高層結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)(譯)

高層結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)近年來，盡管一般的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計取得了很大的進步， 但是取得顯著成績的還要屬超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。最初的高層建筑設(shè)計是從鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計開始的。鋼筋混凝土和受力外包鋼筒系統(tǒng)運用起來是比較經(jīng)濟的系統(tǒng)，被有效地運用于大批的民用建筑和商業(yè)建筑中。50層到100層的建筑被定義為超高層建筑。而這種建筑在美國得廣泛的應(yīng)用是由于新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。這樣的高度需要增大柱和梁的尺寸，這樣以來可以使建筑物更加堅固以至于在允許的限度范圍內(nèi)承受風荷載而不產(chǎn)生彎曲和傾斜。 過分的傾斜會導(dǎo)致建筑的隔離構(gòu)件、頂棚以及其他建筑細部產(chǎn)生循環(huán)破壞。除此之外，過大的搖動也會使建筑的使用者們因感覺到這樣的的晃動而產(chǎn)生不舒服的感覺。無論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還是鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都充分利用了整個建筑的剛度潛力，因此不能指望利用多余的剛度來限制側(cè)向位移。在鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)濟預(yù)算是根據(jù)每平方英寸地板面積上的鋼材的數(shù)量確定的。圖示1中的曲線A顯示了常規(guī)框架的平均單位的重量隨著樓層數(shù)的增加而增加的情況。而曲線B顯示則顯示的是在框架被保護而不受任何側(cè)向荷載的情況下的鋼材的平均重量。上界和下界之間的區(qū)域顯示的是傳統(tǒng)梁柱框架的造價隨高度而變化的情況。而結(jié)構(gòu)工程師改進結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的目的就是減少這部分造價。鋼結(jié)構(gòu)中的體系：鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑的發(fā)展是幾種結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新的結(jié)果。這些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于辦公大樓和公寓建筑中。剛性帶式桁架的框架結(jié)構(gòu)：為了聯(lián)系框架結(jié)構(gòu)的外柱和內(nèi)部帶式桁架，可以在建筑物的中間和頂部設(shè)置剛性帶式桁架。1974年在米望基建造的威斯康森銀行大樓就是一個很好的例子?？蚣芡步Y(jié)構(gòu)：如果所有的構(gòu)件都用某種方式互相聯(lián)系在一起，整個建筑就像是從地面發(fā)射出的一個空心筒體或是一個剛性盒子一樣。這個時候此高層建筑的整個結(jié)構(gòu)抵抗風荷載的所有強度和剛度將達到最大的效率。這種特殊的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的43層鋼筋混凝土的德威特紅棕色的公寓大樓所采用。但是這種結(jié)構(gòu)體系的的所有應(yīng)用中最引人注目的還要屬在紐約建造的100層的雙筒結(jié)構(gòu)的世界貿(mào)易中心大廈。斜撐桁架筒體：建筑物的外柱可以彼此獨立的間隔布置，也可以借助于通過梁柱中心線的交叉的斜撐構(gòu)件聯(lián)系在一起，形成一個共同工作的筒體結(jié)構(gòu)。這種高度的結(jié)構(gòu)體系首次被芝加哥的JohnHancock中心大廈采用。這項工程所耗用的剛才量與傳統(tǒng)的四十層高樓的用鋼量相當。筒體：隨著對更高層建筑的要求不斷地增大。 筒體結(jié)構(gòu)和斜撐桁架筒體被設(shè)計成捆束狀以形成更大的筒體來保持建筑物的高效能。芝加哥的 110層的SearsRoebuck總部大樓有9個筒體，從基礎(chǔ)開始分成三個部分。這些獨立筒體中的終端處在不同高度的建筑體中，這充分體現(xiàn)出了這種新式結(jié)構(gòu)觀念的建筑風格自由化的潛能。這座建筑物1450英尺（442米）高，是世界上最高的大廈。薄殼筒體系統(tǒng)：這種筒體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計是為了增強超高層建筑抵抗側(cè)力的能力（風荷載和地震荷載）以及建筑的抗側(cè)移能力。薄殼筒體是筒體系統(tǒng)的又一大飛躍。薄殼筒體的進步是利用高層建筑的正面（墻體和板）作為與筒體共同作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為高層建筑抵抗側(cè)向荷載提供了一個有效的途徑，而且可獲得不用設(shè)柱，成本較低，使用面積與建筑面積之比又大的室內(nèi)空間。由于薄殼立面的貢獻，整個框架筒的構(gòu)件無需過大的質(zhì)量。這樣以來使得結(jié)構(gòu)既輕巧又經(jīng)濟。所有的典型柱和窗下墻托梁都是軋制型材，最大程度上減小了組合構(gòu)件的使用和耗費。托梁周圍的厚度也可適當?shù)臏p小。而可能占據(jù)寶貴空間的墻上鐓梁的尺寸也可以最大程度地得到控制。這種結(jié)構(gòu)體系已被建造在匹茲堡洲的OneMellon銀行中心所運用。鋼筋混凝土中的各體系：雖然鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑起步比較早，但是鋼筋混凝土的高層建筑的發(fā)展非常快，無論在辦公大樓還是公寓住宅方面都成為剛結(jié)構(gòu)體系的有力競爭對手?？蚣芡玻合裆厦嫠岬降模蚣芡矘?gòu)思首次被43層的迪威斯公寓大樓所采用。在這座大樓中，外柱的柱距為5.5英尺（1.68米）。而內(nèi)柱則需要支撐8英寸厚的無梁板。筒中筒結(jié)構(gòu)：另一種針對于辦公大樓的鋼筋混凝土體系把傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)與外框架筒相結(jié)合。該體系由柱距很小的外框架與圍繞中心設(shè)備區(qū)的剛性剪力墻筒組成。這種筒中筒結(jié)構(gòu)（如插圖2）使得當前世界上最高的輕質(zhì)混凝土大樓（在休斯頓建造的獨殼購物中心大廈）的整體造價只與 35層的傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)相當。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的聯(lián)合體系也有所發(fā)展。 Skidmore,Owings 和Merrill 共同設(shè)計的混合體系就是一個好例子。在此體系中，外部的混凝土框架筒包圍著內(nèi)部的鋼框架，從而結(jié)合了鋼筋混凝土體系與鋼結(jié)構(gòu)體系各自的優(yōu)點。在新奧爾良建造的 52層的獨殼廣場大廈就是運用了這種體系。鋼結(jié)構(gòu)是指在建筑物結(jié)構(gòu)中鋼材起著主導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)，是一個很寬泛的概念。大部分的鋼結(jié)構(gòu)都包括建筑設(shè)計，工程技術(shù)、工藝。通常還包括以主梁、次梁、桿件，板等形式存在的鋼的熱軋加工工藝。上個世紀七十年代，除了對其他材料的需求在增長，鋼結(jié)構(gòu)仍然保持著對于來自美國、英國、日本、西德、法國等國家的鋼材廠鋼材的大量需求。發(fā)展歷史：早在 Bessemer和Siemens-Marton(開放式爐)工藝出現(xiàn)以前，鋼結(jié)構(gòu)就已經(jīng)有幾十年的歷史了。而直到此工藝問世之后才使得鋼材可以大批生產(chǎn)出來供結(jié)構(gòu)所用。對鋼結(jié)構(gòu)諸多問題的研究開始于鐵結(jié)構(gòu)的使用，當時很著名的研究對象是1977年在英國建造的橫跨斯沃河的Coalbrookdale大橋。這座大橋以及后來的鐵橋設(shè)計再加上蒸汽鍋爐、鐵船身的設(shè)計都刺激了建筑安裝設(shè)計以及連接工藝的發(fā)展。鐵結(jié)構(gòu)對材料的需求量較小是優(yōu)勝于磚石結(jié)構(gòu)的主要方面。長久以來一直用木材制作的三角桁架也換成鐵制的了。承受由直接荷載產(chǎn)生的重力作用的受壓構(gòu)件常用鑄鐵制造，而承受由懸掛荷載產(chǎn)生的推力作用的受拉構(gòu)件常用熟鐵制造。把鐵加熱到塑性狀態(tài)，使之從卷狀轉(zhuǎn)化為扁平狀與圓狀之間的某一狀態(tài)的工藝，早在1800年就得以發(fā)展了。隨后，1819年角鋼問世，1894年第一個工字鋼被建造出來作為巴黎火車站的頂梁。此工字鋼長17.7英尺）（5.4米）。1851年英國的JosephPaxtond為倫敦博覽會建造了水晶宮。據(jù)說當時他已有這樣的骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)思：用比較細的鐵梁作為玻璃幕墻的骨架。 此建筑的風荷載抵抗力是由對角拉桿所提供的。在金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史中，有兩個標志性事件：首先是從木橋發(fā)展而來的格構(gòu)梁由木制轉(zhuǎn)化為鐵制； 其次是鍛鐵制的受拉構(gòu)件與鑄鐵制的受壓構(gòu)件受熱后通過鉚釘連接工藝的發(fā)展。十九世紀五六十年代，Bessemer與Siemens-Martin 工藝的發(fā)展使鋼材的生產(chǎn)能滿足結(jié)構(gòu)的需求。鋼的受拉強度與受壓強度都好于鐵。 這種新型的金屬常被有想象力的工程師所利用，尤其倍受那些參與過英國、歐洲以及美國的道橋建設(shè)的工程師的喜愛。其中一個很好的例子就是 Eads大橋（也被稱為路易斯洲大橋）1867-1874）。在這座大橋中，每隔500英尺（152.5米）設(shè)有由鋼管加強肋形成的拱。英國的FirthofForth懸索橋設(shè)有管件支撐，直徑大約為12英尺（3.66米），長度為350英尺（107）米。這些大橋以及其他結(jié)構(gòu)在引導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，規(guī)范的實施，許用應(yīng)力的設(shè)計方面起到了很重要的作用。1907年Quebec懸索大橋的偶然破壞揭露了二十世紀初期由于缺乏足夠的理論知識，甚至是缺乏足夠的理論研究的基礎(chǔ)知識，而導(dǎo)致在應(yīng)力分析方面出現(xiàn)了很多的不足。但是，這樣的損壞卻很少出現(xiàn)在金屬骨架的辦公大樓中。因為盡管在缺乏縝密的分析的情況下，這些建筑也表現(xiàn)出了很高的實用性。在上個世紀中葉，沒有經(jīng)過任何特殊合金強化、硬化過的普通碳素鋼已經(jīng)被廣泛地使用了。在1889年巴黎召開的世界博覽會上，金屬結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了在超高層建筑運用上的內(nèi)在潛力。在這次會上，法國著名的橋梁設(shè)計師埃非爾展示了他的杰作-300米高的露天開挖的鐵塔。無論是它的高度（比著名的金字塔的兩倍還高），架設(shè)的速度-人數(shù)不多的工作人員僅用幾個月的時間就完成了整個工程任務(wù)，還是很低的工程造價都使它脫穎而出。首批摩天大廈：在剛結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時，美國的另一個是也蓬勃的發(fā)展起來了。1884-1885年，芝加哥的工程師Maj.WilliamLeBaronJennny設(shè)計了家庭保險公司大廈。這座大廈也是金屬結(jié)構(gòu)的，有十層高。大廈的梁是鋼制的，而柱是鑄鐵所制。鑄鐵制的過梁支撐著窗洞口上方的砌體，同時也需要鑄鐵制的柱支撐著。實心砌體的天井與界墻提供抵抗風載的側(cè)向支撐。不到十年的功夫，芝加哥和紐約已經(jīng)有超過30座辦公大樓是利用這種結(jié)構(gòu)。鋼材在這些結(jié)構(gòu)中起了非常大的作用。這種結(jié)構(gòu)利用鉚釘把梁與柱連接在一起。有時為了抵抗風荷載還是在豎向構(gòu)件和橫向構(gòu)件的連接點出貼覆上節(jié)點板來加固結(jié)構(gòu)。此外，輕型的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)代替了老式的重質(zhì)砌體結(jié)構(gòu)。盡管幾十年來之中建筑形式主要是在美國發(fā)展的，但是它卻影響著全世界鋼材工業(yè)的發(fā)展。十九世紀的最后幾年，基本結(jié)構(gòu)形狀工字型鋼的厚度已經(jīng)達到20英寸（0.508米），非對稱的Z字型鋼和T型鋼可以與有一定寬度和厚度的板相聯(lián)結(jié)，使得構(gòu)件具體符合要求的尺寸和強度。1885年最重的型鋼通過熱軋生產(chǎn)出來，每英寸不到100磅（45千克）。到二十世紀六十年代這個數(shù)字已經(jīng)達到每英寸700磅（320千克）。緊隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，1988年第一部電梯問世了。安全載客電梯誕生，以及安全經(jīng)濟的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展促使建筑高度迅猛增加。 1902年在紐約建造的高286英寸（87.2米）的Flatiron大廈不斷地被后來的建筑所超越。這些建筑分別是高375英尺（115米）的時代大廈（1904），（后來改名為聯(lián)合化工制品大廈）。1908年在華爾街建造的高468英尺（143米）的城市投資公司大廈，高612英尺（187米）的星爾大廈，以及700英尺（214米）的都市塔和780英尺高（232米）的Wollworth 大廈。房屋高度與高寬比的不斷增加也帶來了許多的問題。 為了控制道路的阻塞，要對建筑的縮進設(shè)計進行限定。側(cè)向支撐的設(shè)置也是其中一項技術(shù)問題，例如，埃非爾鐵塔所采用的對角支撐體系對于要靠太陽光來照明的辦公大廈就不實用了。而只有考慮到具體的單獨梁與單獨柱的抗彎能力以及梁柱相交處的剛度的框架設(shè)計才是可靠的。隨著現(xiàn)代內(nèi)部采光體系的不斷發(fā)展， 抵抗風荷載的對角支撐又重新被利用起來了。芝加哥的 JohnHancock中心就是一個很顯著的例子。外部的對角支撐成為此結(jié)構(gòu)立面的一個很顯眼的部分。第一次世界大戰(zhàn)暫時中斷了所謂摩天大廈（當時這個詞并沒有確定）的蓬勃發(fā)展，但是二十世紀二十年代又恢復(fù)了這一趨勢。1931年建造的帝國大廈把詞潮流推向了頂峰。102層高1250英尺（381米）的帝國大廈在后來的40年一直保持著世界最高的地位。它的建造速度充分證明了這種新的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)被當時的技術(shù)所掌握。次項工程所需要的梁是由 Bayonne海灣對岸的軍械庫所提供的。是由用精密儀器控制的駁船和卡車負責運輸?shù)?。由九架起重機將這些梁提升到指定的位置。由工業(yè)軌道裝置把鋼材和其他材料移到每一層上去。先是螺栓連接緊接著鉚釘連接，最后是裝修，整個工程的最終完成只用了一年零45天。二十世紀三十年代席卷全世界的大蕭條以及第而次世界大戰(zhàn)使鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展又一次受到了阻礙。但是與此同時，焊接代替了鉚釘連接則是一個很重要的發(fā)展。十九世紀末，利用焊接把各個鋼零件相連接已取得了很好的成績，并在第一次世界大戰(zhàn)中被運用于救生船的修理。 但直到第二次世界大戰(zhàn)后才用于建筑結(jié)構(gòu)中。同時在連接領(lǐng)域中又一進步就是高強螺栓代替了鉚釘。二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲，美國，日本等國都擴大了對在不定應(yīng)力（包括超過屈服點的情況）作用下各種結(jié)構(gòu)鋼的性質(zhì)的研究， 并進行了更為精確、系統(tǒng)的分析。此后，許多國家采用了一些更為自由靈活的設(shè)計規(guī)范和更為理想化的彈性設(shè)計規(guī)范。計算機在工程上的運用代替了冗長的手工計算，從而更加促進了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并大大的減低了造價。歲月匆匆像一陣風，有多少故事留下感動。愿曾經(jīng)的相遇，無論是錦上添花，還是追悔莫及；無論是青澀年華的懵懂賞識，還是成長歲月無法躲避的經(jīng)歷溢，永遠無悔歲月賜予的美好相遇。

??愿曾經(jīng)的過往，依然如花芬芳四其實，人生之路的每一段相遇，都是一筆財富，尤其親情、友情和愛情。在漫長的旅途上，他們都會豐富你的生命，使你的生命更充實，更真實；豐盈你的內(nèi)心，使你的內(nèi)心更慈悲，更善良。所以生活的美好，緣于一顆善良的心，愿我們都能善待自己和他人。一路走來，愿相親相愛的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不離不棄，相惜相守，共度人生的每一個朝夕一路有你！

??直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的寶，感恩斗轉(zhuǎn)星移，物是人非。盡管有的背影，已經(jīng)