西尔斯塔楼高楼钢结构实例

1.建筑概况

美国芝加哥市1974年建成的西尔斯塔楼，地下3层，地面以上109层，高443m。为了把风荷载下的结构侧移和振动加速度控制在允许限值以内，楼房的高宽比不应大于6.5。为此，楼房底层的平面尺寸定为68.55m×68.55m，以此计算得的房屋高宽比约为6.4。

2.结构体系

（1）因为楼房底边尺寸已超出框筒的极限尺寸45m，所以采用框筒束体系。框筒束是由9个子框筒并联所构成，即在外圈大框筒的内部，按井字形，沿纵、横两个方向各设置两棍密柱深梁型腹板框架分隔而成。从而大大改善水平荷载下外框筒翼缘框架的剪力滞后效应。

（2）每个子框筒的平面尺寸为22.85m×22.85m。框筒束各棍腹板框架和翼缘框架的柱距均为4.57m。框筒束的所有柱子均采用焊接H型钢，由于H形截面的力学特性存在着强轴与弱轴，为使腹板框架具有最大的抗剪能力并减小翼缘框架的剪力滞后效应，特将各根钢柱的腹板方位布置于所在框架的平面内（图4-77a）。又为了避免不同方位框架的钢柱所承担的重力荷载出现较大差异，楼盖钢梁的布置方向每隔6个楼层交替地转90°至其垂直方向。

（3）楼房高度已超过400m，为了减小风荷载引起的倾覆力矩，减小楼房上部的受风面积效果最为明显。为此，楼房的体形采用台阶式截锥体。按照各楼层使用面积由下往上逐渐减小的要求，到第51层时，减去对角线上的两个子框筒；到67层时，再减去另一对角线上的两个子框筒；到91层时，再减去三个子框筒，仅保留两个子框筒，一直到顶（图4-77b）。

（4）为了进一步减小框筒的剪力滞后效应，利用第35层、第66层、第99层三个设备层或避难层（也正是各个在半高处中止的子框筒的顶层），沿9个子框筒的各棍框架设置一层楼高的桁架，形成三道刚性环梁，来提高框筒束抵抗水平荷载倾覆力矩作用下的竖向变形能力。

图4-77 西尔斯塔楼的框筒束体系

a）1～50层结构平面 b）塔楼的总体透视图

3.构件截面尺寸(www.xing528.com)

（1）框筒柱采用焊接H型钢，其截面尺寸由底层1070mm×609mm×102mm（高×宽×翼缘厚），分级变化到顶层的1070mm×305mm×19mm（高×宽×翼缘厚）。

（2）框筒窗裙梁采用焊接工字钢，其截面尺寸由底层的990mm×406mm×70mm（腹板高×翼缘宽×翼缘厚），分级变化到顶层的990mm×254mm×25mm（腹板高×翼缘宽×翼缘厚）。

（3）各层楼盖的钢梁均采用芬克式桁架（图4-78），跨度为22.85m，间距为4.57m，桁架梁的截面高度为1020mm，其斜腹板之间扣除防火保护层之后，可穿越直径达510mm的空调管道。钢梁上搁置肋高76mm的压型钢板，上面浇筑63mm厚的轻质混凝土，楼板总厚度为140mm。

4.用钢量

西尔斯塔楼的结构总用钢量为7.6×10⁴t，单位建筑面积的平均用钢量为161kg/m²。

5.计算结果

（1）结构分析结果，西尔斯塔楼的基本自振周期为7.8s。与纽约世界贸易中心大楼（高417m、框筒柱距1.02m）相比较，西尔斯塔楼在用钢量减小14%的情况下，基本自振周期还缩短22%，足以说明，框筒束体系的抗推刚度比框筒体系更强。

（2）在基本风速为34m/s的风荷载作用下，结构顶点侧移角为1/550，最大层间侧移为7.6mm。框筒束各棍腹板框架柱、翼缘框架柱的轴力分布曲线，示于图4-76b。可以看出，曲线形状比较平缓，接近于直线，表明框筒束的剪力滞后效应很弱。也就是说，框筒束是一种高效的抗侧力立体构件，空间工作性能很强。

图4-78 跨度为22.85m的桁架式楼面梁