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。13902264345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）结构分类构件（structuralmembers）组成混合结构钢结构不开裂构件型钢、钢板、高强钢丝（钢绞线）、钢棒（简称S）钢管混凝土（Concrete-filledSteelTubular，简称ST·C）钢梁+压型钢板上现浇砼组合件（Steel-Concretecomposite，简称S-C）混凝土结构带裂缝工作的构件钢筋混凝土（ReinforcedConcrete，简称RC）型钢砼或钢骨混凝土（Steel-ReinforcedConcrete，简称RC·S）部分预应力混凝土（PartialPrestressedConcrete，简称PPC）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No规范（程）抗侧力体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度0.10g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g1规范[1]P.96全钢a筒体300280260240180b框架-中心支撑220200180150120P.48混凝土c框架-核心筒1501301009070当房屋高度超过c项时，可采用钢框架-混凝土核心筒混合结构组成的抗侧力体系，但此时的[H]不宜超过b、c两项高度的平均值（详见规范[1]P.213）。2规程[2]P.123混合钢框架-RC核心筒210200160120100703规程[3]P.1全钢框架-支撑（剪力墙板）260220200140各类筒体360300260180P.1混合钢框架-混凝土核心筒220180100704规程[4]混合钢框架-RC（RC·S）核心筒160120100--钢框架-RC核心筒钢框架-RC·S核心筒2102302002201801801201307070[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B3~57F57F~61F61F~79FM440D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翼柱建筑结构传统(convensional)现代(modern)砖石结构砖混结构(n=1~6层)高层（耸）结构TallBuilding、HighRiseStructure屋盖结构(RoofStructure)圬工结构,如水坝承重砖墙+木楼盖或砼楼盖混凝土（砼）钢屋盖形效结构（轴力结构）大跨度（L≥100m）屋盖弯矩结构中、小跨度RCPCSPS框架；框架-支撑（钢板剪力墙）；框筒；巨型结构；悬挂体系。刚性结构-如网壳等柔性结构-如索穹顶等杂交结构-如悬支穹顶等实腹梁、桁架、张弦梁（一、二维）、格栅、网架、门式刚架等钢筋混凝土（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①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]。②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+钢框架的高度限值规范（程）8度抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度0.10g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g规范[1]18516514012095规程[2]21020016012010070规程[3]22018010070规程[4]双重160120100——非双重21020018012070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：①采用轻质高强材料；②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.工程名称EmpireStateBuildingWorldTradeCenterSearsTower高度H(m)381416.966443.179结构方案框架框筒束筒用钢量(kg/m2)206186.6161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)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工程名称年代底层平面(m×m)总面积(万m2)层数高度H(m)结构方案型钢+钢筋总用钢（万t）混凝土用量（万m3）用钢量（kg/m2）全钢结构EmpirestateBuilding（帝国大厦）1931130×6044.35102381框架206WorldTradeCenter（世界贸易中心）197363.5×63.545110415.138南塔框筒8.34.5（楼板）186.6SearsTower（西尔斯塔）197468.55×68.55110443.179束筒161注：H=1250ft=1250×12×0.0