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國外建筑鋼結構應用概況

作者：劉錫良     
時(shí)間：2010-01-12 15:37:51 [收藏]
近數十年來(lái)，前蘇聯(lián)、美國、日本三個(gè)國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個(gè)國家的建筑鋼結構建設事業(yè)蓬勃發(fā)展。而在同一時(shí)期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對
    近數十年來(lái)，前蘇聯(lián)、美國、日本三個(gè)國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個(gè)國家的建筑鋼結構建設事業(yè)蓬勃發(fā)展。而在同一時(shí)期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對落后。近幾年來(lái)，隨著(zhù)我國改革開(kāi)放政策的實(shí)行和推進(jìn)，我國的經(jīng)濟建設工作取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。在此期間，我國的鋼產(chǎn)量一躍成為世界第一位。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸大關(guān)；1998我國鋼產(chǎn)量已達11434萬(wàn)噸，而且每年增產(chǎn)300萬(wàn)噸。鋼產(chǎn)量的增長(cháng)為發(fā)展我國建筑鋼結構建設事業(yè)創(chuàng )造
    了極好的時(shí)機。但目前，我國與發(fā)達國家相比在許多方面還存在著(zhù)明顯的差距,因此,為了推動(dòng)我國建筑結構的進(jìn)一步發(fā)展和應用，我們急需了解國外建筑鋼結構的應用概況。
        中國的建筑用鋼總量約占全部鋼產(chǎn)量的20％－25％，而工業(yè)發(fā)達的國家則占30％以上。如美國和日本，該項指標均已越過(guò)50％。在我國，鋼在建筑中主要用于建筑用鋼結構，鋼筋混凝土用鋼筋，鋼絞線(xiàn)，鋼絲，門(mén)窗等，而其中鋼結構用鋼只占10％左右，在我國一億噸的鋼產(chǎn)量中，真正用于鋼結構上的也就200-300萬(wàn)噸。
        根據1998年中期美國金屬建筑行業(yè)分布的一些數據，美國金屬建筑行業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)的基本情況如下表:

    年代
    年銷(xiāo)售額（百萬(wàn)美元）
    年加工量（萬(wàn)噸）
    數量
    增長(cháng)倍數
    數量
    增長(cháng)倍數
    1960
    150
    1
    30
    1
    1970
    300
    2
    65
    2.2
    1980
    1200
    8
    110
    3.7
    1990
    1500
    10
    125
    4.2
    1997
    2200
    15
    190
    6.3

         從表中可以看出，美國的建筑用金屬年銷(xiāo)售額增長(cháng)很快，估計目前已經(jīng)超過(guò)25億美元，年加工量也已經(jīng)達到200萬(wàn)噸以上。
        美國金屬建筑的主要市場(chǎng)分布見(jiàn)下表：

    工業(yè)
    生產(chǎn)用廠(chǎng)房，倉庫及輔助設施等
    46%
    商業(yè)
    商場(chǎng)，旅館，展覽館，醫院，辦公大樓等
    31%
    社會(huì )
    私有及公有社會(huì )活動(dòng)中心及建筑，如學(xué)校，體育館，圖書(shū)館，教堂等
    14%
    混合
     
    9%

    在美國，低層建筑中采用鋼結構還是很普遍的。美國鋼結構學(xué)會(huì )和金屬房屋制造協(xié)會(huì )（AISC和MBMA）聯(lián)合編制了低層建筑的設計指南。所謂低層建筑是指層高低于18米，層數不超過(guò)5層的工業(yè)廠(chǎng)房、倉庫、辦共室及其他的辦公和社會(huì )建筑等，其中兩層以下的非居住用樓房建筑占70％。
    　　輕鋼建筑在一些發(fā)達國家已被廣泛應用于工廠(chǎng)，倉庫，體育館，展覽館，超市等建筑。所謂輕鋼是指以彩鋼板作為屋面和墻面，以薄壁型鋼作檁條和圈梁，以焊接“H”型截面做柱與梁，現場(chǎng)用螺栓或焊接拼接的門(mén)式鋼架為主要結構的一種建筑，再配以零件、扣件、門(mén)窗等形成比較完善的建筑體系，即輕鋼結構體系。這種體系由工廠(chǎng)制作，現場(chǎng)按要求拼裝形成。具有自重輕，建設周期短，適應性強，外表美觀(guān)，造價(jià)低，易維護等特點(diǎn)。由于自重輕，也降低了基礎的造價(jià)。國外輕鋼結構廠(chǎng)商如Bulter,BHP,ABC等都已經(jīng)進(jìn)入了中國市場(chǎng)。我國企業(yè)應奮起直追，創(chuàng )造條件積極發(fā)展我國自己的輕鋼結構體系，以適應今后我內建筑鋼結構不斷發(fā)展的要求。
    　　由于人類(lèi)文化生活不斷提高，對高層、大跨度建筑的要求也就越來(lái)越高。而鋼結構本身具備自重輕，強度高，施工快等獨特優(yōu)點(diǎn)，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結構更是非常理想。目前世界上最高，最大的結構采用的都是鋼結構，而歷屆奧運會(huì )的場(chǎng)館也多采用鋼結構。世界上目前已經(jīng)建成的幾個(gè)純鋼結構建筑為目前世界上最高的超高層建筑，它們是：
    　　1931年建成的102層高381米的美國紐約帝國大廈（1969年以前一直是最高的）
    　　1969年建成的110層高443術(shù)的美國芝加哥西爾斯大廈
    　　1996年建成的高450米的馬來(lái)西亞雙塔石油大廈（KLCC，已號稱(chēng)目前世界最高，但美國的西爾斯大廈有異議）
    　　我國于1997年建成的上海金茂大廈為95層，建筑高度421米，結構高度395米，也躋身于世界最高行列。如果上海浦東環(huán)球金融中心大廈（95層460米）建成，則堪稱(chēng)世界最高，實(shí)為我國一大光榮。深圳賽格廣場(chǎng)大廈70層，高279米，為世界上最高的全部采用鋼管混凝土的超高層建筑，這又是我國的一大光榮。
    　　巨型鋼結構為高層或超高層建筑的一種嶄新體系，它是為了滿(mǎn)足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應性和潛在的高效結構性能，是一種很有發(fā)展的結構。如日本千葉縣43層180米高的NEC大樓（見(jiàn)圖1），該建筑內部布置大開(kāi)口和大空間庭院，其巨型結構是由四根巨型結構柱和四個(gè)巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。經(jīng)分析這種體系具有極強的抗推剛度。另一例是德國法蘭克富1997年建成的商業(yè)銀行新大樓（見(jiàn)圖2），63層高298.74米，也是歐洲最高的一棟超高層建筑。該建筑平面為邊長(cháng)60米的等邊三角形，其結構體系為三角形頂點(diǎn)的三個(gè)獨立框筒為“巨型柱”，通過(guò)八層樓高的鋼框架為“巨型梁”連接而圍成的巨型筒體系。具有極好的整體效應和抗推剛度，其中“巨型梁”產(chǎn)生了巨大的“螺旋箍”效應。第三例是日本擬建的動(dòng)力智能大廈（DIB－200），高800米，地上200層，地下7層，總建筑面積150萬(wàn)平米，由十二個(gè)巨型單元體組成（見(jiàn)圖3）。每個(gè)單元體是個(gè)直徑50米，高50層（200米）的框筒柱，1到100層設4個(gè)柱，101到150層設3個(gè)柱，151層到200設1個(gè)柱，每50層設置一道巨型梁。結構上安有主動(dòng)控制系統，進(jìn)一步削弱地震反應。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結構大廈，是諾爾曼.福爾特設計的。
    　　大跨度或較大跨度大都采用鋼結構，當然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點(diǎn)近年來(lái)很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。
    　　大跨度鋼結構多用于多功能體育場(chǎng)館，會(huì )議展覽中心，博覽會(huì )，候機廳，飛機庫等。最早跨度最大的平板網(wǎng)架是60年代美國洛杉嘰加里福尼業(yè)大學(xué)體育館91米×122米（正放四角錐）。最大的雙層網(wǎng)殼是70年代也是在美國建造的休斯敦宇宙穹頂（Astrodome，直徑196米），及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207米）。90年代在日本名古屋又興建了當今世界上最大跨度的單層網(wǎng)殼，建筑直徑229.6米，結構直徑187.2米，采用三向網(wǎng)格，節點(diǎn)為能承受軸力和彎矩的剛性節點(diǎn)。世界上最大的室內體育館是美國1996年奧運會(huì )的主體育館——亞特蘭大體育館（擬橢圓形平面，186米×235米），采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索，桿，膜組成，是當今最有發(fā)展前途的一種新型空間結構。1993年日本建成的福岡體育館，直徑222米，是當今最大的開(kāi)合鋼結構屋頂。1989年建成的加拿大多倫多天空穹頂（Skydome），直徑203米，落為世界第二跨度最大的開(kāi)合結構。超過(guò)300米的屋蓋結構全部使用鋼板和型鋼組成，并不是最優(yōu)方案，近年來(lái)研究較為成功的是雜并（混合）結構，即桿，索，膜混合使用。最為典型的例子就是千禧之年世紀之交的干年穹頂（The MilleniumDome），1997年6月開(kāi)始擬建，僅用一年時(shí)間施工，1998年6月舉行升頂儀式，該館位于英國倫敦泰晤士河南岸格林威治，是當今世界跨度最大的屋蓋，穹頂酷像飛碟，直徑320米（見(jiàn)圖4）。穹頂由12根包括10米支座在內的高100米桅桿塔柱（柱本身90米），通過(guò)總長(cháng)度70公里的鋼纜繩懸掛起來(lái)的。桅桿塔柱布置在直徑200米圓周上。穹頂網(wǎng)格由72根成對徑向索和7根環(huán)向索做成。穹頂高50米，中間設有中心索桁架和70米直徑環(huán)。上覆蓋144塊雙層巨幅白色涂以特福?。═eflon）的玻璃纖維布。工程總面積8萬(wàn)平方米，總預算7.58億英鎊。館內將以“標新立異時(shí)代”為主題舉行展覽會(huì )以迎接21世紀的到來(lái)。館內設有“人體探秘’、“時(shí)光課堂”、“金融之窗”、“地球奇跡”、“展望未來(lái)”等十二個(gè)展區。當然，從理論角度講跨度再大的結構也是有可能實(shí)現的，為此，日本，美國學(xué)者和研究單位都在進(jìn)行研究，如1959年富勒曾提出建造一個(gè)直徑3.22公里的短程線(xiàn)網(wǎng)殼，覆蓋紐約市第23-59號街區，網(wǎng)殼重8萬(wàn)噸。日本巴組鐵工所曾提出200米，500米及1000米網(wǎng)殼藍圖，其中50O米為全天候多功能體育娛樂(lè )活動(dòng)廳，1000米為創(chuàng )造理想未來(lái)城市，體現工作，居住，娛樂(lè )一體化的豐富日常生活環(huán)境。雖然這種設計在現實(shí)當中能否實(shí)現還有待深入研究，但在橋梁方面（順便提一下），1000米左右跨度已經(jīng)實(shí)現，世界上跨度最大的斜拉索橋為日本的多多羅大橋全長(cháng)為890米；最大的懸索橋為日本的名石大橋（1991米），公路鐵路兩用最大跨度橋為香港的青馬大橋（懸索橋1377米）。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是著(zhù)名的美國雷里競技館。另外歷屆奧運會(huì )、博覽會(huì )等都可以顯示鋼結構的發(fā)展水平。如1972年德國慕尼黑（覆蓋74800平方米體育場(chǎng)的索網(wǎng)建筑群），1976年加拿大蒙特利爾，1980年的莫斯科，1984年的美國洛杉礬，1988年韓國漢城（120米直徑體操館及93米直徑擊劍館都是索穹頂），1992年西班牙巴塞羅納圣喬地體育館（128米），1996年美國亞特蘭大喬治亞穹頂（186米×235米索穹頂）。2000年澳大利亞總悉尼主體育場(chǎng)（11萬(wàn)人，兩個(gè)22O米×70m米的雙曲拋物面網(wǎng)殼）。機場(chǎng)和機庫都屬于大跨度結構，在工程中基本上也都采用鋼結構。如英國倫敦希思羅機庫（一、二期）應是規模比較大的工程。而我國近年來(lái)建成的首都機庫（2-153米×90米）采用三層斜放四角錐網(wǎng)格、焊接球節點(diǎn)平板網(wǎng)架，其跨度規模之大，在國際上是數一數二的，這是我國在鋼結構方面的又一大殊榮。機場(chǎng)的鋼結構屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。香港機場(chǎng)，馬來(lái)西業(yè)機場(chǎng)都采用大面積單體網(wǎng)殼形式。目前，國際上以及我國都在流行一種波浪形曲面，樹(shù)狀支承以及直接交匯的相貫節點(diǎn)的立體桁架體系?？雌饋?lái)雄壯而美觀(guān)。我國深圳機場(chǎng)，首都機場(chǎng)，上海浦東機場(chǎng)就是典型的例子。

    \       \        \

    圖１ 采用巨型框架體系的NEC大樓      圖2 法蘭克福商業(yè)銀行新大樓    圖3 DBI-200的結構豎剖圖

    從美國，日本，歐洲一些發(fā)達國家的經(jīng)驗看，建筑業(yè)即將成為鋼材應用的主要市場(chǎng)。而目前我國與之相比還有差距。因此我國的高層建筑鋼材到目前為止還都從國外進(jìn)口，特別是大于50毫米的厚鋼板，國產(chǎn)產(chǎn)品的Z向性能尚達不到要求。國外不僅鋼板厚度較大，而且可以滿(mǎn)足各種性能要求。如日本已經(jīng)能夠生產(chǎn)的100毫米的厚鋼板，具有以下類(lèi)型：（1）有高強度低預熱型（以前預熱75℃現在預熱50）的厚鋼板590N／mm2級（HT590級）；（2）抗地震的厚鋼板，主要有低屈服比高強度鋼材（HT590－HT780級）利低屈服點(diǎn)鋼板，這種鋼材日本重點(diǎn)生產(chǎn)，用于次要結構上，當地震時(shí)這種材料先壞，保證主要結構減少地震損失；（3）防火厚鋼板。有400N／mm2及490N／mm2，當其在600℃時(shí)其屈服強度還能達到常溫下的2／3；（4）裝飾用的奧氏體不銹鋼板及鐵索體不銹鋼板（沿海用，優(yōu)于前者）。

    ??x?m??????????v?v?v?ky深圳機場(chǎng)，長(cháng)春體育館，深圳市民中心，廣州歌劇院，上海浦東機場(chǎng)，廈門(mén)匯展中心等。這種局面與中央號召建立我們自己的科技創(chuàng )新體系的號召相距甚遠，應該引起我國建筑界的關(guān)注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。
        限于篇幅，本文的參考文獻未能—一列出，在此特向文獻作者們表示謝意：
        江穎，李國強，藍天，沈世釗，陸賜麟，鄭廷銀，付光耀，張朝生，王國周，王元清，施永久，陳祿如，侯文葳，侯兆欣等。

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