1、结构选型建筑体系实例分析 建筑1002班 何流 14号一 体育馆建筑-（钢架；桁架结构体系）二 高层建筑 -（剪力墙；筒中筒结构体系）三 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2、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。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3、面积89.6公顷,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,矢高64m4、,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825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,使拱支座不产生水平位移。东西向的水平推力由两相对称的拱脚下的地梁平衡。 a - 平面 ; b5、 - 轴侧 ;c - 立面 ; d - 端部立面 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824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 南京奥林匹克体育中6、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120m110m,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工程概况 南京奥体体育科技中心位于南京奥体中7、心的西南隅,由九层主楼(体育新闻中心),四层裙房(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80018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8、梯间设置了壁厚为500mm的混凝土筒体。框架梁截面HW4004001321,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75mm。弧形桁架节间竖向距离10m,弦杆采用90012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9、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。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:(1)采用钢管混凝土柱,抗侧能力强,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80018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80018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19.8%;(3)塔身在31.2m标高以下利用外扩楼梯间10、设置3m7.4m的混凝土筒体,并将塔身中部范围内筒体墙厚加厚至500mm;(4)立面和观光要求在、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增加到5.20m,塔身在Y方向仅有轴线一道竖向支撑。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20040012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;(6)观光层上下平台间沿露天平台内侧环向设置22根24512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11、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=3000kN实例工程项目三南京奥体新闻科技中心工程概况 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,12、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、柱和剪力墙均为C40。屋盖结构为空间交叉桁架体系,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。结构布置 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2榀纵向空间弧形主桁架和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13、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。14、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15、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66m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16、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 塔楼1的抗侧力结构体系包括独特折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，外环梁沿外周边每两层设置一圈，连接网格柱节点，径向梁支承于交叉网格节点和核心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17、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18、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19、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%，剪力墙厚度在1500mm到400mm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W600 x180xlOx16。在每个加强层处，放置了8.4m高的伸臂桁架把20、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剪力墙厚度一般为1m，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1.5m;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l.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21、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。桁架层体系 桁架层分布于F10F11、F35F36、F60F61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。22、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，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23、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。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文物保护单位。总建筑面积约38 000m2,主要由遗迹馆、陈列馆、文物保护中心、生态环境园林区、游客接待中心等部分组成。采光屋顶预应力悬索属24、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 161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 161型, 20mm25、,强度等级1 450MPa,索端采用OPEN SWAGED SOCKETStainless Steel的压接头,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;第3部分为内环梁节点。采光屋顶屋面悬索结构所有撑杆及节点配件均采用不锈钢,节点构造简洁明快、精致美观,构造形式采用一字形和十字形两种。为满足建筑设计要求,撑杆上节点玻璃屋面与索网之间的连接采用与点支玻璃幕墙相同的方式:在每个不锈钢撑杆的位置都伸出一个驳接爪,用以支撑上面的玻璃。由于钢索采用一端张拉,一端固定,所以径向索26、与外环梁连接采用1块耳板加2块焊接补强板。实例工程项目 二上海科技馆工程概况 上海科技馆位于上海浦东花木行政中心区,场地面积68 726m2,主楼建筑面积88 000m2,最高层数4层,最高点49m,层高10m。建筑设计由美国RTKL和上海建筑设计研究院完成,结构设计由上海建筑设计研究院完成。 在建筑物中轴线上有一由单层网壳和通透玻璃组成的椭圆球体大厅,是建筑设计中的重点。球体在整个建筑物中相对独立,与周边脱离,形成一个巨型通透中庭空间。结构体系 科技馆椭圆形球体结构单层网壳的长轴67m,短轴51m,椭球体为沿椭圆平面长轴旋转体,削去下半部分而成。球高42.2m。球体两侧各开有宽9m、高16m27、的大门洞,端部有个宽9m、高5m的小门洞。球体下端支座分成两个标高,分别在首层及地下层1平面。 根据建筑使用功能的要求、网壳静力特性的要求及荷载传递方式的要求,网壳结构采用联方型与凯威特型相结合的形式。在接近赤道的上下部位采用了联方型,而在顶部部分则采用凯威特型。确定结构形式后,网格数和网格尺寸即可确定。钢网壳结构由上海建筑设计研究院设计,设计基本情况为圆钢管单层网壳结构,三种截面尺寸分别为 1596, 2198, 27312,节点采用独创的空心焊接鼓形节点,有限元分析采用刚节点计算模型;铝网壳结构由Temcor公司设计,杆件断面为H形,高254mm,宽分别为158,172,215mm三种,杆件材料为铝合金型材6061-T6,节点形式为板式节点,板平面为圆盘形,直径分别为400,450mm,材料为铝合金6061-T6,紧固螺栓为305系列不锈钢,紧固螺帽为6061热处理铝合金。