建筑结构-高层1

可以设想，如果沿房屋外因设置能够受力的实体的或密布 着较小孔洞的墙体，由此形成的外筒将具有最大的面积， 和最小的高宽比，从而具有最大的抗侧能力。
对钢结构来说．采用沿外墙布置孔洞钢板墙形成筒体的结 构方案是不可取的。但其衍生——密排柱形成的框架筒体 ，将能起到与密布孔筒体相同的效果、从而派生出适用于 超高层建筑的框筒新体系。
钢结构 高层建筑选型
问题1：为什么在高层建筑层数较高时，倾向用钢结构 ？
40层以上的楼房，由于普通钢筋砼结构的构件截面 尺寸较大，建筑的使用面积相对减少，单位使用面 积的造价相应上升；钢筋砼具有较大的自重，使高 层建筑的基础和地基处理复杂化，费用昂贵；钢筋 砼结构的现场工作量大，施工周期比钢结构长．推 迟了建筑的启用，减少了经济收益。如果建筑场地 位于高烈度地层区，房屋层数愈多，竖向构件的轴 压比值愈大，钢筋砼结构将因延性降低，而难于保 证具有足够的抗震可靠度。
平面为5跨的钢结构房屋各种不同层数时的钢材耗用量。
楼面结构的钢材耗用量几乎与房屋层数无关。
柱、墙等竖向构件，用于承担重力荷载的钢 材耗用量虽随房屋层数的增加而逐步增长， 但增长速度很慢；抵抗侧力的用钢量，不仅 在总用钢量中占有很大比重，而且随房屋高
度急剧增长。一般结构体系和优化结构体系
的钢材耗用量。从对比数字可以看出，抗侧 力的钢材耗用量，优化抗侧力体系比一般抗 侧力体系，可以节约钢材40％。
密柱深梁 要使框筒的抗侧力性能基本上等向实墙筒体，而具 有最大的抗推刚度和强度，框向的钢柱，在框架平面 内需要具有较大的杆件剪弯刚度，框筒的备层钢梁需 要只有极大的竖向剪弯刚度，如此，框筒在侧力作用 下基本上仅发生整体弯曲，也就是说，各框架柱仅发 生轴向变形；框架柱和梁，基本上保持平直状态，不 发生在普通框架中所出现的杆件剪弯变形，从而做到 ，框筒的腹板框架中各钢柱的轴向压力或拉力、到中 和轴的距离成正比，呈线件变化；冀缘框架中各钢柱 的轴向压力或拉力大致相等。这就要求框架柱的间距 尽可能地小，框架柱和梁在框架平面内具有较大的截 面高度和截面惯性矩。世界贸易中心大楼所采用的钢 框筒，柱的中心距为1．02m，柱截面为450 mm方管 ，梁截面高度为1320 mm。计算结果表明，此—· 密 排框筒结构的抗侧力性能，基本上达到了密布孔筒体 的
为了加快组装进度，预先在工厂 里将三根柱和三根梁拼合为一个 吊装构件，即所谓的“树状柱” 沿房高度每隔32层，设两层楼高 的设备层。结构上，利用这些设 备层，沿房员外围设两层楼高的 腰梁，以提高框简的竖向刚度和 整体性，减少框简的剪力滞后
到目前为止，实测到的在阵风作 用下的房屋顶点最大测移值为o ．46m(估算值为1．02m)，仅及 房屋高度的l／890，足以说明外 框简抵抗侧力的有效性
各种体系的适用高度
我国《高钢规程》对高层建筑钢结构常用高度范围内的 高度限值
选定结构体系的因素有二： 一是建筑的使用要求， 二是结构体系的经济性。
国外关于几种常用钢结构体系所适用的建筑层数．对于确定 高层建筑经济有效的抗侧力体系，有着一定的参考价值。
高 层 建 筑 层 数
各种型式结构体系在满足使用功能方面： 高 宽 比 高层结构的高宽比值不应大于8，
加拿大国家银行办公大楼，为38层，7层以上为 钢结构，高1 27m，均采用新型的框—撑体系。 竖向支撑沿房居中心部分的服务竖井四周布置，
加拿大国家银行典型楼层平面
人字形竖向支撑的每 一个节间，跨越三个 楼层，由于支撑的节 间长、宽度大，同方 向仅需布置一列支撑 。杆件及节点的数量 大大减少，方便了施 工，而且提高了抗侧 力的有效性。 大型竖向支撑

框筒
尽管在框—撑体系中增设加劲桁架后，竖向支撑内 筒的抗侧力承裁力和刚度均得到较大程度的提高。 然而，由于房屋核心部分的平面尺寸较小，从而限 制了框—撑体系的适用高度。为了使超高层建筑的 主体结构达到经济合理境地，最有效的途径是，使 抵抗侧力的主体结构的尺寸，达到房屋的全宽。也 就是使房屋外围的竖向构件成为抗推结构的主要组 成部分。
较大，抗弯刚度较弱，结构在侧力作用下，因连系梁产生较大的
弯曲变形，外柱不能与竖向支撑共同形成一个整体抗弯构件，从 而使竖向支撑几乎是独自抗弯。
在顶层增设伸臂帽桁架，并每隔若干层，设置伸臂腰桁架，以加 强竖向支撑与外柱连接的竖向抗弯刚度，使外柱参与水平荷裁作 用下的结构整体弯曲．承担倾覆力矩引起的轴向压力或拉力。其 效果相当于在一定程度下加大了竖向支撑的有效宽度．减小了它 的有效高宽比，从而提高框—撑体系的抗侧力强度和刚度。
问题2：对比钢筋混凝土高层，钢结构设计高层建筑会带来 什么新问题 ？
钢结构的构件截面小，虽然材料弹性模量大， 但总的刚度偏低，层间位移和结构总体侧移较 难满足
问题3 国内影响钢结构高层设计的一个重要因素，是钢结构的投 资较大，如何控制 用 钢 量？
高层建筑结构不同于低层建筑结构的最主要一点就是，侧向荷 载是结构受力的最主要因素，重力荷载退居为第二位。因而建 筑中的抗侧力体系成为整个结构的最主要组成部分，决定着整 个结构体系的选型。抗侧力体系合理与否，在很大程度上影响 着钢材的耗用量。
体系的组成
沿竖向支撑所在平面，在房屋顶层以及每隔12 层左右，沿房屋纵向和横向全宽，设置一层楼 高的加劲衍架——伸臂衍架和周边桁架，内部 支撑与外围框架柱连为一体，使房屋外围柱参 与结构体系的整体抗弯，以提高整个结构的抗 推刚度和水平荷载承载能力。
竖向支撑的加劲衍架
变形特点
伸臂桁架的作用 框—撑体系的侧移和杆件变形状态。当仅在框架问设置竖向支撑 作为主要抗侧力构件，由于竖向支撑与外柱之间的连系梁，跨度
偏交支撑的类型及其在侧力作用下的杆件变形
具有明显优势：①能够比较准确而有效地控制结构在水平地层作 用下的变位；②减少地震作用下房屋的侧移．顶点最大侧移值约 减小17％；②缩小各楼层层间侧移值的差别，使其变化趋向平稳 ；而轴交支撑框架各楼层的层间位移值大小悬殊，顶层与下层相 差3倍，而变化无一定规律；④具有较大的结构延性；⑥具有良 好的吸能特性，使“耗能梁段”在支撑屈曲前发生剪切屈服，能 更多地消散地震能量；而轴交支撑框架，由于斜杆在强烈地震时 会发生屈曲，所吸收的地震能量十分有限；⑥用钢量约节省18— 30％；⑦具有较低的造价。偏交支撑是地震区高层建筑的一种良 好抗侧力构件。
需要指出，计算房屋的高宽比时，不应当笼统地都采用建筑物 的总宽度，而应根据抗侧理体系的力学特性采取主体结构的有 效宽度。
我国《高钢规程》根据国内外的工程经验，对各种 结构体系的高层建筑的高宽比限值分别作出规定。
各种型式结构体系的平面使用效果
杆系分类
用于高层建筑中的抗侧力结构体系，按杆件受力性质 可分为轴力杆系和弯曲杆系两大类。
问题6：为什么世界贸易中心不算筒中筒？
最著名的代表作是纽约的世界贸易中心塔楼。
纽约的世界贸易中心双塔，在结构方面，房屋中央电梯 井的17根钢柱，主要承重力荷载，并在施工过程中用来 支承起重设备。房屋外围的240根密排柱，与具有较大 截面高度的窗裙梁，共同形成外框筒，主要承担侧向荷 载，从而最大限度地减小了抗侧力体系的高宽比。外围 柱子采用450 mm见方的管状截面，从上到下，截面外 形尺寸不变．靠改变壁厚来适应不同的受力条件。
第—威斯康星中心大楼的
有无刚臂的竖向支撑，分别在水 平荷载作用下的侧移。因中实线 为有刚臂时的侧移曲线，虚线表 示无刚臂时的侧移曲线。两相比 较，可以看出，刚臂的效果是显 著的，顶端侧移约减小25％。
刚臂—芯筒体系
偏交支撑框架体系
问题5：轴交支撑有何缺点？
常用的人字形、x形和华伦式支撑均属轴 交支撑，即支撑斜杆和梁柱的轴心线都 交汇于一点。 这类轴交支撑用来抗风和抗震不太强的 地区是有效的，但不宜用作高烈度区高 层建筑的抗侧力构件，因为轴交支撑在 强烈地震作用下，其中的斜杆容易发生 屈曲。此种破坏现象，历次地震调查中 时有发现。
偏交支撑框架是近几年发展起来的适用于
高烈度区建筑的一种新型抗侧力体系。
偏交支撑的优越性 新发展起来的偏交支撑，情况就大不—样。由于支撑斜杆 的轴线偏离梁柱轴线的交点，或者两根斜杆轴线不再与梁轴 线交汇于一点，而是离开一定距离，交点之间的一段梁称之 为“耗能梁段”，它在往复荷载作用下的良好塑性变形能力 ，大大改善了支撑框的耐震性能。因为耗能梁段的塑性受剪 能力是能够事先确定的，设计偏交支撑时，可以将斜杆的承 载力设计成耗能梁段塑性受剪承载力的1．5倍。这样，当结 构遭遇强烈地震时，支撑框架中称作耗能梁段的这一区段梁 ，发生塑性剪切变形，来消耗地震输入能量，达到抗震的目 的。它一方面保护支撑斜杆不再因受压失稳而发生侧向挠曲 ，使斜杆始终保持平直状态，避免斜杆在反复荷载作用下重 复地屈曲而引起的轴压承载能力的大幅度降低。另一方面也 增加了支撑框架侧向变形的延性，从而进一步提高了整个结 构体系的抗震可靠度。
在框—撑体系中，框架是剪切型构件，底部层间位移大 支撑为弯曲型竖构件，底部层间位移小，两者并联，可 以明显减小建筑物下层的层间位移
竖向支撑的
受力状态
支撑框架及其中单一结构的侧移
上海锦汇饭店分馆，地上43层，高153m。平面为方形采 用框—撑体系，基本柱网为8m。内外柱均采用方管截面 ，外柱为700×700×80一20 mm，内柱为500×500×80一 20 mm。周边梁为700×300mm。梁柱节点为全焊接。塔 楼核心部分的框架间设置竖向K形支撑和钢板剪力墙。结 构用钢量约130kg／m2。
外圈桁架的作用 框—撑体系的外围柱距，一般在6m以上。 外围框架梁的截面高度又不可能做得很大，因而竖向刚 度有限，不足以让其与伸臂衍架直接相连的其它柱子， 参与结构的整体弯曲。为了改善这一情况，提高框—撑 体系的抗推刚度，在设置伸臂桁架的楼层，沿结构外围 的框架平面，设置外围桁架。
美国威斯康星州的41层第一威斯 康星中心大楼东西向抗侧力体系
由水平构件和竖向构件正交连接所形成的结构体系 ，在风、地震等侧力作用下，所有杆件都承受剪力和弯 矩，从而发生垂直于杆轴方向的变形，称为弯曲杆系。 由水平、竖向和斜向杆件组成的几何不变体系，在 侧力作用下，各杆件主要承受沿杆轴方向的拉力或压力 ，称之为轴力杆系。一般而言．在抵抗侧力方面，轴力 杆系比弯曲杆系更有效，前者具有较大的刚度。