巨型结构知识讲解

1、l超高层结构发展的需要超高层结构发展的需要 国内、国外，高层建筑的高度大幅度增长，国内、国外，高层建筑的高度大幅度增长，趋势是越来越高，一般传统的三种结构体系趋势是越来越高，一般传统的三种结构体系框架、剪力墙、框架框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系已经剪力墙结构体系已经难以满足要求，需要能适应超高、更加经济难以满足要求，需要能适应超高、更加经济有效的抗风、抗震结构体系。有效的抗风、抗震结构体系。l建筑使用功能的需要建筑使用功能的需要一些超高层建筑设计方案中往往有内部的一些超高层建筑设计方案中往往有内部的共享空间，或进行豪华的建筑装修处理，或共享空间，或进行豪华的建筑装修处理，或将大自然风光引进

2、楼内，需要能提供特大空将大自然风光引进楼内，需要能提供特大空间的超高层巨型结构体系。间的超高层巨型结构体系。l巨型结构巨型结构巨型结构的概念产生于巨型结构的概念产生于6060年代末。它是指年代末。它是指在一座建筑中，由几个大型结构单元组成主在一座建筑中，由几个大型结构单元组成主结构，并与其它结构单元组成的次结构共同结构，并与其它结构单元组成的次结构共同工作，从而获得更大的整体稳定性和更高的工作，从而获得更大的整体稳定性和更高的效能的高层建筑结构。效能的高层建筑结构。巨型结构是两级结构。巨型结构是两级结构。l主结构主结构由巨型柱、巨型梁、巨型支由巨型柱、巨型梁、巨型支撑组成撑组成巨型柱的尺寸常超

3、过一个普巨型柱的尺寸常超过一个普通框架的柱距，形式上可以通框架的柱距，形式上可以是巨大的实腹钢骨混凝土柱，是巨大的实腹钢骨混凝土柱，空间格构式桁架或筒体空间格构式桁架或筒体巨型梁采用高度在一层以上巨型梁采用高度在一层以上的平面或空间格构式桁架，的平面或空间格构式桁架，一般隔若干层才设置一道一般隔若干层才设置一道巨型结构l主结构主结构主要承担各楼层的重力荷载和主要承担各楼层的重力荷载和风、地震引起的全部水平荷载。风、地震引起的全部水平荷载。主要的抗侧力构件。主要的抗侧力构件。巨型支撑通常有巨型支撑通常有2 2种形式：一种形式：一种是钢构件作为支撑与柱子用种是钢构件作为支撑与柱子用节点板相连；另一

4、种是用混凝节点板相连；另一种是用混凝土或砌块等填充物作为支撑，土或砌块等填充物作为支撑，一般用于混凝土结构的大型支一般用于混凝土结构的大型支撑框筒体系。撑框筒体系。巨型结构l次结构次结构由常规结构体系和结构构件由常规结构体系和结构构件组成。组成。从属结构，每隔数层分为一从属结构，每隔数层分为一组，支承于主体结构的大梁组，支承于主体结构的大梁上，或悬挂于大梁之下。上，或悬挂于大梁之下。主要承担竖向荷载，并负责主要承担竖向荷载，并负责将力传给主结构；它对抗侧将力传给主结构；它对抗侧力的贡献很小，仅起辅助作力的贡献很小，仅起辅助作用和大震下的耗能作用。用和大震下的耗能作用。l巨型结构体系一般可按巨型

5、结构体系一般可按其主要抗侧力体系的不其主要抗侧力体系的不同而分类同而分类巨型框架结构巨型框架结构巨型支撑结构巨型支撑结构巨型框架结构巨型支撑结构l巨型框架结构巨型框架结构又被称为主次框架结又被称为主次框架结构体系构体系l主框架可以形象地比喻为按比例放主框架可以形象地比喻为按比例放大的框架，是主要抗侧力体系，其大的框架，是主要抗侧力体系，其大梁充当刚臂，把两边的大柱连在大梁充当刚臂，把两边的大柱连在一起，组成一个整体巨型框架，共一起，组成一个整体巨型框架，共同抵抗水平荷载作用。同抵抗水平荷载作用。l再在上下巨型大梁之间设置楼层框再在上下巨型大梁之间设置楼层框架或其它形式的受力体系作为二级架或其它

6、形式的受力体系作为二级传力体系，主要负责将楼面竖向荷传力体系，主要负责将楼面竖向荷载传递到巨型框架大梁上。载传递到巨型框架大梁上。l巨型框架结构可按组成材料分为巨型框架结构可按组成材料分为纯钢结构巨型框架纯钢结构巨型框架钢筋混凝土巨型框架钢筋混凝土巨型框架钢钢- -混凝土混合结构巨型框架混凝土混合结构巨型框架l纯钢结构巨型框架纯钢结构巨型框架梁可分为桁架型、斜梁可分为桁架型、斜格型格型主框架的梁和柱一般主框架的梁和柱一般采用空心立体杆件采用空心立体杆件柱可分为支撑型、斜柱可分为支撑型、斜格型、框筒型格型、框筒型l日本日本NECNEC办公大楼办公大楼日本日本NECNEC办公大楼位于东京，办公大楼

7、位于东京，地上地上4343层，地下层，地下4 4层，屋顶间层，屋顶间1 1层，高层，高180m180m。由于该建筑在布。由于该建筑在布局上有如下要求：局上有如下要求： 在底层到在底层到1313层之间设置内层之间设置内部大庭园部大庭园 1313层到层到1515层之间设置横贯层之间设置横贯整个房屋的具有整个房屋的具有3 3层楼高的层楼高的大开口。大开口。l日本日本NECNEC办公大楼办公大楼该体系的主结构是由四根该体系的主结构是由四根巨型格构柱和分别布置在巨型格构柱和分别布置在地下室及地下室及1616、2727、3838层的层的4 4根巨型桁架梁所组成，根巨型桁架梁所组成，主结构几乎承担着整个建主

8、结构几乎承担着整个建筑的全部侧向荷载。筑的全部侧向荷载。l日本日本NECNEC办公大楼办公大楼底层的风荷裁剪力为地震剪底层的风荷裁剪力为地震剪力的力的6161，表明是地震起控，表明是地震起控制作用，该大楼虽高制作用，该大楼虽高180m180m，但横向周期仅为但横向周期仅为3 344s44s，纵，纵向周期仅为向周期仅为3 342s42s，均比常，均比常规结构体系约短规结构体系约短2020，足以，足以说明巨型框架结构具有很大说明巨型框架结构具有很大的抗推刚度。的抗推刚度。l神户神户TCTC大厦大厦该建筑是一座高层该建筑是一座高层办公楼，地下办公楼，地下3 3层，层，地上地上2525层，高层，高10

9、3m103m建筑平面尺建筑平面尺寸为寸为3232mxmx 33m 33m，接，接近正方形。近正方形。l神户神户TCTC大厦大厦在平面四角均采用以在平面四角均采用以4 4片人字形竖向支撑片人字形竖向支撑与柱距为与柱距为5 57m7m的的4 4根根钢柱所围成的、边长钢柱所围成的、边长约约6 65m5m的钢支撑筒的钢支撑筒作为巨型柱作为巨型柱在在1414层和顶层设高度层和顶层设高度等于层高的巨型桁架等于层高的巨型桁架梁，与巨型柱组成单梁，与巨型柱组成单跨双层巨型框架跨双层巨型框架l神户神户TCTC大厦大厦巨型框架在一个方巨型框架在一个方向成对布置，在另向成对布置，在另一个方向仅布置在一个方向仅布置在

10、外侧，以便给巨型外侧，以便给巨型柱包围的角部空间柱包围的角部空间留有入口。留有入口。l钢筋混凝土巨型框架钢筋混凝土巨型框架我国已建成的巨型框架结构均为钢筋混凝土结构。由于巨型我国已建成的巨型框架结构均为钢筋混凝土结构。由于巨型框架结构大梁的跨度非常大，而且承担荷载极大，为了控制框架结构大梁的跨度非常大，而且承担荷载极大，为了控制大梁变形和节约材料，一般须对之施加预应力，故它也是一大梁变形和节约材料，一般须对之施加预应力，故它也是一种新型预应力结构体系。种新型预应力结构体系。钢筋混凝土巨型框架主框架的柱一般采用型钢混凝土柱或筒钢筋混凝土巨型框架主框架的柱一般采用型钢混凝土柱或筒体，梁可分为钢桁架

11、、斜格型杆件或钢筋混凝土大梁体，梁可分为钢桁架、斜格型杆件或钢筋混凝土大梁( (箱型或箱型或实心实心) )l深圳新华大厦深圳新华大厦深圳新华大厦深圳新华大厦(35(35层层) )采用采用正方形平面，其主体结构正方形平面，其主体结构由芯筒和外圈巨型框架组由芯筒和外圈巨型框架组组成，芯筒平面为矩形，组成，芯筒平面为矩形，设设4 4道横隔墙和道横隔墙和2 2道纵隔墙道纵隔墙l深圳新华大厦深圳新华大厦楼层平面的外圈为钢筋混凝楼层平面的外圈为钢筋混凝土巨型框架，平面四角的大土巨型框架，平面四角的大截面双肢柱作为四边主框架截面双肢柱作为四边主框架的的4 4根角住沿楼房高度从下根角住沿楼房高度从下到上分别每

12、隔到上分别每隔3 3层、层、9 9层、层、1010层设置预应力混凝土大截面层设置预应力混凝土大截面梁，与梁，与4 4根角柱一起构成主框根角柱一起构成主框架架在主框架的各层大梁之间设在主框架的各层大梁之间设置置3-103-10层楼高的较小截面次层楼高的较小截面次框架。框架。l深圳新华大厦深圳新华大厦l深圳香格里拉大酒深圳香格里拉大酒店店主楼主楼(33(33层层) )，高，高1141145m5m，平面为平面为Y Y形，按形，按7 7度地震进度地震进行抗震设防行抗震设防它利用中央核心筒和它利用中央核心筒和3 3个端个端筒作为主框架的筒作为主框架的4 4根立柱，根立柱，沿竖向每大层设置沿竖向每大层设置

13、1212根转根转换大梁，每一翼的换大梁，每一翼的4 4根梁组根梁组成本层巨型框架大梁，成本层巨型框架大梁，3 3肢肢主框架构成平面为主框架构成平面为Y Y形的巨形的巨型框架体系型框架体系l深圳香格里拉大酒店深圳香格里拉大酒店在主框架的每层大梁上建立在主框架的每层大梁上建立一个一个6 6层楼高的次框架在层楼高的次框架在每榀次框架的顶层，所有中每榀次框架的顶层，所有中柱均在第柱均在第6 6层楼板处中止，层楼板处中止，为第为第6 6楼层造就出一个全楼楼层造就出一个全楼面的无柱大空间，方便了该面的无柱大空间，方便了该楼层使用上的合理布局楼层使用上的合理布局l深圳香格里拉大酒店深圳香格里拉大酒店l新加坡

14、华侨银行大厦新加坡华侨银行大厦巨型框架柱为钢筋混巨型框架柱为钢筋混凝土半圆支撑筒凝土半圆支撑筒巨型框架大梁除第一巨型框架大梁除第一层为钢筋混凝土大梁层为钢筋混凝土大梁外，其余各层大梁均外，其余各层大梁均为钢结构框架为钢结构框架l次结构为悬挂体系的巨型框架结构次结构为悬挂体系的巨型框架结构有时为了增加在地震作用下结构的耗能，有时为了增加在地震作用下结构的耗能，在主次结构之间增加耗能元件，或者将次结在主次结构之间增加耗能元件，或者将次结构做成悬挂结构。构做成悬挂结构。l香港汇丰银行香港汇丰银行香港汇丰银行香港汇丰银行(48(48层层) )，高，高1781788m8m，整个巨型，整个巨型框架结构由框

15、架结构由8 8根钢管组合柱承担，每根组合柱根钢管组合柱承担，每根组合柱由由4 4根直径为根直径为1400mm1400mm的钢管组成，纵、横向桁的钢管组成，纵、横向桁架梁共有架梁共有5 5层，每道桁架梁伸出柱外层，每道桁架梁伸出柱外10108m8m，楼面通过吊杆悬挂在桁架大梁上。楼面通过吊杆悬挂在桁架大梁上。l香港汇丰银行香港汇丰银行结构平面结构纵剖面结构横剖面l香港汇丰银行香港汇丰银行风荷载作用下的结构分析表明，在水平力作用下，风荷载作用下的结构分析表明，在水平力作用下，结构的侧移曲线为剪切型变形，沿房屋纵向结构的结构的侧移曲线为剪切型变形，沿房屋纵向结构的基本周期为基本周期为4 45s5s，

16、第，第2 2、第、第3 3扭转振型的周期分别为扭转振型的周期分别为3 37s7s和和3 31s,1s,比其它结构体系的自振周期稍长，表比其它结构体系的自振周期稍长，表明其耗能能力颇佳，结构总用钢量为明其耗能能力颇佳，结构总用钢量为2500025000t t。l香港汇丰银行香港汇丰银行l香港汇丰银行香港汇丰银行l体系的构成体系的构成 巨型支撑结构是由巨型空间支撑、支巨型支撑结构是由巨型空间支撑、支撑平面内的次框架及结构内部的次框撑平面内的次框架及结构内部的次框架组成。架组成。 巨型空间支撑承担绝大部分竖向荷载巨型空间支撑承担绝大部分竖向荷载和水平荷载（风、地震）。和水平荷载（风、地震）。 支撑平

17、面内的次框架及结构内部的次支撑平面内的次框架及结构内部的次框架将每组若干楼层的竖向荷载和局框架将每组若干楼层的竖向荷载和局部水平荷载向巨型支结构体系的主构部水平荷载向巨型支结构体系的主构件传递。件传递。l体系的构成体系的构成 巨型支撑一般采用型钢制作，通常沿建巨型支撑一般采用型钢制作，通常沿建筑物的外框周边布置，各个面的支撑杆筑物的外框周边布置，各个面的支撑杆件在建筑物的角部汇交于同一根竖向杆件在建筑物的角部汇交于同一根竖向杆件（角柱）。在建筑物内部，有时也沿件（角柱）。在建筑物内部，有时也沿对角线方向设置支撑。对角线方向设置支撑。 角柱可以采用型钢，也可以采用型钢混角柱可以采用型钢，也可以采

18、用型钢混凝土。凝土。l结构的受力特点结构的受力特点 轴力取代弯矩传递剪力轴力取代弯矩传递剪力 具有最大的抗力偶力臂具有最大的抗力偶力臂 消除剪力滞后效应消除剪力滞后效应 避免柱子侧向失稳避免柱子侧向失稳l香港中银大厦香港中银大厦该建筑于该建筑于19901990年年5 5月落成，地面月落成，地面以上共以上共7070层，高层，高315m315m，屋顶天线，屋顶天线的顶端标高为的顶端标高为368m368m。由国际著名。由国际著名建筑师贝聿铭作建筑设计，罗伯建筑师贝聿铭作建筑设计，罗伯逊公司作结构设计。整体建筑像逊公司作结构设计。整体建筑像晶体。晶体。该大楼底部平面为该大楼底部平面为525252m52

19、m的正的正方形，利用正方形的对角线，将方形，利用正方形的对角线，将该正方形平面划分为四个三角形该正方形平面划分为四个三角形区，由下往上每隔若干层（区，由下往上每隔若干层（2525层层或或1313层）减少一个三角形区，经层）减少一个三角形区，经过过3 3次变化，到上部楼层只保留次变化，到上部楼层只保留一个三角形区直到顶部。一个三角形区直到顶部。l香港中银大厦香港中银大厦该大楼采用由该大楼采用由5 5根型钢混凝土柱及根型钢混凝土柱及8 8榀平面支撑组成巨型支撑结构体系。榀平面支撑组成巨型支撑结构体系。四根角柱直接座到基础，位于正方四根角柱直接座到基础，位于正方形对角线交点的中心柱，由顶层向形对角线

20、交点的中心柱，由顶层向下延伸到第下延伸到第2525层终止。层终止。在支撑在支撑A A的平面内设置的平面内设置5 5根小钢柱；根小钢柱；在支撑在支撑B B的平面内设置的平面内设置2 2根小钢柱，根小钢柱，它们将楼层重力荷载向支撑角柱传它们将楼层重力荷载向支撑角柱传递。递。八片支撑的平面位置l香港中银大厦香港中银大厦巨型支撑结构体系的型钢混凝巨型支撑结构体系的型钢混凝土角柱，分别与三个方向的水土角柱，分别与三个方向的水平杆和斜杆连接，角柱截面向平杆和斜杆连接，角柱截面向上分段减小。上分段减小。型钢混凝土角柱l香港中银大厦香港中银大厦巨型支撑结构体系的平面支撑是以巨型支撑结构体系的平面支撑是以131

21、3个楼层的高度为一个节间，每隔个楼层的高度为一个节间，每隔1212个个楼层设置一根水平杆，采取桁架式结楼层设置一根水平杆，采取桁架式结构，占一层楼高度。构，占一层楼高度。支撑斜杆跨越支撑斜杆跨越1212个楼层的高度。斜杆个楼层的高度。斜杆的倾角接近的倾角接近4545，斜杆采用由，斜杆采用由4 4块钢块钢板拼焊成矩形管状截面，截面尺寸为板拼焊成矩形管状截面，截面尺寸为1000mm1000mm500mm 500mm 90mm,90mm,管内填灌混管内填灌混凝土。同时利用立体式支撑及各支撑凝土。同时利用立体式支撑及各支撑平面内的钢柱和斜杆，将各楼层重力平面内的钢柱和斜杆，将各楼层重力荷载传递到角柱。

22、荷载传递到角柱。l香港中银大厦香港中银大厦由于将起抗倾覆力矩作用的型钢混凝土柱布置在由于将起抗倾覆力矩作用的型钢混凝土柱布置在平面的平面的4 4个角上，从而在抵抗任何方向的水平力个角上，从而在抵抗任何方向的水平力时均具有最大的力臂香港地区风荷载对结构引时均具有最大的力臂香港地区风荷载对结构引起的底部剪力大致等于美国洛杉矶地震作用的起的底部剪力大致等于美国洛杉矶地震作用的4 4倍、风荷载的倍、风荷载的3 3倍，即使这样其用钢量还是比同倍，即使这样其用钢量还是比同样高度的其他楼房节约样高度的其他楼房节约4040左右。左右。香港中银大厦香港中银大厦香港中银大厦香港中银大厦l美国芝加哥汉考克大厦美国芝加哥汉考克大厦19701970年建成，年建成，100100层，总高度为层，总高度为332332m m。大厦采用上小下大的矩形截锥体型，大厦采用上小下大的矩形截锥体型，底层平面尺寸为底层平面尺寸为79.9m79.9m46.9m,46.9m,顶层顶层平面尺寸为平面尺寸为48.6m 48.6m 30.4m30.4m。沿框筒。沿框筒周围设置了巨型交叉支撑。周围设置了巨型交叉支撑。l美国芝加哥汉考克大厦美国芝加哥汉考克大厦支撑框筒的柱、窗裙梁和斜杆均支撑框筒的柱、窗裙梁和斜杆均采用由三块厚钢板焊接成的工字采用由三块厚钢