混合结构(王仕统)

第十四届全国现代结构工程学术研讨会质疑我国高层混合结构设计 2014月7月18 21日 天津大学 1中国高层混合结构超限问题 2中国钢结构建筑世界获奖问题 3全钢结构轻量化设计是中国结构师的历史使命中国钢结构事业资深专家中国钢结构协会资深专家中国高效预应力混凝土技术发展与推广委员会委员广东省钢结构协会理事长华南理工大学土木系教授 空淡误国实干兴邦 定义 高层混合结构 由钢 混凝土两种抗侧力体系组成的高层结构 上海金茂大厦 n 88层 H 421m 1999 结构 Structures 支承作用 Actions 的骨架 直接作用 荷载 Loods 间接作用 地震 Earthquake 支座沉降 温差 104 钱稼茹 赵作周 叶列平 高层建筑结构设计 第二版 中国建筑工业出版社 2012年8月经典精品系列教材 高校土木工程专业指导委员会规划推荐教材 竖向混合框架结构 104 RC ReinforcedConcreteMember Column orS steelcolumn RC S steelReinforcedConcreteColumn orST C Concrete filledsteelTubularColumn RCBeam RC SBeamorSteelBeam 混合框架 给计算分析带来麻烦 文献 3 P 385 对于混凝土核心筒 钢框架混合结构 在美国主要用于非抗震设防区 且认为不宜大于150m 在日本 1992年建了两幢 其高度分别为78m和107m 结合这两项工程开展了一些研究 但并未推广 据报道 日本规定采用这类体系要经建筑中心评定和建设大臣批准 文献 98 P 5 1964年美国阿拉斯加地震 采用 混凝土芯筒 钢框架 混合结构的楼房 曾发生严重破坏甚至倒塌 据此 美国工程界一些人士认为 混合结构不宜用于地震区的高楼 文献 3 P 385 我国自20世纪80年代在当时不设防的上海希尔顿酒店采用混合结构以来 应用较多 除大量应用于7度和6度地区外 也用于8度地区 由于这种体系主要由混凝土核心筒承担地震作用 钢框架和混凝土筒的侧向刚度差异较大 国内对其抗震性能虽有一些研究 尚不够完善 3 中国住建部 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 中国建筑工业出版社 2010年8月 98 刘大海 杨翠如 高楼钢结构设计 钢结构 钢 混凝土混合结构 中国建筑工业出版社 2003年9月 用钢 型钢 钢筋 69 70 kg m2上海希尔顿国际酒店 n 43层 H 143m 1988 为何混凝土核心筒 钢框架 ConcreteCoreTube steelFrame 简称C SF 能够在我国大量采用 主要原因是 核心筒几乎承担100 的水平作用 风 地震 具有很大的抗推刚度 容易满足水平侧移限值 设计无难度 因此 混凝土和钢两种结构的混合在强震作用下的结构性能表现 必须引起结构工程师的严重关注 强震后 同一幢高楼的两种抗侧力体系 一个 混凝土核心筒刚度大 地震力也大 第一道抗震防线 可能成为建筑垃圾 一个 钢框架 能修复 可持续发展 如何处理后事 值得深思 钢柱 N M u与H的关系 1 中国建设部 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 中国建筑工业出版社 2010 2 中国建设部 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2010 中国建筑工业出版社 2011年6月 3 中国建筑技术研究院 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ99 98 中国建筑工业出版社 1998 4 中国工程建设标准化协会 高层建筑钢 混凝土混合结构设计规程 CECS230 2008 2008 表1我国规范 程 规定的高层混合结构的高度限值 H 我国用高层混合结构盲目冲击高层建筑高度 1广州新中轴线的三大高层混合结构 广州电视塔 西塔 东塔 广州电视塔西塔 n 39 H 454m 不含天线146m 2009 n 103 H 432m 2005 东塔 2015 是广州最高的高层混合结构 n 111 H 518 15m 设计 美国KPE建筑事务所奥雅纳工程咨询公司施工 中建钢构有限公司总建筑面积50万m2 总用钢量16 8万t 型钢10 8万t 钢筋6 0万t 最厚钢板t 130mm 铸钢件厚度400mm 最大钢筋直径d 40mm 混凝土用量20万m3 2上海陆家嘴的三大高层混合结构 金茂大厦 环球中心 上海中心 黄埔江 金茂大厦环球金融中心 n 88层 H 421m 1999 n 101 H 492m 2007 核心筒内缩后塔吊布置 B3 57F 57F 61F 61F 79F M440D附着反向180度 环球金融中心 上海中心是上海最高的高层混合结构 H 580m 设计 美国Gensler公司总包 上海建工 集团 总公司总建筑面积57 4万m2 钢材总用量10万t 最厚钢板t 140mm 最大钢筋直径d 40mm 3深圳平安大厦平安大厦是深圳最高的高层混合结构 由美国KBF公司和CCDI悉地 深圳 国际设计公司设计 中建钢构有限公司钢结构施工 总建筑面积46万m2 塔楼35万m2 钢材总用量10万t 型钢4 545万t 钢筋5 455万t 塔楼4 2万t 最厚钢板t 150mm 铸钢件厚220mm 最大钢筋直径d 32mm 混凝土用量为27 8万m3 其中楼盖46万m2 0 1m 4 6万m3 深圳平安大厦 n 118层 H 597m 不含天线63m 深圳平安大厦平面 n 118 H 597m 核心筒 厚1500 厚800 翼柱 钢筋混凝土 RC ReinforcedConcrete 预应力混凝土 PC PrestressedConcrete 钢 S Steel 预应力钢 PS PrestressedSteel 1 ST C 2 RC S 3 钢梁 RC板 组合结构 钢管砼结构 Concrete FilledsteelTubularStructure简称ST C 钢骨砼结构 Steel ReinforcedConcretestructure简称RC S 钢 砼组合楼盖结构 钢梁 RC板 4结论 美国高层混合结构 主要用于非抗震设防区 且不宜大于150m 1 1992年日本建了两幢 H 78m和H 107m 但并未推广 1 1964年美国阿拉斯加地震高层混合结构楼房 曾发生严重破坏甚至倒塌 6 可见 我国各地用400m 600m高层混合结构形式来盲目冲击高层建筑的高度 广州maxH 518 15m 上海580m 深圳597m严重违背我国规范 程 的高度限值 H 极其危险 且结构也非常笨重 施工艰难 质疑我国超限专家如何评审通过 1 中国建设部 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 中国建筑工业出版社 2010 2 中国建设部 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2010 中国建筑工业出版社 2011年6月 3 中国建筑技术研究院 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ99 98 中国建筑工业出版社 1998 4 中国工程建设标准化协会 高层建筑钢 混凝土混合结构设计规程 CECS230 2008 2008 表2我国规范 程 规定的高层混合结构 RC核心筒 钢框架的高度限值 世界高层全钢结构前三名在美国 随着高度的增加 结构方案也在变化 致使用钢量在减少 西尔斯塔楼 1974 束筒 世界贸易中心 1973 框筒 帝国大厦 1931 框架 H 443 179m n 110416 966 110381 102用钢161kg m2186 6206 现代全钢结构的两大特点 采用轻质高强材料 采用现代结构分析方法 结构减震控制理论 结构优化理论和预应力理论 1 2 美国居世界前列的三个著名高层全钢结构建筑 1 王仕统 薛素铎 关富玲 陈务军 姜正荣 石开荣 现代屋盖钢结构分析与设计 中国工业出版社 2014年4月 2 王仕统 大跨度空间钢结构的概念设计与结构哲理 中国工程院工程科技论坛第39场特邀报告论文集 论大型公共建筑工程建设 问题与建议 中国建筑工业出版社 2006年12月 这充分说明高层全钢结构轻量化设计的高科技设计水平 框筒 密柱柱距 4m 深梁l h 4 44条箱形柱 H型钢柱 箱形柱 腹板框架 剪力滞后效应 ShearLagEffect 翼缘框架 西尔斯塔楼 1974 世界贸易中心 1973 SearsTower 9个束筒 WorldTradeCenter 外框筒 内框架 密柱间距1 3 5m 美国高层全钢结构 中国高层混合结构对比 全钢结构轻量化 延性好 混合结构核心筒转角处加型钢提高延性 笨重 施工艰难 点评美国世贸中心 110层 H 416 966m 1973 1全钢结构 外框筒 密柱 柱距l 1 01m 4m 深梁 梁高h 1 32m l 4 1 01m 4 0 25m 内框架 44条柱 箱形柱截面 450mm 450m 7 5mm 12 5mm 2风压 2 2kN m2 大楼顶端侧移u 28cm u H 0 28 416 966 1 14893框筒3柱变1柱 柱截面800 800 不设转换层4每层桁架下弦 装被动控制 阻尼器 52001年9月11日 恐怖日 波音767客机先撞北楼 后撞南楼 飞机击断钢柱进入WorldTradeCenter 南楼 北楼1h后先后倒塌 6在风载下的顶关侧移u H 0 28 416 966 1 1489 12 5 7 5 450mm 450 70 0 29 5 220 28 u H 0 28 416 966 1 1489 恐怖日 2001年9月11日 波音767客机击断钢柱 进入美国世界贸易中心 WorldTradeCenter 1973 纽约 南楼 北楼1h后先后倒塌 曼哈顿大桥 全钢结构工程设G为总用钢 t P为建筑总重量 t 则结构体系的优秀性与G P成反比 1 优秀设计 G P 0 2 0 3平庸设计 0 4 0 5拙劣设计 0 6 0 7 1 陆赐麟 用科学标准促进钢结构行业健康发展 钢结构与建筑业 2009年总19期 2 目击者指南 美国 中国旅游出版社 2008 西尔斯塔世界贸易中心H 443 179mH 416 966m 世界贸易中心一号大楼 自由塔OneWorldTradeCenter 简称 1WTC FreedomTower 为纪念911事件 纽约当局在2003年在全世界范围内征集世贸中心重建方案 由DavidChilds和DanielLibeskind提出的 自由塔 方案成为最终的优胜者 并试图成为纽约和美国的新标志 美国也因此希望能以此延续美国在建造摩天楼方面先进且富有创造力的传统 并将最高等级设计 安全性 质量和科技结合在这座未来世界最高的塔楼之中 钢管混凝土 ST C 柱1776年独立宣言 1776ft 541 325m 南塔1362ft 415 318m H 415 318m 天线126 187m 总高541 325m 1776ft 541 325m H 1362ft 415 138m 石油塔 RCPetronasTower H 425m 马来西亚吉隆坡 核心筒厚 外筒壁 30in 762mm 14in 356mm内筒臂 14in 358mm 不变 混凝土 80MPa 40MPa 石油塔西尔斯塔 H 452mH 442m 石油塔结构平面 三 结构工程师应努力实现全钢结构文化 现代全钢结构设计轻量化 即实现结构哲理 少费多用 用最少的结构提供最大的结构承载力 钢结构行业包括设计与施工 制造和安装 轻盈的钢结构必须从设计开始 设计是龙头 因此 在进行现代全钢结构设计时 不是简单地使用设计软件 而必须正确选择结构方案和正确估计结构和构件截面高度 否则 所谓的优化是徒劳的 作者认为 钢结构用钢量是衡量结构设计优劣的最重要指标之一 不谈用钢量多少 狂热追求钢结构建筑亚洲第一高 世界第一跨是不科学的 我们要永远记住一个真理 设计是硬道理 硬设计就没有道理 现代全钢结构建筑与绿色建筑必须挂钩 节材与环保 全钢结构最能实现产业化 钢构件制造 焊接 工厂化 工地高强螺栓装配化 世界先进国家钢结构超过40 日本70 以上 我国不到3 97 是混凝土等结构 我国全钢结构空间巨大 关键是设计水平 迪拜塔 n 160层 办公49层 迪拜塔2004年开工 原定2009年9月完工 但受金融危机拖累 竣工日期推迟 这座高楼耗材 混凝土33万m3 钢材3 14万t 楼内设57部电梯 包括最高时速v 64km h 17 8m s的世界最快电梯 H 1922呎 RC 712呎 S 585 826m 217 018m 802 844m 迪拜塔 创造条件要上 OK克服困难也要上 OK中国全钢结构设计与施工 设计 施工 NoGood 当前 中国大型笨重的建筑钢结构工程 鸟巢 CCTV 深圳大运会体育场等 能施工的单位 5 施工单位 95 靠边站 创造性 破坏不能再进行下去了 板厚100 200mm 轴线 剖面 外框筒柱 H型钢800 400 方钢管砼 1300 1300 600 600内框筒柱 焊接方钢管砼1200 1200 600 600内 外筒钢梁 伸臂桁架 每16层 钢构件 H900 400楼盖 压型钢板 钢 砼组合楼盖 台北国际金融中心大厦 71 钢结构 筒中筒 体系 风速42 5m s 环太平洋地震带 71 谢绍松 甘锡澄 王正雄 台北国际金融中心101层摩天大楼之结构系统方案初选 台湾 土木技术 1998年第3期 大厦底层平面 内 外筒柱距3m CCTV新电视塔 CCTVNewTower 2008年n 53H 234m工地全焊接拼装 钢板厚maxt 130mm SteelMaterials 14 2万tmaxt 135mmQ345GJC 100mmQ390GJD 100mmQ420GJD3 326万t 100mmQ460GJD2 363万t用钢量 14 2万t 47万m2 0 302t m2 冠达尔贺明玄总工提供 美国世界贸易中心 WorldTradeCenter 1973年n 110H 416 966m工地全高强螺栓连接 钢板厚7 5 22 5mm yieldstrength fy 700N mm2 屈服强度 用钢量 186 6kg m2 中国钢结构建筑世界获奖 愚弄不少中国专家 世界高层都市建筑学会 TheCouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat CTBUH 2013年 最佳高层建筑奖 之央视大楼 1 最佳高层建筑 的评审标准 设计的可持续元素 创新科技 美化和清洁城市环境 提高城市与居民生活品质等 雷姆 库哈斯和奥勒 舍仁设计师公布CCTV方案时 CCTV 侧面S正面O 的奇特扭曲造型疯狂 人们简直不敢相信建筑还可以这么做 CCTV是目前单体用钢量最多的钢结构工程 被中国钢结构建筑专家称为 世界级工程 以下数字可谓惊人 用钢量14 2万t 其中 钢柱最重80t 悬臂 67 165m 75 165m 重1 4万t 钢构件4 2万多件 压型钢板29 6万m2 高强螺栓95万套 栓钉148万套 评委会主席JeanneGang CCTV是那种无法被复制的建筑 无论在结构意义上 还是在无与伦比的造型上 它都是一个不可思议的成就 就如同埃菲尔铁塔 CCTV在世界其他地方获准建造的可能性很小 因为不符合规范要求 而中国很愿意尝试 这也为千奇百怪的建筑设计创造了一种非常宽松的氛围 1 刘玉珠编译 世界高层都市建筑学会 CTBUH 2013年 最佳高层建筑奖 揭晓 钢结构进展与市场 2013年第6期 埃菲尔铁塔 锻铁铆接结构 用钢0 73万t CCTV用钢量302kg m2 冠达尔贺明玄总工提供 全钢结构 由型钢 钢板 钢管混凝土和高强钢丝等不开裂构件 并通过焊缝 高强螺栓 铆钉或销轴等连接而成的钢结构骨架 就具有绿色建筑的节材特质 表1特质比较 1 王仕统 大跨度空间钢结构的概念设计与结构哲理 中国工程院工程科技论坛 论大型公共建筑工程建筑 问题与建议 第39场特邀报告 中国建筑工业出版社 2006 2 王仕统 提高我国全钢结构的结构效率 实现钢结构的三大核心价值 钢结构 2010年第9期 建筑全寿命周期 BuildingLifeCycle 从建筑物的选址 设计 建造 使用 维护 拆除 处理废弃建材 垃圾回收或二次能源再利用 的整个过程 英国伦敦碗 2012 北京鸟巢 2008 8万人 用钢1万t8万人 用钢5 24万t 建筑理念 无序就是艺术 绿色奥运 科技奥运 人文奥运 伦敦碗由五层结构环组成 1天蓬支架环 旧钢管 2装饰围护环 纤维布 3看台面板环 低碳混凝土 4看台支架环 旧钢管 5地面看台环 低碳混凝土 实景5层结构环地面看台环 伦敦碗 第30届奥运会主场馆 总用钢1万t左右 149 150 用钢量90kg m2 2012 效果图剖面夜景 149 薛素铎 李雄彦 2012伦敦奥运场馆结构体系概述 工业建筑 2012年增刊 150 陆赐麟 用科学标准促进钢结构行业健康发展 钢结构与建筑业 2009 19 a 原开合屋盖 1 梅季魁 陆诗亮 罗鹏 新世纪的献礼 2008年第29届奥运会主场馆 国家体育场 鸟巢 建筑概念设计国际竞赛方案述评 第三届全国现代结构工程学术研讨会 2003年 工业建筑 增刊 2 王仕统 大跨度空间钢结构的概念设计与结构哲理 中国工程院工程科技论坛第39场特邀报告论文集 论大型公共建筑工程建设 问题与建议 中国建筑工业出版社 2006年12月 3 中国工程建设标准化协会 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002 中国计划出版社 2003 4 范重 刘先明 范学伟 胡天兵 王喆 国家体育馆钢结构设计中的优化技术 第五届全国现代结构工程学术研讨会 工业建筑 2005年增刊 建筑教授评委对鸟巢方案的评价 1 从各位评委各抒已见的发言中可以看出主要集中在两个方向 一是创意 二是经济合理性 当时用钢量1 1t m2 无序就是艺术 野兽派 鸟巢评委分配 b 次结构 无序就是艺术c 主结构 交叉门式刚架结构 2 3 鸟巢 椭圆平面 332 3m 297 3m中央开洞 185 3m 127 5m用钢4 1875 4 5 2万t 实际用钢 即710 881 钢结构行业包括设计与施工 制造 安装 轻盈的钢结构必须从设计开始 设计是龙头 因此 在进行现代钢结构设计时 不是简单地使用设计软件 而必须正确选择结构方案和正确估计结构截面高度 否则 所谓的优化设计是徒劳的 编者认为 钢结构的用钢量是衡量结构设计优劣的最重要指标之一 不谈用钢量 狂热追求亚洲第一高 世界第一跨是不科学的 为了实现最简洁结构 非复杂结构 就是最好结构的理念 提高我国钢结构的结构效率 实现钢结构固有的三大核心价值 最轻的结构 最短的工期和最好的延性 回归建筑工程设计的基本原则 实用 经济 在可能条件下注意美观 邀请10名建筑 结构和管理专家作报告 主持人 陈肇元院士 上午09 00 12 00 主持人 谭庆链理事长 下午14 00 17 30 特邀报告 工程科技论坛我国大型建筑工程设计的发展方向 主席台一排左起 王宏 李世俊 蓝天 钟善桐 邓志广 姚兵 杨豪标 王仕统 陈之泉 麦广钦 叶浩文 刘锡良 沈祖炎院士在大会的主题报告 还钢结构轻 快 好 省的本来面目 中指出 近年来涌现的与轻 快 好 省理念背道而驰的技术现状 令人担扰 12 并严厉批评了鸟巢 水立方 CCTV 深圳大运会体育场 合肥创新展示馆 广州歌剧院 海南国际会展中心等11个大型屋盖钢结构工程 12 沈祖炎 必须还钢结构轻 快 好 省的本来面目 中国建设报 连载 2011年3 14 4 11 4 25 5 9 5 30 中国建筑金属结构协会姚兵会长在大会上指出 合理用钢 并不是把钢结构建筑建成结构碉堡 25 25 金石 钢结构热现象背后的冷思考 影响中国 第二届中国钢结构产业高峰论坛 钢构之窗 2011年第2期 首届全国钢结构施工技术交流会在北京中苑宾馆隆重召开 2006年12月9 11日 会议最后一天 代表们还参观了国家体育馆 国家游泳中心 CCTV等重大工程项目 怪异钢结构的艰难施工 反思钢结构的设计水平 特邀报告 a P w曲线b P H曲线索的几何非线性布拉格谢拉明剧场 为何不少结构师不乐意研究采用屋盖形效结构 具体原因有四点 由于现阶段钢结构行业 设计 施工 存在 设计收费 施工收费和评奖机制 创新和节约用钢都没有好处 现阶段机制不鼓励创新 对索结构来说 在局部集中荷载P作用下 会产生 机构性位移 处理柔性索边界 也比处理刚性边界要困难得多 大跨度钢屋盖空间结构的稳定 Stability 和预应力分析是设计的难点 某些文献模棱两可的措词 误导 如规范 10 第8 6 1条 大跨度屋盖结构系指跨度 60m的屋盖结构 可采用桁架 刚架或拱等平面结构以及网架 网壳 悬索结构和索膜结构等空间结构 结构工程师的学术魅力 力学 数学功底 结构理论与工程实践 与人格魅力 独立性 进取性和开放性 与世界先进国家有较大差距 10 中国建设部 钢结构设计规范 GB50017 2003 中国计划出版社 2003年 本文针对专著 1 的理论提出索网结构的近似解法 可用来分析任意荷载作用下的椭圆底平面和菱形底平面双曲抛物面索网结构 该法先用级数将索网结构基本方程展开 然后采用最小二乘配点法求解 并通过迭代过程考虑非线性项的影响 算例表明 该近似解法的计算机程序能满足精度要求 1 钟善桐 沈世钊 大跨度屋盖钢结构 中国建筑工业出版社 1985年11月 布拉格谢拉明剧场 马鞍形索网的变形协调方程 承重索 稳定索 14 王仕统 双曲抛物面索网结构的近似计算 建筑