結(jié)構(gòu)的材料課件

高層建筑的結(jié)構(gòu)材料

(SCandSRC)

鋼骨-鋼筋水泥三月八日–跨學(xué)科活動日B5活動洪港生老師國金二期中銀大廈長江中心中環(huán)廣場合和中心香港金融區(qū)天際線

“竹竿身材”如何抵御臺風(fēng)、地震等外界侵襲呢？鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(RC)、鋼結(jié)構(gòu)(SC)

與鋼骨混合水泥結(jié)構(gòu)(SRC)

結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)點、缺點，摩天大樓使用的材料如C40混凝土、鋼骨框架等，幕墻建筑的運用。鋼結(jié)構(gòu)的特點鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以實行工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝。由于現(xiàn)場作業(yè)量小，少污染環(huán)境。施工機械化度高，施工快。同樣面積建筑物，鋼結(jié)構(gòu)比砼結(jié)構(gòu)工期短三分一，且可節(jié)省支模材料。鋼屬于均質(zhì)材料，鋼筋混凝土屬非均質(zhì)材料。鋼結(jié)構(gòu)建筑物，應(yīng)力全由鋼骨承受，不同于鋼筋混凝土由混凝土承受壓應(yīng)力、抗拉鋼筋承受拉應(yīng)力。鋼，具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、地基費用省、外形美觀等一系列優(yōu)點。SRC(SteelandReinforcedConcrete)防震鋼骨大樓鋼骨的韌性，能減輕地震對結(jié)構(gòu)體的破壞，混凝土的延展性能降低非結(jié)構(gòu)體的破壞。鋼骨結(jié)構(gòu)梁與柱的緊密一致的正面接合，使構(gòu)材充份發(fā)揮『抗震效果』。SRC結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土包構(gòu)鋼骨，是最安全的柱梁，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻分配傳遞，抗震效果最好。優(yōu)點:耐久性，防火性高。由RC承受鋼骨變形量，地震時搖晃程度較SC結(jié)構(gòu)小，減輕內(nèi)部擺設(shè)之破壞，舒適度較佳。結(jié)構(gòu)材料韌性高於RC?？蓽p緩鋼骨局部挫屈之情形。

可免除鋼結(jié)構(gòu)所需之裝修工程，且可加大跨度。鋼骨可作為施工中之支撐。缺點施工期較RC結(jié)構(gòu)長3-4個月。多鋼骨材料，造價高于RC。

剪力墻（shearwall）稱為耐震壁，是建筑物抗震的重要結(jié)構(gòu)體，通常被設(shè)計在電梯間，較一般墻壁厚許多（25-50公分)，大多都是鋼筋混凝土所建構(gòu)。剪力墻的勁度大，承擔(dān)大部份結(jié)構(gòu)物的水平力，在地震初期就把大部份的能量吸收，減少結(jié)構(gòu)的破壞，是耐震設(shè)計中重要的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。鋼骨外層另配鋼筋，并灌漿作保護層，好處是具有鋼骨構(gòu)造及RC構(gòu)造的優(yōu)點。柱子強度高則柱斷面小，使整個建筑重量變輕，減少受地震力的影響。純鋼骨建筑受側(cè)向力時變形過大，地震來時搖晃程度比RC構(gòu)造利害，RC保護層構(gòu)造減少變形過大的問題。鋼骨-鋼筋混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土(RC)不是蓋高樓的好材料倒不是RC不能蓋高樓，而是蓋到21層的RC建筑，在載重層層累積下，那柱子可能會大到1.2M*1.2M以上，嚴(yán)重影響室內(nèi)可用空間和隔間。超過20層的就經(jīng)濟而言應(yīng)該用SRC或SC，有效減低「構(gòu)材尺寸」，又能兼顧韌性抗震。因為地震力跟建筑重量成正比，頂樓只要負(fù)擔(dān)該層結(jié)構(gòu)體重量所形成的側(cè)向作用力，負(fù)擔(dān)的力量小，沒有其他因素的話，變形自然就最小﹔但一樓卻必須負(fù)擔(dān)其上所有樓層累加重量形成的側(cè)向作用力，因此以剪力而言，一樓自然受力最大。

自然界常見的野草為例

草長得高(25CM高好了)的時候(樓層高)，那草通常就必須跟著風(fēng)吹的韻律搖阿搖，借著搖晃來抵銷水平風(fēng)力的能量，草就不會吹倒或連根拔起，但是你如果把草剪成剩三分之一長度(8CM高好了)，那只剩下半段的草大概就不會去搖了，而是以本身該下半段的硬度直接去抵抗風(fēng)力﹔建筑物結(jié)構(gòu)要選用何種型式去對抗水平力(地震,風(fēng)力)，得看建筑細(xì)長比例(高/平面面積)而定。細(xì)長比越大，比較適合用韌性材料去處理(鋼骨好)，反之則否(低樓以剛性去處理

–RC好)。一般10層以下的房子適合用RC(鋼筋混凝土)的，中高層建筑(15-25層)可用SRC(鋼骨鋼筋混凝土)的，超高層建筑則適用SC(鋼骨構(gòu)造)的。梁柱彎矩接合合成梁—剪力連接器

合成柱－十字形組合斷面

基礎(chǔ)板接合—承受軸壓力柱及基礎(chǔ)板接合

鋼骨多種接合模式逆打鋼支柱RC灌漿基樁RC灌漿鋼混水泥結(jié)構(gòu)的施工鋼骨構(gòu)件澆灌C50混凝土成鋼骨鋼筋的高樓

臺灣巨蛋大廈SRC(鋼骨-鋼筋結(jié)構(gòu))ＳＲＣ結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼骨的高抗拉能力以及混凝土的高抗壓能力，兼顧結(jié)構(gòu)的韌性和剛性。ＢＯＸ方型鋼柱，在鋼骨的四周外圍，以堅固的水泥做保護層，不僅有優(yōu)越的抗震性，比ＳＣ純鋼骨具備更佳的耐火性。每棟建筑的十六根柱結(jié)構(gòu)，宛如井字型的九宮格，前后左右對稱，無論四面八方受力都非常地平衡，不會旋轉(zhuǎn)扭曲，這就是最安全的韌性立體剛構(gòu)架。每棟建筑都有兩道厚達(dá)７０cm

的剪力墻，以增加結(jié)構(gòu)的剛性，除了有效提升抗震力，更能減輕地震或強風(fēng)所造成的搖晃，即使住在高樓層不會暈，家中擺設(shè)不會掉落。

世界摩天大樓的建筑材料從八十年代至今由于鋼結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的盛行，鋼構(gòu)安裝技術(shù)有新發(fā)展。以塔式起重機為主機進(jìn)行安裝，高強螺栓連接取代鉚接和部分焊接。

在世界范圍內(nèi)（日本除外）高度200—

262m的建筑物，RＣ結(jié)構(gòu)跟鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)，是可以相互競爭領(lǐng)域，在200m以下的建筑物，RC結(jié)構(gòu)所占的比例大。在262m以上的建筑，全部為鋼或鋼混結(jié)構(gòu)。在全世界最高的104幢建筑物中，鋼結(jié)構(gòu)占69幢，鋼混結(jié)構(gòu)占21幢，且占據(jù)了前面第1～19名和21～28名的位置。RC結(jié)構(gòu)僅占14幢。

香港上海匯豐銀行總行諾曼·福斯特大膽采用鋼骨及玻璃為基本建材，取消傳統(tǒng)用梁柱支撐內(nèi)部的做法，將建筑結(jié)構(gòu)完全開放，在入口手扶梯處向上望，銀行里的活動情形清晰可見。安全方面是通過精密的風(fēng)速、聲波測試。每一個細(xì)部、桁架、斜撐和桿件都似乎負(fù)載著巨大的荷載。大廈從八組柱子上騰空架起，建筑懸立在3組垂直組合的4對鋼柱上，在整個高度上，5組2層高的桁架將鋼柱連接起來，備組樓層就懸掛在桁架上。3組垂直的樓身結(jié)構(gòu)高度不一，形成了一個錯落的輪廓。外墻是特別設(shè)計的外包鋁板結(jié)構(gòu)和透明玻璃板的組合，以表現(xiàn)內(nèi)部空間的豐富。成束筒體系是由多個筒體組成的筒體結(jié)構(gòu)。最典型的成束筒體系的建筑為美國芝加哥的西爾斯塔樓。美國芝加哥的西爾斯塔樓（1974），地上110層，地下3層，高443m，包括兩根TV天線高475.18m，采用鋼結(jié)構(gòu)成束筒體系。1～50層由9個小方筒連組成一個大方形筒體，在51～66層截去一個對角線上的二個筒，67～90層又截去另一對角線上的另兩個筒，91層及以上只保留二個筒，形成立面的參差錯落，使立面富有變化和層次，簡潔明快。西爾斯樓筒體不同高度的截面美國芝加哥西爾斯塔樓【圖說︰這是世貿(mào)大樓當(dāng)年正在建筑時的情景。照片中，大樓鋼絲網(wǎng)外墻骨架看得一清二楚。】現(xiàn)代摩天大樓的設(shè)計，是以建筑物的中央核心支撐起整個結(jié)構(gòu)，周圍外柱的功能就像支架，能使大樓在臺風(fēng)、地震中不至傾倒或滑動。同時，每層的地板則將內(nèi)外支架聯(lián)系在一起，以撐起整棟建筑。世貿(mào)大樓的設(shè)計，代表1960年代后期最先進(jìn)的技術(shù)；它的鋼絲網(wǎng)外墻骨架極為堅固，但是支撐各樓層的鋼桁架卻非常脆弱，而且大樓中央核心的結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有考慮到側(cè)面負(fù)載暴增的情況。飛機撞進(jìn)大樓時，毀掉許多內(nèi)外支柱，大部分保護鋼鐵構(gòu)件的防火披覆也脫落。大樓尚未遭到破壞的結(jié)構(gòu)雖然還能支撐梁柱倒塌后新增加的負(fù)載，但是飛機燃料將各樓層所有的可燃物都卷入大火，于是大樓結(jié)構(gòu)還要對抗?jié)摲诨饎葜械钠茐牧α俊?/p>

世貿(mào)大樓的弱點臺灣、迪拜摩天大樓在整個建筑結(jié)構(gòu)上，101大樓采用的是巨型建筑建構(gòu)，該樓建在深達(dá)80尺的380支基樁上，從92樓還懸掛著世界最大的被動式風(fēng)阻尼器，能夠抵消自然力量造成的擺動，確保大樓人員的舒適。101大樓大部份樓層為辦公室，設(shè)置各種最先進(jìn)通信設(shè)備。阿聯(lián)酋首都迪拜正在興建的BurjDubai摩天大樓，有192根鋼筋混凝土巨柱從40米的地基深處向藍(lán)天挺進(jìn)。這個海灣地區(qū)的彈丸小國，將以705米的新高度從臺北市的“101”大樓(508米)手中，奪取“世界第一高樓”的桂冠。什么是建筑幕墻?

建筑幕墻不同于填充墻，它是由面板和支承結(jié)構(gòu)組成的完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；建筑幕墻具有兩個特點：(1)不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受的荷載和作用的圍護結(jié)構(gòu)。(2)在自身平面內(nèi)可以承受較大的變形或者相對于主體結(jié)構(gòu)可以有足夠的位移能力；幕墻通常由面板（玻璃、鋁板、石板、陶瓷板等）和后面的支承結(jié)構(gòu)（鋁橫梁立柱、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃肋等）組成。由于面板之間有寬縫，面板與橫梁立柱的連接有活動能力，所以幕墻在平面內(nèi)，可以承受1/100的大變形。幕墻用螺栓、搖臂、彈簧機構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接，可以在兩者間產(chǎn)生大的相對位移，側(cè)移達(dá)到1/60時，幕墻也不損壞。

建筑幕墻的選用用建筑幕墻將整個結(jié)構(gòu)包封起來，讓結(jié)構(gòu)處在室內(nèi)，溫度不再變化，就不會產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的損害，保證主體結(jié)構(gòu)安全，就是高層建筑須采用幕墻的一個主要原因。傳統(tǒng)磚墻、砌塊墻是填在梁柱平面的，梁和柱子有部分露在室外大氣中，直接受到溫度變化的影響。所以填充墻解決不了溫度變化的問題，難以在高的建筑中應(yīng)用。各種類型建筑幕墻的振動臺試驗，即使當(dāng)臺面輸入加速度達(dá)到0.9g（相當(dāng)于10度大震），結(jié)構(gòu)位移達(dá)到1/60以上時，幕墻也沒有損壞。

千絲板、埃特板、微晶玻璃、陶瓷掛板等一大批新型建材在建筑幕墻上使用加速了幕墻技術(shù)的發(fā)展。

高樓大廈地震中強烈擺動，只有幕墻能保證抗震安全，不會倒塌。

砌體填充墻在自身平面內(nèi)變形能力很差，又被填充在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，不能有相對的位移，在1/1000位移時開裂，1/300位移時破壞，在小地震下會破損，中震下會嚴(yán)重破壞。常規(guī)玻璃窗大體上差不多，在地震中震害非常嚴(yán)重。幕墻的板面寬縫和特別的連接構(gòu)造，耐受1/100~1/60的大位移。類似于樹葉相對于樹枝，無論主體結(jié)構(gòu)怎樣搖晃，幕墻都無恙。玻璃幕墻的重量相當(dāng)于磚墻的1/10，混泥土墻板的1/7；鋁板幕墻更輕，370mm磚墻760kg/㎡，200mm空心磚墻250kg/㎡，玻璃幕墻有35~40kg/㎡，鋁板幕墻有20~25kg/㎡。一座150m高，外墻面爲(wèi)20000㎡的高層建筑，用幕墻減輕墻體自身5000t-12000t，大大減少主體結(jié)構(gòu)的材料用量，也減輕基礎(chǔ)的荷載，節(jié)約基礎(chǔ)造價。在上海、天津等軟地基上建造超高層建筑，起了決定性的作用。建筑材料，如鋼材、水泥都是高耗能、高造價的材料。預(yù)制浴室預(yù)制墻身

瓦

板

混

凝

土

由

鐵

板

模

制

成

因縮

短

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卸

棚

架

所

需

的

時

間，提

早

進(jìn)

行

內(nèi)

圍

粉

飾

工

序。屋邨預(yù)制浴室、預(yù)

制

掛

墻

整個預(yù)制浴室是一個盒形的產(chǎn)品，運送到地盤前已完成防水、鋪砌墻身瓦、水喉套筒及暗喉的工序。預(yù)制浴室是利用合符規(guī)格的輕質(zhì)混凝土組成，在墻身加入鐵網(wǎng)組成，比傳統(tǒng)用的干間墻更堅固。預(yù)制浴室是一獨立構(gòu)件沒有接口，滲漏的問題可以完全解決。整個生產(chǎn)過程在工廠完成后才運送到建筑地盤，減少泥水粉飾的工序

，大大減低在建筑過程中所產(chǎn)生的建筑廢料。懸

掛

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