建筑钢结构前沿发展技术与应用

建筑钢结构前沿发展技术与应用方敏勇博士安徽富煌钢构股份有限公司总工程师西安建筑科技大学研究生导师国家一级注册结构工程师国家一级注册建造师钢结构的优点：“轻、快、好、省”[1]——最轻的结构、最短的工期、最好的延性、最省的造价。[1]沈祖炎，必须还钢结构轻、快、好、省的本来面目，钢结构与建筑业，2010年第1期现代钢铁与钢结构工业源自欧洲，以1889年埃菲尔铁塔为标志，钢铁与钢结构工业发展浪潮首先由英国传至美国（1953），继美国之后，日韩及台湾地区成为新兴钢结构产区（1970-1996）①UK②USA③JapanKorea中国钢铁产量在1996年超越美国、日本，成为世界新兴钢铁强国，钢结构行业也随之兴起，2001-2008年中国钢结构产业年复合增长率超过30%国际钢结构的发展路径一超高层建筑钢结构CTBUH世界高层都市建筑协会目前已经建成的或正在建的世界最高楼未来十年中国超高层建筑行业处于黄金发展期，无论从现有数量还是在建或规划数量都在世界遥遥领先。经调查统计，2010-2020年开工建设的200米以上超高层建筑至少600座，100-200米的超高层建筑至少1000座。单位：座100-200米200米以上合计已建成11112431354在建221113334规划或预备279270549合计161162622372010-2020年期间中国超高层建筑钢结构总需求量约为2100万吨，平均每年210万吨中国超高层建筑情况明细表在建400m以上：2幢武汉中心瑞安二期在建500m以上：2幢在建600m以上：2幢广州东塔天津117深圳平安武汉绿地未来20年，中国超高层建设进入高速发展期相当长时期内，外框内筒结构体系趋向稳定钢结构比重进一步加大，朝巨型化方向发展超高层结构发展趋势1上海中心地下3层，地上101层建筑总高度492m总建筑面积38.1万m2钢结构总量约6.4万t最厚钢板100mm•最高材质SA440（Fy＝440MPa）2上海环球金融中心地下5层，地上118层建筑总高度660m占地面积1.89万m2，主楼建筑面积48.9万m2钢结构总量约10万t最厚钢板150mm最高材质Q460GJC3深圳平安金融中心巨柱柱脚节点（焊制）：材质Q345GJC，最大板厚150mm，重达59.4t地下4层，地上103层建筑总高度439m总建筑面积45.2万m2钢结构总量约4万t4广州国际金融中心--西塔和东塔X形节点焊接难点：1、X形节点相贯线焊缝；2、节点钢材Q345GJC-Z25，最大板厚100mm，重量（含牛腿）达到63.14t,长×宽×高=14.6×4.1×3.115m，钢管最大截面φ1800×55；3、X形节点焊缝最长达到60m残余应力的消减。地下4层，地上100层建筑总高度441.8m主楼建筑面积23万m2采用9.5:1的高宽比钢结构总量约5.8万t最厚钢板130mm，Q420GJC5深圳京基金融中心地下3层，地上117层建筑总高度597m钢结构总量约12万t最厚钢板100mm最高材质Q390GJ-D6天津117单根巨型钢柱重约1607t，在两轴方向对称布置，地下室标高范围从基础板顶-19.35m至-0.175m。单根巨型柱共分为41个单元，最重单元60t。地下3层，地上52层；建筑总高度237m；主楼总建筑面积47万㎡；钢结构总量约14万t；最厚钢板达到135mm；最高材质Q460E7中央电视台新台址大悬臂75m焊接外框筒蝶形节点钢柱工厂制造焊接难点：1、最厚钢板达到100mm，使用钢材Q390D、Q420D、Q460E；2、焊接有平焊、横焊、立焊、斜焊、爬坡焊、仰焊等全位置焊接形式，而且多处于高空倾斜状态。超高层建筑钢结构的特点超高层建筑钢结构对钢结构加工厂的要求二大跨度建筑钢结构1国家大剧院中国国家大剧院坐落于北京天安门广场西侧，紧邻人民大会堂，与新华门隔街相望。该工程钢结构为一椭圆形半球壳体，其长轴为212.2m，短轴为143.6m，高为46.2m。其由中心环梁、梁架、斜撑和环向连杆等结构件组成，通过焊接节点连接，并坐落于钢筋混凝土环梁之上，形成稳定的空间结构体系。钢结构总重约7000t。47482国家体育场--鸟巢国家体育场建筑体形上像鸟巢，新颖独特，具有一定的独创性。可容纳8万人（奥运会期间可容纳10万人）。整体承重结构由一系列空间刚架绕着内环旋转而成，每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成，均采用加肋薄壁箱形截面，为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件，也是箱形截面。总用钢量41875t。5051523国家游泳中心--水立方因结构形式独特而著称的国家游泳中心——“水立方”工程，是2008年国家奥运工程中的两大标志性建筑之一。该工程长宽均为176.538米，高度为30.588米，屋盖厚度为7.211米，墙体厚度为3.472米及5.876米两种，总建筑面积31166平方米，整个建筑外型成方型。54554上海世博会中国馆2010年上海世博会中国馆以“东方之冠”构思为主题的中国馆是整个世博园区的标志性永久建筑之一，是世博园区内最高的新建场馆建筑。其建筑外形设计具有典型丰富的中国元素特色，让人耳目一新。中国馆由国家馆、地区馆和港澳馆三部分组成。国家馆高69.90m，地下一层（局部两层），地上五层；地区馆高13m，地下一层，地上一层。总建筑面积：16万m2，国家馆建筑面积：5.5万m2，地区馆建筑面积：10.6万m2。57屋顶边长为138m×138m。从+33.3m标高起，采用20根巨型钢斜撑支撑起整个大悬挑的钢屋盖。58595上海世博会世博轴世博轴：位于浦东园区中轴线上，是整个园区的交通枢纽，世博期间主要用于人流集散、安检、商业、餐饮服务，世博后改建为商业设施。总建筑面积25万平方米，其上盖由大面积索膜结构和六个单层网格体系的阳光谷组成，是园区内最大的单体建筑。61世博轴地上地下各2层，其上盖由6个阳光谷和其间的连续张拉膜结构组成。阳光谷为单层三角形网格结构，体量巨大，高达40米，最大的一个阳光谷上口长轴达90米。而网格构件采用矩形钢管，基本断面仅65*180，其找形、网格生成、稳定分析、节点构造均有创新。带有内外桅杆的总长达840米的超大型连续张拉膜结构也是也是为本项目度身设计而为世界所仅见。12mx18m椭圆形70mx90m椭圆形结构特点：1、呈下小上大的喇叭形，宛如盛开的白玉兰花；2、构件截面种类多，共计有17种截面，包括□180x65x16x5～□500x140x30x40mm等。3、杆件截面小，重量轻，刚度相应较小；最小截面每米重量仅49kg；4、节点及杆件数量众多，以SV3为例，共1776个节点，5168根杆件。以SV3为例高41.5m“阳光谷”钢结构节点类型(3)螺栓连接节点(翼缘板焊接)(4)螺栓连接节点(无焊接)(tf,j=30mm,tw,j=10mm,tf,m=25,tw,m=5mm)(1)板件焊接节点(tf,j=tf,m=25mm,tw,j=10mm,tw,m=5mm)(2)铸钢节点(tf,j=30mm,tw,j=10mm,tf,m=25,tw,m=5mm)自由形态(free-formdesign)概念——构件节点相似不相同节点一：铸钢节点节点二：翼缘光滑曲面处理节点节点三：核心区平板翼肢光滑曲面过渡节点施工过程典型图片吊装就位精确调整定位三环安装闭合后底部焊接局部固定细节6上海世博会西班牙国家馆世博工程的“西班牙自建馆”工程位于上海世博会浦东C片区C09地块，为上海世博会面积最大的自建馆之一，参展规模之大也创下西班牙参加世博会的新纪录。展馆是一座复古而创新的“藤条篮子”建筑，外墙由藤条装饰，通过钢结构支架来支撑，呈现波浪起伏的流线型。。6970双层钢管偏心支撑桁架、空间异形结构71钢结构平面形状为270m×285m的椭圆形，由20个相近似的单元组成，钢屋盖最高点51.3m，悬挑长度51.8m～68.4m，主体结构总用钢量约18000t。主杆件直径最大达Φ1400mm，壁厚达400mm。7深圳大运会主体育场无圈梁德国方案无圈梁①传力路线长②铸钢结构巨大③排水？冠谷肩峰肩谷背峰背谷铸钢结点7类，总数量7×20个=140个，总重量0.42万t[85]。肩谷最大外形尺寸：5400mm×4600mm×3400mm（10管相交），壁厚400mm，与钢管对接焊。最大铸钢结点单件重98.6t。球铰支座结点球铰支座底板1400200[85]曹富荣（江苏永益铸管股分有限公司），深圳大运会主体育场铸钢节点制作新技术，钢结构与建筑业，2009年总19期。冠谷铸钢节点，8分支，最重16t支座铸钢节点，3分支，最重21t总建筑面积70107m²，建筑高度43m。其大剧场投影距离127×125m，高度43m，多功能厅投影距离87.6×86.7m，高度22m。钢结构总重量为7600t。8广州歌剧院铸钢节点节点支腿分支最多达10个，投影长度最长达20m。单个节点最重达39.6吨。北京工业大学体育馆作为2008年奥运会比赛场馆，承担着奥运会羽毛球和艺术体操比赛的重任，作为2008年奥运会新建比赛场馆之一，具有广泛的社会影响和关注度。长约150米，宽约120米。屋盖主体结构为一直径为93m的弦支穹顶结构，外挑部分采用体内预应力钢管桁架。9国家羽毛球馆--弦支穹顶预应力结构上海铁路南站是地处上海中心城区南隅的重要交通枢纽。其主站屋屋盖钢结构系直径达275m的圆形建筑，中部微隆，四周上翘，状若覆碟。屋顶标高约42m，总投影面积近6万m2。主站屋屋盖钢结构是由中部内压环、径向布置的18根异形变截面分叉大梁、环向檩条和斜交预应力抗扭钢棒等组成的圆碟形空间结构，由18根内钢柱和36根外钢柱支承于9.900标高的砼平台上。主体钢结构总重逾6000t。10上海铁路南站--弦支穹顶预应力结构上海国际网球中心位于旗忠森林体育城内是一座直径144米的大型体育馆。檐口高度为35米；屋盖圆周向内悬挑61.5米；屋盖水平投影面积16300平方米；总建筑面积38000平方米11上海旗忠网球中心--平面旋转开闭屋盖结构12南通体育场--开闭屋盖结构本工程为集钢结构、机械、液压、控制于一体的球面开合屋盖；总用钢量约10000吨；固定屋盖采用拱支网壳，拱上弦轴线位于半径为204m的球面上；2片活动屋盖牵引开合、设有2×22个台车、8套动力牵引装置纵向斜拱横向次拱横向主拱斜桁架单层网壳活动屋盖单层网壳固定屋盖固定支座土建结构CBA钢结构制作、安装精度；机械液压控制系统的制作、安装与调试；钢结构与机械液压控制系统的变形协调与补偿能力（机械系统的适应性）驱动系统（示意图）导向轮台车钢结构三电力行业设备构造物钢结构•主钢架是锅炉的主要受力结构的一个筒式框架，其不但承受垂直荷载，也是传递水平力的主要结构。•筒式框架自己组成一个稳定结构，两侧辅钢架、炉前辅钢架和钢平台依附在筒式框架上。•只要将主钢架、炉顶平台、大板梁及其桁架安装完毕，就可以开始吊装受热面。安装辅钢架平台和吊装受热面可以同时进行，对缩短安装周期带来益处。特种设备150T行车1600T油压机4米*4米端铣机构件加工组装2500mmX2500mmX60mm箱型柱主钢架，100WM机组主、辅钢架总用钢量约15000t/台。构件运输构件加工谢谢！