5．7　钢结构建筑物

钢结构建筑物是以钢材作为主要承重材料的建筑物。钢结构通常由型钢、钢管、钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接（图5．33）。有些钢结构还用钢绞线、钢丝绳（束）组成。钢结构常用于跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种建筑及其他土木工程结构中。

图5．33　钢结构连接的方法和形式

（a）对接连接；（b）搭接连接；（c）T形连接；（d）角接连接

初始应用铁类金属做成的建筑结构构件是铸铁柱和熟铁梁。1772年建成的英国利物浦圣安妮教堂是最早成功采用铸铁做结构构件的范例。1851年伦敦国际博览会建造的水晶宫（Crystal　Palace，见图5．34）充分展示了铸铁结构和预制装配技术的潜力。19世纪80年代结构型钢的出现加快了钢结构在建筑工程中的发展。美国在1883年用钢框架建成了11层的住宅保险大楼；不久，在1895年又用钢框架建成了61m高（14层）的信托大楼（Reliance　Building），它采用在陶砖覆面的钢框架内镶嵌大块玻璃的做法，成为19世纪后半叶出现的现代玻璃与钢材相结合高层建筑的先锋。

图5．34　英国伦敦的水晶宫示意

我国是最早用铁建造结构的国家之一。如建于南汉朝（967年）的广州光孝塔东铁塔，塔高6．35m，共7层；建于宋朝（1061年）的玉泉寺塔，高17．9m，共13层，现位于湖北当阳县等。它们都表明了中国古代冶金和营造技术的高度水平。1949年新中国成立后，钢结构在大跨重型工业厂房、大型公共建筑和高耸结构中得到应用。

目前，世界上最高的全钢结构建筑是美国芝加哥的威利斯大厦（Willis　Tower），原名为西尔斯大厦（Sears　Tower）。它高442m，110层，建筑面积413　800m²，它的标准楼层是在9个23m×23m成束筒结构^[4]基础上形成的69m×69m的方形平面，如图5．35（a）所示。每个筒体的柱距为4．6m。随着建筑的升高，各筒在不同高度上终止，形成不同楼层面积。1～50层，4　893m²；51～66层，3　848m²；67～90层，2　802m²；91～110层，1　141m²。

纽约帝国州大厦［Empire　State　Building，图5．35（b）］于1931年建成，曾保持世界最高的纪录40多年；目前它的高度仍位于世界全钢结构建筑物的第二位。帝国州大厦平面尺寸为130m×60m，在第6、30层处收进，至85层平面缩为40m×24m，85层以上是一个直径约为10m、高61m的圆塔，塔身高度相当于17层楼，塔顶距地面381m，因此，号称该大厦有102层。帝国州大厦是由埋置在炉渣混凝土中的用铆钉连接的钢框架作为承重结构的，仅仅钢框架就能承担建筑物100%的荷载，外包的炉渣混凝土实际上对抵抗建筑物的水平位移有很大意义。

1954年，一架轰炸机在大雾中撞上了帝国州大厦的第79层，飞机坠毁，大楼的一道边梁和部分楼板受到破坏，一架电梯震落下去，但对楼房整体没什么影响。

芝加哥约翰·汉考克大厦（John　Hancock　Building，见图5．36）是1970年建成的钢结构建筑，100层，332m高，底层平面为79．2m×48．7m，顶层平面为48．6m×30．4m，为上小下大的截锥体，建筑重心下移，抗倾覆能力强。结构形式为钢斜撑周边桁筒体系，钢斜撑节点相连，连续传力，在建筑的每个立面都形成巨大的X形斜向支撑，由于巨型支撑的作用，外框柱距可以达到13．2m；结构的钢柱向内倾斜约5°，使轴压力、轴拉力产生反向水平力抵消部分楼层水平剪力。该建筑为最早的巨型桁架结构，曾被公认为是建筑外形美观且结构设计合理的范例。

中国香港的汇丰银行大楼是另一幢著名的全钢结构大厦，它以将结构体系完全暴露的独特建筑造型而

图5．35　西尔斯大厦和帝国州大厦

图5．36　芝加哥约翰·汉考克大厦

（a）外立面；（b）顶层和底层平面闻名世界［图5．37（d）］。该大楼地上45层、地下4层，高175m，底层平面尺寸为55m×72m。为使底层成为全开敞式大空间，与前后广场连成一体，限制上部框架落地，采用了钢结构悬吊体系，由8根格构式巨型钢柱和5层巨型钢桁架组成主体结构，承担整个建筑的水平和竖向荷载。桁架之间的4～7层楼盖靠巨型钢拉杆悬挂在上层桁架上（图5．37）。

图5．38为世界闻名的美国明尼亚波利斯的联邦储备银行大楼（Federal　Reserve　Bank　Building）。这是一幢11层的以钢悬索结构为主体的建筑物，悬索跨越83．2m，仅两端支承在截面和刚性极大的筒体结构上。悬索下凹，矢高45．7m。悬索支承曲线以上的柱子和曲线以下的吊杆（各层楼面支承在这些柱子和吊杆上）。估算得到的悬索截面需要约48　400mm²（如施加预应力，可降至19　400mm²）。下凹悬索的水平推力（受压），由位于相应标高处（即顶部）的巨型钢桁架承受。此建筑留有将来扩建加高的空间，扩建时可用拱结构。拱结构所产生

图5．37　香港汇丰银行大楼的悬挂结构体系

（a）结构平面（13～28层）；（b）结构纵剖面；（c）结构横剖面；（d）外立面

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图5．38　联邦储备银行大楼

（a）外立面；（b）平面；（c）立面及预留扩建的空间；（d）施工中的现场的拱脚处的水平推力使上述钢桁架受拉。这样，悬索与拱的水平推力可以相互抵消一部分［图5．38（c）］。

在钢结构中，网架、桁架、悬索、索－膜结构等适应于大跨度屋盖的结构形式近年来发展迅速。网架是由多根按一定构架形式通过节点连接成的空间结构，分平板网架和曲面网架（网壳），如图5．39所示，具有空间受力、质量轻、刚度大、整体性好、稳定性好、抗震性能好等优点。

1993年建成的日本福冈体育馆（图5．40），其直径222m的屋盖是世界上最大的球面网壳，更为著名的是该屋盖具有开合性，它的球形屋盖由3块可旋转的扇形网壳组成，最下面一块固定，中间和上面两块扇形沿圆周导轨移动，开合方式为回转重叠式，体育馆可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。各块网壳均为自支承，为避免在开合过程中振幅过大在顶部引起装饰材料互相碰撞，在屋顶设置了液压阻尼器减震，由于日本为多地震国家，该建筑在屋盖移动的轨道上装有地震仪，当地震仪接收到超过50gal（0．5m／s²）的加速度时，能自动停止移动。

图5．39　钢网架示意

（a）双层平板式钢网架；（b）单层球壳形钢网架；（c）单层筒壳形钢网架

图5．40　日本福冈体育馆

为承办北京2008年奥运会，我国建造了一大批新的体育场馆，大多采用了世界最先进的技术和材料、最新颖的设计构思和结构体系。国家体育场（鸟巢，图5．41）就是其中之一。它是一个巨型空间马鞍形钢桁架编织式鸟巢结构，平面尺寸为340m×292m，顶部中间留有185．3m×127．5m的开口，整体的承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转组成一个三维空间承重体系［图5．41（a）］。每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成。共24根桁架柱，所有刚架的杆件均采用加肋薄壁箱形截面。为了形成鸟巢效果，主桁架上弦还设有交叉的次要杆件，杆件也为箱形截面。图5．41（b）为桁架柱顶，图5．41（c）为箱形截面杆件交织的节点。国家体育场的看台为地下一层、地上七层的钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系。鸟巢形式的钢结构与混凝土看台在上部完全脱开，但形式上看似相互围合，钢结构和混凝土结构看台同坐在一个相连为一体的混凝土筏形基础上。屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，钢结构上弦之间用ETFE膜覆盖，下弦之下及内环侧壁等用半透明的PTFE声学吊顶。鸟巢新颖的外观造型和特殊的结构体系成为2008年奥运会的一座独特的标志性建筑。

南京奥林匹克体育中心主体育场的俯视平面为直径285．60m的圆，屋顶钢结构体系（图5．42）是由与水平面成45°倾斜、跨度为360．06m的三角形变截面的钢桁架拱和104榀钢箱梁形成的空间马鞍形屋面罩棚组成。作为整个屋盖结构的灵魂——主拱，其拱脚支座距离为360．06m，实际跨度为361．582m，弧线长度为415m，主拱顶标高65m，单榀质量1　635t，堪称世界第一斜拱。

南京奥林匹克体育中心主体育场的钢桁架主拱是世界上跨度最大的拱。为了减少拱脚巨大的水平推力和拱脚水平位移，在两拱脚底座间跨越体育场的地下用无粘结预应力筋束连接作为大斜拱的“弦”，使之与拱形成“弓”结构，成功地控制了大跨度钢拱支座的水平位移和水平推力。体育场的主体结构为部分预应力钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系（2～7层），整个主体结构外围长达892．24m，东西两面中间最宽处达78m。

北京奥运会自行车馆总建筑面积32　250m²，局部地下一层，地上三层。下部为钢筋混凝土结构。上部屋盖采用双层球面焊接网壳结构［图5．43（a）］。该屋面水平投影为圆形，直径149．5m，矢高14．69m。网壳

图5．41　国家体育场（鸟巢）

（a）骨架图；（b）桁架柱顶；（c）杆件箱形截面图；（d）主体刚架

图5．42　南京奥林匹克体育中心主体育场

厚度2．8m，顶高35．29m。整个屋盖系统由24组向外倾斜15°、垂直高度10．35m的人字柱支承。人字柱由2根φ1000×18的钢管相贯焊接而成。通过铸钢支座与竖向承重的混凝土结构铰接连接，人字形柱柱顶支撑高度达133m，柱顶支撑构造见图5．43（b）。老山自行车馆的屋盖是我国跨度最大的封闭式双层球面网壳，网壳采用四角锥网格，最大网格尺寸为4．96m×4．24m。图5．43（c）为屋盖平面及剖面图，屋盖矢高小，呈蝶形，有效降低了结构高度，减少了室内无用空间，屋顶的各管桁架环梁系统有效地承担了网壳的水平推力，从而减少了混凝土支座的水平推力。

老山自行车馆在建筑物理方面也有创新，例如，屋面板选用智能调光的双层聚碳酸酯阳光板，晴天可通过调节屋面板空腔内小百叶角度达到均匀进光效果；阴雨天把小百叶完全打开增大进光量，利用双层板间空气隔层的隔音膜可降低雨水冲击声；夜间把小百叶带有反射涂层的一面朝向室内，利用其反射灯具的漫反射光线来照明，还可消除强光对体育运动的干扰。

图5．43　老山自行车馆

（a）全景图；（b）柱顶圆钢管相贯节点示意图；（c）屋盖平面及剖面图