构全部为剪力墙时， 形成了剪力墙结构体系。剪力墙结构一般为钢筋混凝土结构，其钢筋混凝土墙 即剪力墙也可作为维护和房间的分隔构件。剪力墙结构体系是指利用建筑物墙 体作为建筑的竖向承重体系, 并用它抵抗水平力的结构体系。在受力方面, 因 为剪力墙的刚度大, 容易满足小震作用下结构尤其是高层结构的位移限值。在 地震作用下, 其变形小, 破坏程度低, 可以设计成延性剪力墙, 大震时通过连 梁和墙肢底部的塑性铰范围内的塑性变形耗散地震能量。这种体系在高层住宅、 公寓和旅馆建筑中广泛应用。所以有必要对剪力墙结构进行合理设计以满足安 全、经济、合理的要求。 3.2实例工程项目概况 海景花园海顺海利楼为一住宅综合楼，位于南海市中轴线的南海大道与 海六路交汇处，总建筑面积约5.3万平米，楼高28层，并设有1层地下室作为车 库及设备用房，地上1-3层为商铺及办公用房4-26层为住宅标准层，层高2.9米， 局部突出屋面的2层塔楼为电梯机房及水箱间。建筑主体结构高79.6米，沿竖向 质量及刚度分布较均匀，标准层平面由2个切角正方形单元连接成哑铃状，各单 元标准层平面为满足销售上通风采光、明厅明厨等要求，在东西和南北面分别 开深约10米、宽2.7-3.0米的槽口，这样切角正方形便由9 个单元组成，即中部 由楼梯间、电 梯间、设备管道井组成的垂直系统单元，以及由4个槽口划分的8个住宅单元。 各住宅单元在主要朝向上布置厅房，而厨房、厕所等则布置在槽口一侧，因而 其平面体型较为复杂。本工程场地土类别为!类，抗震设防烈度为, 度，基本风 压值取0.5kN/。 3.3实例工程项目结构选型与结构布置分析 高层住宅结构总体布置要求传力路径明确，受力直接和刚度分配均匀， 结构体系的选型是否合理，与建筑方案设计阶段结构工种的配合程度密切相关， 若结构工种能及早介入，与建筑师共同协调方案设计并及时作出适当调整，就 能使结构布置既充分满足建筑功能的要求，又较经济合理。下面以这个工程为 例加以说明。本工程标准层为住宅，各单元由9个建筑分单元组成，其结构布置 利用中部设置的2部电梯、设备管道井及1个剪刀楼梯所围合的剪力墙内筒体单 元，作为主要抗侧力构件，这部分的结构布置与建筑平面要求是不会产生冲突 的，但关键是其周围8个住宅单元的结构布置就较值得推敲。由于地震力作用主 要由内筒单元承受，因此柱网和竖向结构便成为结构布置的重点。鉴于本工程 柱网以斜交为主，且要兼顾上下层不同建筑功能的需要，而竖向抗侧力构件按 常规主要是剪力墙和框架柱，前者对住宅平面布置有利，但对底层公共建筑的 平面布置不利，但框架结构则相反。基于它们各自具有的优缺点，在设计时考 虑通过某种途径将它们组合成一个安全适用的结构方案，以充分发挥两者的优 9 势，经过与建筑设计人员共同研究，并进行了多次结构试算，最终确定采用短 肢剪力墙结构体系，其结构平面布置见图1-2。裙房部分由于楼层低且相对主楼 范围较小，故采用框架结构。 4.门式刚架结构体系 4.1门式刚架结构体系概述 门式刚架为一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括刚架斜梁、 刚架柱、支 撑 、 檩 条 、 系 杆 、 山 墙 骨 架 等 。 门 式 刚 架 轻 型 房 屋 钢 结 构 具 有 受 力 简 单 、 传 力 路 径 明 确 、 构 件 制 作 快 捷 、 便 于 工 厂 化 加 工 、 施 工 周 期 短 等 特 点 ， 因 此 广 泛 应 用 于 工 业 、 商 业 及 文 化 娱 乐 公 共 设 施 等 工 业 与 民 用 建 筑 中 。 门 式 刚 架 轻 型 房 屋 钢 结 构 起 源 于 美 国 ， 经 历 了 近 百 年 的 发 展 ， 目 前 已 成 为 设 计 、 制 作 与 施 工 标 准 相 对 完 善 的 一 种 结 构 体 系 。 门 式 刚 架 轻 型 房 屋 钢 结 构 属 轻 型 钢 结 构 的 一 个 分 枝 ， 这 种 结 构 型 式 的 主 要 特 点 是 ： 体 现 轻 钢 结 构 轻 型 、 快 速 、 高 效 的 特 点 ， 应 用 节 能 环 保 型 新 型 建 材 ， 实 现 工 厂 化 加 工 制 作 、 现 场 施 工 组 装 、 方 便 快 捷 、 节 约 建 设 周 期 ； 结 构 坚 固 耐 用 、 建 筑 外 型 新 颖 美 观 、 质 优 价 宜 、 经 济 效 益 明 显 ； 柱 网 尺 寸 布 置 自 由 灵 活 、 能 满 足 不 同 气 候 环 境 条 件 下 的 施 工 和 使 用 要 求 。 4.2实例工程项目概况 11 天津大港发电厂所在的大港区位于天津市的东南端，电厂东邻津歧公路， 南依独流减河，西南面是独流减河泄洪道河北大港水库，电厂以东约7 km 为渤 海岸。该发电厂设有1 号、2 号、3 号三个储煤场，中间布置2 台斗轮堆取料 机。因环保的要求，需在厂区内的1 号、2 号储煤场东侧建设一个干煤棚，煤 棚北侧轴线位于2 号煤场中心线，其位置如图1 阴影部分所示，因生产工艺需 求，结构跨度为81 m，纵向长度50 m。通过对该干煤棚的位置及工艺需求分析 发现，该干煤棚工程具有以下几个特点: 1)结构跨度大，为81 m;工艺要求净空为25 m，相应地要求结构高度大。 2)由于生产工艺的限制，该结构仅为单跨，因此其跨度方向无较为有利的 抗侧力体系。 3)由于2 台斗轮机工作半径的限制，要求结构一侧的支承结构的宽度不超 过1. 5 m。 4)由于煤场的最大堆存高度为12 m，煤堆自然堆存角度45 60，因此 该结构的支承体系除承担一般荷载外，还需要考虑堆煤荷载。 4.3实例工程项目结构选型与结构布置分析 由于业主要求屋面采用弧形，故可选的常用结构形式有单层筒壳、双层 筒壳、弦支桁架、弦支梁、普通拱等。经过分析比较发现:由于结构跨度较大， 因此单层筒壳结构和普通拱结构受承载能力和稳定性能的限制，不易实现;弦支 桁架和弦支梁可减小弧形屋面结构的支座水平推力，但由于均为平面弦支结构， 结构纵向整体性不好;双层筒壳结构整体稳定性好，但由于结构高度大，存在支 座推力较大的问题，对下部结构设计不利。故最终确定利用弦支结构高效的结 构效能，把双层筒壳结构和弦支结构结合起来，采用一种新型的预应力结构体 系 弦支筒壳结构体系作为本工程的屋面承重体系，它由上层柱面网壳， 中间撑杆和下部拉索构成。采用的弦支筒壳跨度为81 m，筒壳部分采用厚度为3 m 的双层正放四角锥型网格的柱面网壳，矢高为7 m，索垂度为1. 8 m，上层柱 面网壳的网格尺寸约为3 m，如图2 所示。 图 1 图 2 13 本工程处于空旷的场地，建筑高度和结构跨度都比较大，且实际条件不允许设 计出多跨等抗侧性能较好的抗侧力体系，需要着重分析研究。结合普通厂房结 构中普遍采用的门式刚架的概念，考虑布置两榀大跨度格构式门式刚架结构作 为整体结构的主要抗侧力体系。 5桁架结构体系 5.1桁架结构体系概述 桁架结构（Truss structure）中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一 种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建 筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。各 杆 件 受 力 均 以 单 向 拉 、 压 为 主 ， 通 过 对 上 下 弦 杆 和 腹 杆 的 合 理 布 置 ， 可 适 应 结 构 内 部 的 弯 矩 和 剪 力 分 布 。 由 于 水 平 方 向 的 拉 、 压 内 力 实 现 了 自 身 平 衡 ， 整 个 结 构 不 对 支 座 产 生 水 平 推 力 。 结 构 布 置 灵 活 ， 应 用 范 围 非 常 广 。 桁 架 梁 和 实 腹 梁 （ 即 我 们 一 般 所 见 的 梁 ） 相 比 ， 在 抗 弯 方 面 ， 由 于 将 受 拉 与 受 压 的 截 面 集 中 布 置 在 上 下 两 端 ， 增 大 了 内 力 臂 ， 使 得 以 同 样 的 材 料 用 量 ， 实 现 了 更 大 的 抗 弯 强 度 。 在 抗 剪 方 面 ， 通 过 合 理 布 置 腹 杆 ， 能 够 将 剪 力 逐 步 传 递 给 支 座 。 这 样 无 论 是 抗 弯 还 是 抗 剪 ， 桁 架 结 构 都 能 够 使 材 料 强 度 得 到 充 分 发 挥 ， 从 而 适 用 于 各 种 跨 度 的 建 筑 屋 盖 结 构 。 更 重 要 的 意 义 还 在 于 ， 它 将 横 弯 作 用 下 的 实 腹 梁 内 部 复 杂 的 应 力 状 态 转 化 为 桁 架 杆 件 内 简 单 的 拉 压 应 力 状 态 ， 使 我 们 能 够 直 观 地 了 解 力 的 分 布 和 传 递 ， 便 于 结 构 的 变 化 和 组 合 。 5.2实例工程项目概况 安徽省国际会展中心位于合肥市经济技术开发区内，总占地面积约 10hm，建筑面积约 5.6104m2。该工程建筑功能主要由 3部份组成：地下车库 及设备用房（1.6104m2）、单层大跨度钢结构立体桁架展厅、多层大柱网普 通钢结构会议中心（图 3、图 4）。该 3部份组成整体，地下采用钢筋混凝土梁 板柱结构体系；地上 2个钢结构展厅跨度分别为 66m和 51m，其屋盖采用倒梯 形体主桁架钢结构体系，组合 V字型柱；会议中心部份为 3层钢结构框架结构， H型组合钢梁，钢与混凝土组合楼板，V 字形柱。该建筑物内部另设置了 2个上 部结构独立的椭圆形和圆形的会议报告厅，采用双层网壳结构体系。椭圆会议 报告厅长轴长约 35m，短轴长约 25m，呈倾斜形椭圆体。该工程于 2002年 9月 全部建成，由于此工程是按照当前国际展览及会议功能设计建设的大型会议及 展览场馆，建筑造型优美，配套设施齐全，建成后已举办了多次大型展览和召 开了多次重大国内、国际会议，使用状况良好。 5.3实例工程项目结构选型与结构布置分析 基础采用人工挖孔桩，地下室采用C30现浇混凝土结构。底板厚400mm， 采用梁板结构，梁宽300mm600mm，梁高600mm2000mm，抗渗S8。上部采用钢结 构，钢结构投影面积约3.5104m2，总重约6000t，主要有2种结构形式。第1种 形式为轴之间，采用钢结构框架结构，共分3层。第1层为8.8m标高，第2 层为17.8m标高，第3层标高为26.438m22.011m。其中柱截面由500 28钢管组 成，侧面为Y字型，梁由焊接H型钢组成，纵向主梁高1.6m,横向主梁高1.0m，屋 面梁与外围护结构圆滑过渡