高層結構與鋼結構(中英論文翻譯用)

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高層結構與鋼結構
近年來，盡管一般的建筑結構設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構設計。
最初的高層建筑設計是從鋼結構的設計開始的。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用是由于新的結構系統(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。過分的傾斜會導致建筑的隔離構件、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構系統(tǒng)還是鋼結構系統(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向位移。
在鋼結構系統(tǒng)設計中，經(jīng)濟預算是根據(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。而結構工程師改進結構系統(tǒng)的目的就是減少這部分造價。
鋼結構中的體系：鋼結構的高層建筑的發(fā)展是幾種結構體系創(chuàng)新的結果。這些創(chuàng)新的結構已經(jīng)被廣泛地應用于辦公大樓和公寓建筑中。
剛性帶式桁架的框架結構：為了聯(lián)系框架結構的外柱和內(nèi)部帶式桁架，可以在建筑物的中間和頂部設置剛性帶式桁架。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。
框架筒結構： 如果所有的構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構抵抗風荷載的所有強度和剛度將達到最大的效率。這種特殊的結構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。但是這種結構體系的的所有應用中最引人注目的還要屬在紐約建造的100層的雙筒結構的世界貿(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件聯(lián)系在一起，形成一個共同工作的筒體結構。這種高度的結構體系首次被芝加哥的John Hancock 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。筒體結構和斜撐桁架筒體被設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Sears Roebuck 總部大樓有9個筒體，從基礎開始分成三個部分。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)出了這種新式結構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)：這種筒體結構系統(tǒng)的設計是為了增強超高層建筑抵抗側力的能力（風荷載和地震荷載）以及建筑的抗側移能力。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構構件，為高層建筑抵抗側向荷載提供了一個有效的途徑，而且可獲得不用設柱，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，整個框架筒的構件無需過大的質(zhì)量。這樣以來使得結構既輕巧又經(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。這種結構體系已被建造在匹茲堡洲的One Mellon銀行中心所運用。
鋼筋混凝土中的各體系：雖然鋼結構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?？?，無論在辦公大樓還是公寓住宅方面都成為剛結構體系的有力競爭對手。
框架筒：像上面所提到的，框架筒構思首次被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。
筒中筒結構：另一種針對于辦公大樓的鋼筋混凝土體系把傳統(tǒng)的剪力墻結構與外框架筒相結合。該體系由柱距很小的外框架與圍繞中心設備區(qū)的剛性剪力墻筒組成。這種筒中筒結構（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)剪力墻結構相當。
鋼結構與混凝土結構的聯(lián)合體系也有所發(fā)展。Skidmore ,Owings 和Merrill共同設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，從而結合了鋼筋混凝土體系與鋼結構體系各自的優(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。
鋼結構是指在建筑物結構中鋼材起著主導作用的結構，是一個很寬泛的概念。大部分的鋼結構都包括建筑設計，工程技術、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，鋼結構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，鋼結構就已經(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)出來供結構所用。對鋼結構諸多問題的研究開始于鐵結構的使用，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Coalbrook dale 大橋。這座大橋以及后來的鐵橋設計再加上蒸汽鍋爐、鐵船身的設計都刺激了建筑安裝設計以及連接工藝的發(fā)展。鐵結構對材料的需求量較小是優(yōu)勝于磚石結構的主要方面。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Joseph Paxtond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構構思：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。在金屬結構的發(fā)展歷史中，有兩個標志性事件：首先是從木橋發(fā)展而來的格構梁由木制轉(zhuǎn)化為鐵制；其次是鍛鐵制的受拉構件與鑄鐵制的受壓構件受熱后通過鉚釘連接工藝的發(fā)展。