建筑结构选型案例介绍

1、结构选型建筑体系实例分析建筑1002班 何流 14 号体育馆建筑 （钢架；桁架结构体系）高层建筑 （剪力墙；筒中筒结构体系）博物馆建筑 （悬索；网壳结构体系）一.体育馆建筑钢架结构体系概述钢结构是把各种型钢或钢板通过焊接或螺栓连接等方法组成基本构件根据使用要求按照一定的规律制造而成的工程结构。钢结构在工程建设中应用较广如高层建筑、大跨度空间结构、轻钢结构、工业厂房道路工程中的钢桥水工建筑中的钢闸门、加油站的钢顶棚等。 具有材料的强度高，塑性和韧性好；材质均匀，和力学计算的假定比较符合；制作简便，施工周 期短；质量轻；钢材耐腐蚀性差；钢材耐热，但不耐火；等优点桁架结构体系概述桁架结构中的桁架指的

2、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。当涉及大跨度或重荷载时，用于建筑的屋盖结构的桁架通常称作屋架，桁架要比梁更经济。桁架，是由一些细长直杆按适当方式分别在两端连接而成的几何形状不变的结构。桁架按其材料可分为木桁架、钢筋混凝土桁架、钢桁架。本人针对以上两种常常同时出现的结构体系，进行了实地调研。实例工程项目一南京奥体中心体育场屋盖钢结构工程概况南京奥林匹克体育中心位于南京市城西秦淮河与长江之间的河西新城区中心区域，它东临江东南路，南毗青石埂路、西连上新河路、北接纬八路，占地面积89.6公

3、顷,总建筑面积约40 万 m2。体育场的俯视平面为直径285.60 m的圆。整个体育场建筑造型风格独特，具有自由动态感。主体结构为部分预应力钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系（27层）结构形式体育场的屋盖结构体系是由跨度达376 m、倾斜45°的变断面三角桁架拱与平行设置的钢箱梁和平面支撑形成的单层马鞍形壳组成的空间结构，其大拱的 支座处水平推力达 13 000 kN。设 计最终采用的拱脚为固接，并要求其支座处水平位移控制在 6 mm以 内,否则屋盖结构在计算时要考虑 水平位移对整个屋盖结构的影响。该结构的屋顶组合钢结构为由 跨越东西看台上空的变断面三角 桁架拱（跨度为372.140m,

4、矢高64m,与水平面倾斜45° ）及穿越比赛场地的地下连接两拱脚的“弦”（长400m的8X 25根预应力钢绞线）组成的大双“弓”，跨越南北面看台前沿上空的跨 度140m的悬索状钢管，覆盖整个看台上空的104根平行的箱形梁和其间支撑形成的马鞍形壳 和箱梁后端的V形支撑共同组成的空间钢结构体系。因此,整个屋顶结构传力途径复杂，屋面部分荷载通过拱传给基础，部分由屋面箱梁后端的V形支撑通过看台钢筋混凝土框架结构体系传给基础，力的分配因各种荷载组合工况不同而异。“弦”的作用主要是使桩基础不承受拱传来的达113万kN的南北向水平推力，使拱支座a -平面；b -轴侧;c -立面；d -端部立面不产

5、生水平位移。东西向的水平推力由两相对称的拱脚下的地梁平衡。屋盖结构示意斜放“弓”结构的设计弓结构的弓背拱的设计是变断面等腰三角形桁架钢拱，底边由中间的宽15m变至5m。高由7m变至2m。材质为 Q345-C,为美观起见，主管外径均为1000,壁厚为2060mm。拱的设计重点在拱脚和节点 上。将三根主管直接埋入拱脚顶标高为7100 m钢筋混凝土墩内固定。作为“弓”结构的弦预留在连接每条拱相对的两个拱墩的地梁中的8X 24根1512无粘结预应力筋也在拱墩基座中锚固。设计总控制张拉力20000kN,实测数据表明拱脚位移最大为215mm,证明拱在最不利的荷载组合下基本上无水平位移产生。屋架设计南京奥林

6、匹克体育中心体育馆屋架由14榀大跨曲面钢管桁架构成，整个屋面似一个空间球面，平面尺寸为120m x 110m,采用计算机同步控制液压牵引的曲面滑移技术就位，滑移轨道搁置在异形曲面的框架柱顶面上。需要滑移的主桁架计12榀，每榀单重约8097t;最大跨距104.4m,最大高度约6m,标准间主桁架水平投影间距8.6m,第114榀桁架的水平投影距离约111.8m。滑移弧线轨道半径约 359m,滑移弧线轨道最低点与弧线轨道最高点高差约4.3m。次桁架及主桁架间支撑构件共计13个单元，每个单元重约30t,整个滑移区域总重约计 1 661t。实例工程项目二南京奥体体育科技中心观光塔jiimaiM卜如和I&q

7、uot;“I 屮斗j©(5©kiiif |inii«亍寸& (&®1<DI |d 4ir> O|MHi4 农斡工程概况，由九层主楼（体育新闻中心），四层裙房南京奥体体育科技中心位于南京奥体中心的西南隅（行政管理中心）和观光塔三部分组成，其中裙房与观光塔相连，与主楼以抗震缝脱开。观光塔 由主塔塔身、弧形桁架和观光平台三部分组成，弧形桁架底部设置两根钢柱斜撑。主塔塔身布置有两座观光电梯和一座外露的消防楼梯，主塔塔身顶点标高110m，桅杆顶点标高145.3m。2005年5月建成后的观光塔已成为整个体育中心的一个亮点。结构形式观光塔采

8、用钢结构，结构体系为框架-支撑体系，下图为塔身平面图和塔身竖向支撑体系布置图,下右图为弧形桁架结构空间视图。塔身在31.2m标高以上采用了 6根Y 800 X 18钢管混凝土柱和2根组合柱;31.2m 标高以下，利用被裙房包裹的 消防楼梯间设置了壁厚为 500mm的混凝土筒体。框架 梁截面 HW400 X 400 X 13X21,结合消防楼梯层高，沿塔身 高度方向布置间距为2.6m。观光平台采用空间钢桁架体 系，上下平台均为环向不对称 悬挑，其中下平台面标高为 101.70m，沿正立面悬挑长度 左端为8.3m，右端为15.7m，平 台楼面采用压型钢板-现浇混 凝土组合楼板，现浇混凝土厚 75m

9、m。弧形桁架节间竖向距 离10m，弦杆采用Y 900 X 12 钢管，在斜腹杆与桁架弦杆的 节点处共采用了 11个铸钢节 点。钢材材质为Q345B，钢管 混凝土柱内混凝土标号为C40。结构特点观光塔具有以下一些主要结构特点：(1) 主塔高宽比大，为110/7=15.7;(2) 塔身在31.2m标高处竖向截面突变；(3) 观光平台不对称悬挑，结构质心与刚心不 重合；(4) 弧形桁架，观光平台与塔身三者之间应能 较好地共同工作；(5) 舒适度指标控制。加劲钢板设计措施针对观光塔高、柔、不对 称性等特点，设计中采取 了以下针对性措施：軌形翰架眩村+ !10<0)(1) 采用钢管混凝土柱，抗 侧

10、能力强，且增加了结构 质量，结构顶点加速度易 满足;(2) 将塔身中部的2根Y 800X 18钢管混凝土柱改为两根“哑铃形”钢管混凝土组合柱，组合柱由2根Y 800 X 18钢管通过20mm厚钢板连接组成，结构在两个方向的抗侧移能力，尤其在X方向大幅增强，静力计算风荷载作用下的塔身顶点位移在X和Y方向分别下降了 28.4%和(3) 塔身在31.2m标高以下利用外扩楼梯间设置3m X 7.4m的混凝土筒体，并将塔身中部范围内筒体墙厚加厚至500mm;19.8%;(4) 立面和观光要求在n、w轴及观光电梯的两个侧面不允许布置竖向支撑，且观光梯三个外立面处相应横梁间距由2.60m增加南京奥体新闻科技

11、中心到5.20m,塔身在Y方向仅有川轴线一道竖向支撑。为解决该方向抗侧能力的不足，控制平面扭转，消防剪刀梯采用梁式做法,梯梁为两根200 X 400X 12方钢管,与加强后的楼梯平台一起 构成该方向的X形交叉支撑；(5) 31.2m标高塔身竖向平面转换采用18mm厚钢板剪力墙过渡，过渡范围沿高度为 2.90m;观光层上下平台间沿露天平台内侧环向设置22根Y 245X 12的吊柱和柱间支撑，如图5所示，利用上下平台形成的连接刚度，以达到减少平台扭转和降低下平台挠度的目的；(7)下部弧形桁架支座采用万向转动球铰支座，设计内力为：最大水平剪力设计值 Vmax=800kN，最大轴力设计值 Nmax=3

12、000kN实例工程项目三工程概况南京奥体新闻科技中心位 于南京市河西 地区，为全国 第十届运动会 的新闻办公中 心。结构整体东西长123m, 南北宽47m,主体结构为九层，外带局部裙房和高为110m的观光塔，科技中心的屋盖结构为空 间弧形钢结构体系。结构形式主体结构是由对称的两个矩形结构组成，通过一系列空中连廊将这两个结构连为整体，下部结构采用了八个 V形柱和托梁来支承上部结构，如下图所示。主体结构为混凝土框架 2剪力 墙结构体系，结构层1高6.4m,层2高3.5m,层3高5.0m,层4以上高3.8m。整个结构的混凝土强度 等级为：层13梁为C40,柱和剪力墙为 C45;层49梁、柱和剪力墙均

13、为 C40。屋盖结构为空iry*u46441:13)沁:£0建400AM5；400co-44-11I iJ5.S65 ! 一PBttBI» « - wail I'WIilMIIIIIMIIIIIIIIIb«a 画IfljgENHH耙gfM 肆期110.2LJj,300间交叉桁架体系，以两边空间主桁架为主要受力体系，中间通过空间次桁架来连接两主桁架。体育科技中心 屋盖结构为纵向 对称的空间钢结 构，是由两片空 间交叉弧形钢桁 架组成，且两片LHJ-hSHJ-LHJ-3HSHMV IZJ1JULHJ-4【II*ZHJ ILHMLHJ-9i)j-io结

14、构布置2榀纵向空间弧结构之间的连接是通过四角锥体系来实现的，屋盖悬挑钢结构与附属混凝土结构是通过一些空间交叉弧形钢桁架在竖向存在一定落差。左片空间交叉弧形钢桁架又是由形主桁架和15榀横向次桁架组成的；右片空间交叉弧形钢桁架也是由2榀纵向空间弧形主桁架和18榀横向次桁架组成的，如图所示。空间交叉桁架杆件采用热轧无缝钢管，钢材材质为Q345B。体育科技中心屋 盖在水平方 向的投影长度为 118.45m，而横向宽度是渐变的。整个屋盖左右两片空间交叉弧形钢桁架上均要开洞。屋盖钢结构空间弧形主桁架与下部混凝土摇摆柱来实现连接的。二.高层建筑剪力墙结构体系概述剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的

15、梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力。钢筋混凝土墙板能承受竖向和水平力，它的刚度很大，空间整体性好，房间内不外露梁、柱楞角，便于室内布置，方便使用。剪力墙结构形式是高层住宅采用最为广泛的一种结构形式。其墙体同时也起围护及分割房间的作用。整体性好，刚度大，抗震性能好，适于建造高层建筑。不过剪力墙间距太小，平面布置不灵活，自重大， 不适应建造公共建筑，一般适用于建造住宅。剪力墙结构体系主要有：框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒式结构等四大类。筒中筒结构体系概述筒中筒结构由心腹筒、框筒及桁架筒组合，一般心腹筒在内，框筒或桁架筒在外，由内外筒共同抵抗水平力作用。由剪力

16、墙围成的筒体称为实腹筒，在实腹筒墙体上开有规则排列的窗洞形成的开孔筒体称为框筒；筒体四壁由竖杆和斜杆形成的桁架组成则称为桁架筒。结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。高层建筑中基本的抗侧力单元是框架、剪力墙、实腹筒（又称井筒）、框筒及支撑由这几种单元可以组成多种结构体系。实例工程项目 一北京保利国际广场主塔楼工程概况保利国际广场项目位于北京市朝阳区大望京村项目包括三栋办公塔楼塔楼1即地标塔楼，是项目中最高的塔楼，共 32层，结构主体高度161.2m塔楼2共17层，高80m塔楼3共13层，高66

17、m地下共有3层，地下一层主要功能为商业，地下二层和地下三层主要为车库基础埋深17.6m，基础形式为桩筏+平板基础，超高层塔楼1下采用800大直径后压浆灌注桩，塔楼 2, 3 和裙楼部分采用平板基础。塔楼1建筑方案由美国SOM公司设计，采用独特的钻石型折叠网格造型结构体系依据建筑体型，采用交叉网格筒中筒体系， 外筒为钢管混凝土斜柱构成的交叉网格结构，无竖直柱子，内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒。抗侧力体系叠外形的交叉网格外筒和钢筋混凝土核心筒剪力墙交叉网格外筒的组成包括：1）斜向构件，以一定角度（约45° ）倾斜相交的斜柱，斜柱每根跨两层；2）水平构件，由外环梁和径向梁构成，外环梁沿塔楼1

18、的抗侧力结构体系包括独特折In屮间廣外周边每两层设置一圈，连接网格柱节筒之间作为一种新颖的框筒体系，交叉网格筒体的受力性能与一般框筒有很大差别。竖向承重体系塔楼1的楼盖承重体系由钢梁支承的点，径向梁支承于交叉网格节点和核心压型钢板组合楼板构成，核心筒外楼板厚度120mm由于外网格斜柱跨越两层，因此楼层自然划分为节点楼层和中间楼层，楼层平面 每四层重复一次节点楼层的标高与斜柱端节点对应，承重梁为一端支承在边梁另一端支承在核心筒剪力墙的组合钢梁中间楼层的标高与斜柱中点对应，为避免地震作用下柱中受到较大的侧向力，楼盖与网格柱不连接，采用吊柱支承边梁，吊柱荷载通过径向主梁传递到上层斜网格节点处。与交叉

19、网格节点相连的外环梁除承担本层楼面荷载外，还由于环箍效应而轴向受拉在1.2恒载+1.4活载工况下，下部楼层的外环梁轴力设计值最大达到2900kN环梁构件采用宽翼缘 H型钢或者箱形截面，并形成闭合环。与交叉网格相连的径向主梁既承受本层楼面荷载，还要通过吊柱承担其下方的中间楼层荷载，同时还由于约束网格节点的径向变形趋势而受到很大的轴向拉力在1.2恒载+1.4活载工况下，下部楼层的径向梁轴力设计值最大可达到11280kN为了有效传递轴向力，径向主梁与核心筒内的钢骨梁直接相连，钢骨梁按与径向梁轴向受拉等强设计核心筒内的楼板由钢筋混凝土梁和厚150mm楼板组成周边斜网格系统支承直接与之相连的外幕墙荷载实

20、例工程项目二南京紫峰大厦工程概况南京紫峰大厦钢结构工程与鼓楼大厦相邻，位于南京市鼓楼广场西北角，东至中央路，西至北京西路，南接中山北路，是集酒店、办公于一体的超五星级建筑， 总建筑面积261075m2 主楼地下4层，地上70层，标高+381.0m，屋顶天线桅杆顶标高 +450m楼层标准层高4.2m和 3.8 m，局部非标准层高6m和7m，桁架层和设备层高 8.4m。结构体系紫峰大厦采用了带有加强层的框架一核心筒混合结构体系，采用型钢混凝土柱、钢梁和钢TI筋混凝土核心筒，在层10、层35、层60处共设置了三个加强层。核心筒位于结构三角形平而 的中心位置，见蚓3，其而积大约占整个结构平而而积的27

21、%剪力墙厚度在1500mm到400m范同内变化，各片剪力墒通过连梁连接构成一个封闭的筒体，为结构提供了大部分的抗侧刚度和抗扭刚度。型钢混凝土组合柱的直径在 1750mm到900mm范围内变化。外围抗弯矩钢梁一 般为W600x180xlOx16。在每个加强层处，放置了 8.4m高的伸臂桁架把周边型钢混凝上柱与 核心筒连接在一起，并配合伸臂桁架还设置了周边带状桁架，把周边型钢混凝土柱连接在一起，从而使柱子更加均匀受力。外伸桁架与带 状桁架的设置显著增强了结构的抗侧移能力。周边的型钢混凝土柱与剧边钢梁刚性连接，构 成抗弯矩框架，形成了主楼的第二道抗侧力体 系。从基础底面到22层高度范围内核心筒外围

22、剪力墙厚度一般为im核心筒三角形顶部剪力 墙厚度一般为1.2m，最顶部的一片剪力墙厚度为£秋忙h1.5m;从23层到60层高度范围内核心筒外围剪力墙厚度一般为0.8m，核心筒三角形顶部剪力墙厚度一般为I.Om，最顶部的片剪力墙厚度为1.2m;在36层处，核心筒三角形底边内收一格减小，在61层以上，核心筒外围剪力墙厚度一般为0.4m，核心筒三角形顶部剪力墙厚度为0.6m。紫峰大厦的重力荷载抗力结构体系+*C111 C1 i-*C1O2是钢筋混凝土核心筒支承筒内的钢筋混凝土楼板，外围组合柱、抗弯矩钢粱、核心筒剪力墙 和钢混组合梁支承着压型钢板混凝土组合楼板。筒內勁性伸臂桁架L4外圈带状桁

23、架1曲桁架层体系桁架层分布于F10F11、F35F36 F60F6层，包括伸臂桁架和带状桁架，桁架层高8.4m。伸臂桁架主要包括筒内劲性伸臂桁架、筒外外挑伸臂桁架和外围 框架柱，连接 节点形式均 采用高强螺 栓连接，单榀 重量约750t， 最大构件重孑躍T面布蓋图12佃商虹面图量14.7t，外 围框架柱最 大构件重量21.6t。带状桁架连接节点采用翼缘板焊接腹板高强螺栓连接的组合 形式，单榀重量约200吨，最大构件重量10t。三博物馆建筑网架结构体系概述网架结构体系是一种新兴的屋盖结构， 它是由平面桁架发展起来的，由多根 杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。由于以桁架代替了梁，

24、所以，网架系统的双向作用可以用来跨越更大的面积， 是一种大面积的刚性覆盖 结构。因此，具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；可用作体育 馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库等，按其外形的不同， 可分为曲面网架和平面网架两类。悬索结构体系概述悬索结构是以一系列的受拉的钢索（或拉条）作为主要承重构件，钢索按一 定规律组成各种不同形式的结构体系，并悬挂在相应的支承结构上。悬索一般采 用由高强度钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束，也可以采用圆钢筋或带状薄钢 板。悬索结构通过钢索的轴向拉伸来抵抗外部的载荷作用，可以最充分地利用钢材的抗拉强度，采用高强度钢材时，更可大大的减轻结构自重

25、。它的主要特点是 受力合理，可以充分的利用高强度钢索的性能， 能较经济的跨越很大的跨度。悬 索结构便于建筑造型，适用于多样的平面图形和外形轮廓，能较自由的满足各种 建筑功能的要求。实例工程项目 一金沙遗址采光屋顶工程概况成都金沙遗址博物 馆位于成都市城西金 沙遗址路2号,属遗址 类博物馆，是国务院公 布的第六批全国重点2；岀Ac内环园林区、游客 接待中心等部 分组成。采光 屋顶预应力悬 索属于陈列馆 的屋顶部分, 其跨度为 23m。结构体系该工程采用结构形式为悬索结构 ，屋顶平面近似为圆形，直径约为23m,矢高为2m。上层索 网和下层索网之间通过不锈钢撑杆相连 ，中间设置1个不锈钢内环梁和三圈

26、环索，形成一个稳 定的受力体系。径向索由上、下层两部分 ，均有24根，采用索型为BRUGGSpiral Strand 1X 61 型,26mm,强度 1 450MPa,固定端采用 OPEN SWAGED SOCKET Stainless Steel,调节端采用TURNBUCKLEWITHOPENSOCKETStainless Steel 。环向索采用索型为 BRUGG Spiral Strand 1X 61 型，20mm,强度等级 1 450MPa,索端采用 OPEN SWAGED SOCKETStainless Steel 的压接菽為连播件头，索端连接处采用调节套筒。结构如图所示。节点设计结构钢索相关节点主要有3部分，第1部分为上层径向索、上层环索及撑杆的连接；第2部分为下层径向索、下层环向索及撑杆的连接;