多高层建筑钢结构设计探讨

多、高层建筑钢结构设计探讨浙江杭萧钢构股份有限公司杨强跃二00四年五月目录1.建筑钢结构的技术特性2.多、高层建筑钢结构的结构体系3.工程实例简介4.与结构用钢量指标有关的几个主要因素5.多、高层建筑钢结构的试验研究与开发1.建筑钢结构的技术特性1.1优势a：抗震性能优于钢筋砼结构；轻，地震力小，延性好，吸收地震能量的能力强。

b：减轻结构自重、降低基础工程造价；钢材强度与其容量之比高，因此截面小，重量轻。

c：减少建筑中结构所占的面积，增加有效使用面积；可采用大柱网，柱截面可减小。

以瑞丰大厦为例，原钢筋砼柱1100×1100，每柱A=1.21m²；钢管砼柱500×500，每柱A=0.25m²，通常可增加有效使用面积5%~8%左右。

d：采用钢——砼组合梁，比钢筋砼梁可减小梁高，增加净高，在确定总高和每层净高的条件下，可增加层数。

e：施工周期短，比高层钢筋砼结构至少可省1/4工期。

f：施工现场紧凑，不需要大面积的堆料场，大大减少了湿作业，基本上无粉尘，属环保型工程，适合大城市闹区施工；g：综合经济指标好就结构造价而言，钢结构对于较大跨度，较大层高、较大使用荷载和较高的建筑物以及软弱地基，技术经济指标较好。

1.2不足：a：耐火性能比钢筋砼结构差，但钢管混凝土结构比纯钢结构好；b：钢结构的制作与安装的技术含量高，施工难度较大；c：国内设计计算软件、标准、设计经验均有待提高与完善。

2.多、高层建筑钢结构的结构体系2.1框架结构体系——一般用于多层与中高层钢结构建筑。

1刚接框架结构体系·框架的梁柱连接有足够的刚度，能保持相交杆件的原夹角基本不变。

·由梁、柱及节点的抗弯承载力来抵抗水平作用（风与地震）。

·框架梁端由于框架梁柱的连续性可以分担较大比例的由竖向荷载产生的弯矩，从而降低了梁跨中的正弯矩，使梁断面的承载力较大程度地利用。

·侧向变形部分主要由剪切变形引起（约占80%~90%），部分由弯曲使柱缩短引起的。

一般情况，由于柱轴向变形所产生的侧移占15%~20%；由于梁转动所产生的侧移占50%~60%；由于柱转动所产生的侧移占15%~20%；还有一小部分是节点的变形所产生的侧移。

·刚接框架的侧移是柱刚度和梁刚度二者的函数，由于通常梁跨大于层高，柱刚度此梁刚度大，造成较大的梁的转动，因此，若要减少侧移，应首先增加梁的刚度，使梁的惯性矩大于柱的惯性矩，二者的比值宜为梁跨与层高之比。

·对建筑平面设计限制不大，可让平面设计灵活布置。

·抗震区应采取措施，确保强连接，使大震时塑性铰出现在梁构件中。

2.1.2半刚接框架结构体系·梁柱连接处没有足够的刚度完全阻止梁与相交柱子之间的转动，即梁柱间的夹角要发生变化。

·竖向荷载作用下可按铰接计算，水平荷载作用可按刚接计算——近似计算方法。

·可与其他抗侧力结构组合运用，利用它的变形能力。

·缺少可资利用的有关弯矩一转角关系的足够资料，给设计人员的应用带来困难，一个准确的关系只有通过试验才能求得。

·美国的AISC、英国及澳大利亚的规范中容许采用半刚接框架。

2.2支撑框架结构体系·支撑框架是在刚接框架中增加腹杆（支撑），使水平剪力主要由腹杆承受的轴向力的水平分量来承担，而不是由柱来承受，可以认为是主要通过柱与支撑的轴向刚度来抵抗侧向荷载的悬臂竖向桁架。

·侧向变形是弯曲与剪切变形曲线的组合，大多数情况是弯曲变形控制。

因此撑系框架的抗侧刚度比刚接框架大。

·高宽比在8~10范围内对撑系框架来说较合理。

2.2.1中心支撑框架结构体系·所有构件，即梁、柱及支撑的中心线交汇于共同点。

·构件所受的内力是轴向的。

·在非地震区，其抵抗风荷载引起的侧向刚度与强度均较大，但在地震区，其非弹性变形较差，也即延性不佳，应考虑与有较好延性的其他结构组合应用。

2偏心支撑框架结构体系·梁柱与梁支撑中心线连接点不在同一点，有一定的偏心距——耗能梁段；·将支撑框架的强度和刚度与刚接框架的非弹性性能和耗能特性结合起来，使整个结构在强震时具吸收能量的能力，也即有较好的延性。

·耗能表现为梁腹板的剪切屈服（耗能梁段在2倍梁高范围内）或梁内产生塑性铰（耗能梁段超过梁高的2倍）。

·侧移由三个分量构成：a.支撑伸长的变形；b.柱轴向应变产生的变形——弦杆式侧移；c.偏心杆件变形产生的变形。

·综上，偏心支撑框架有以下特性：a.提供一种刚性的结构体系而不致过多耗费钢材；b.偏心梁构件的剪切屈服，起到保险丝的作用，可以耗散强烈地震时过多的能量；c.铰链早期的破坏不致引起结构倒塌，因为结构继续保持其竖向荷载承载能力以及刚度。

2.2.3支撑铰接框架体系·柱底刚接,梁柱间铰接,梁柱与支撑的中心线连接在同一点。

·侧移基本上由支撑伸长变形引起。

·主要通过柱与支撑的轴向刚度来抵抗侧向荷载的悬臂竖向桁架。

·较适用于多层的抗风水平荷载，在地震区的高层建筑中缺乏“多道防线”理念，不宜应用。

因为一旦支撑破坏，铰接框架的抗侧刚度很差，若柱脚处理不善则会成为机构。

2.3双重抗侧力结构体系2.3.1钢框架——支撑框架结构体系·采用刚接框架与核心支撑体系相结合的结构体系，二者之间通过刚性楼板连接相互作用。

刚接框架的变形主要是剪切型，层间的相对变位主要取决作用于每一层剪力的大小；而支撑框架起竖向悬臂梁的作用。

结果是，在建筑物的上部，刚接框架起到了更有效的作用；而支撑框架则在建筑物底部承担了大部分剪力。

由于二者变形特性的不同，在顶部，框架趋向于减小桁架核心的侧向变形，而在接近底部，桁架核心支持着框架。

·在调整构件截面大小时，若顶部的层间位移角较大，则应增加框架的刚度，若在底部层间位移角较大，则应增加支撑的刚度，以达到经济的用钢量。

2.3.2钢框架——砼筒体（剪力墙）结构体系·混合结构2.3.3带伸臂加强层的钢框架——支撑框架结构体系·在建筑的某一高度，利用避难或设备层，用较大刚度的桁架或大梁将支撑框架核心结构与外框架连接起来。

·这一体系是将周边柱的轴向刚度用来增加抵抗倾覆力矩。

为了充分利用周边柱的轴向刚度，通常在伸臂结构标高处，沿周边柱设一道裙梁或带状桁架。

·这一体系对增加结构的抗弯刚度非常有效，设置合理时可将结构刚度提高25%~30%，但不能增加其抗剪能力，剪力主要还是由支撑框架来承担。

·在抗震设防区，应充分认识设置伸臂加强层带来的层刚度突变，应采取相关措施。

2.4筒体结构体系——一般用于超高层建筑·利用全部建筑物的周边以抵抗侧向荷载的全三维结构体系。

2.4.1框筒结构体系·将柱密集地布置在建筑物的周边，并用深裙梁将这些立柱连接起来。

通常柱的间距布置为3~6m，梁高布置为900~1500mm，可以满足框筒性能的的要求。

·基本要求是将尽量多的承受侧向荷载的材料布置在建筑最外边缘，使建筑横截面的惯性矩最大，因此应将柱的强轴垂直于建筑物表面。

·平行于侧向荷载的框架起着腹板作用，而垂直于侧向荷载的框架则起着翼缘作用。

当承受侧向作用时，受力的主要形式为通常的竖向悬臂筒，垂直于侧向荷载的柱边受压和另一边受拉；平行于侧向荷载方向的框架承受通常的平面内弯曲，并承受与一个独立刚接框架所伴生的剪切或推压作用。

因此其对侧向荷载的反应是弯曲型和剪切型的组合。

总弯曲由柱的轴向压缩与拉伸引起，而剪切变形是由于各个柱与梁的弯曲及节点区的剪切变形。

·腹板框架与翼缘框架的主要相互作用是通过角柱的轴向位移产生的。

由于裙梁的相对柔性，使翼缘框架柱从角柱往内柱的应力递次变小，内柱应力滞后于角柱应力，这就是所谓的剪力滞后效应，使得角柱的应力比纯筒体作用时还大。

也就不能充分利用结构潜在的刚度与强度。

·利用建筑的避难层或设备层设置腰桁架或帽桁架可以减少剪力滞后效应，增加结构的刚度。

2.4.2桁架筒结构体系（巨型支撑筒体系）·在每个立面上用最少的斜杆相交在角柱的同一点处，斜杆与柱均相连接；将高应力柱到低应力柱传递轴向荷载，柱的重力荷载应力的差值被拉平了，有效地消除了翼缘框架与腹板框架的剪力滞后效应，极大地发挥了结构潜在的刚度与强度。

2.4.3束筒结构体系·由共用的内筒壁相互连接形成一个多孔的多格筒体。

侧向荷载作用时，沿侧向荷载方向的框架抵抗剪力，而翼缘框架则承受大部分的倾覆弯矩。

·内部柱列与裙梁在抵抗剪力时如同一个巨型悬臂筒体的内腹板一样受力，这样就最大限度地减少了剪力滞后效应，使轴向应力的翼缘框架中的分布趋向于相等。

·显著的优点为几个单筒体可以组合成任何图形，而且可以在任何标高处终止而对结构的整体性没有影响；其缺点是楼面被一系列横跨建筑宽度的柱子划分为密集的筒格。

2.4.4筒中筒结构体系·框筒与支撑框架的组合·框筒与砼筒体的组合——混合结构2.5巨型框架结构体系3.工程实例简介浙江杭萧钢构股份有限公司于1998年开始准备高层建筑钢结构的设计、制作和安装技术，以矩形钢管砼技术为开发重点，收集资料、引进设备、组建生产线、准备试点工程，并进行试验研究。

自1999年以来已先后承接了20多项多、高层钢结构建筑，现分别选择我们参与设计讨论的多层、高层、超高层工程向大家简要介绍。

3.1新疆广汇建材物流园一期3.1.1工程概况该工程位于新疆乌鲁木齐市。

该工程分由A、B、C、D区四个部分组成，均为多层框架结构。

其中A区长185米，宽137米，B区长180米，宽113米，C区长161米，宽129米，D区长129米，宽137米。

地下一层，地上四层，一层层高为6m~6.5m，二、三、四层层高为5.5m。

柱距12米、16米，顶层局部24米。

地下一层为钢筋混凝土结构，地上四层为钢结构。

该工程（钢结构面积）A区轴线面积54775m²，总建筑面积约为29万m²。

设计：新疆自治区设计研究院。

3.1.2主要荷载和作用1.雪荷载：0.8KN/ m²2.风荷载：0.6 KN/ m²，地面粗糙度：B类；3.地震设防烈度为8度，场地类别为II类，建筑设防类别：乙类；4.活荷载：3.5 KN/ m²；5.吊挂荷载：0.5 KN/ m²；6.外墙采用陶粒混凝土墙体，内墙采用轻质隔墙。

3.1.3结构材料：该工程梁、柱等主结构材质为Q345B。

3.1.4计算软件：建科院PKPM系列软件中STS钢结构模块。