多高层钢结构分解

第 4章
多高层钢结构
定义 高层钢结构一般是指六层以上（或30ｍ以上），主要采 用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结 构体系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架――混凝土核 心筒结构形式。后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为 广泛，事实上，它属于钢――混凝土混合结构。 应用范围 现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业中心，如： 北京国贸中心、环球金融大厦。 星级饭店，旅馆，如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店 商用写字楼，综合楼，办公楼 如：长春光大银行、上海国 际航运大厦。 民用住宅，高层公寓。民用住宅的开发与试点正在进行。如： 天津市梨园小区等。
4.2.3.4竖向地震作用 高层建筑中考虑竖向地震作用时，按下述 方法确定等效地震力：
FEvk a vmax Geq
Fvi Gi H i
（4-20）
G H
j 1 j
n
FEvk
j
（4-21）
4.3 高层钢结构的内力与位移分析
4.3.1.一般原则及基本假定
无地震作用时
S G CG Gk Q1CQ1Q1k Q2 CQ2 Q2k w w Cw wk
4.1.3.高层钢结构的布置 1结构平面布置
建筑平面及体型宜简单规则。平面布置应力求使结构的抗侧 力中心与水平荷载合力中心重合，以减小结构受扭转的影响。 建筑的开间、进深应尽量统一，以减少构件规格，利于制作 和安装。 结构平面布置不宜使钢柱截面尺寸过大，钢板厚度不宜超过 100mm。 建筑物平面宜优先采用方形、圆形、矩形及其他对称平面。 抗震设计的常用建筑平面和尺寸关系见图4-14。筒体结构多 采用正方形、圆形、正多边形，当框筒结构采用矩形平面时， 其长宽比不宜大于1.5：1。 高层建筑宜选用风压较小的平面形状，并应考虑邻近高层房 屋对该房屋风压的影响，在体型上应力求避免在风作用下的 横向振动。
主要材料 型材：包括截面形式为：“Ｈ”型钢，“十”字形 钢、“口”字型钢。目前我国莱钢、马钢、鞍钢一 厂自行生产的100mm—700mm的热轧“Ｈ”型钢， 上海大通生产的高频焊接轻型H型钢 均已投放市 场。 钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的 压型钢板 发展、现状、前景 高层钢结构在我国最早应用于工业建筑中，如矿井 塔架、海洋平台等。民用高层钢结构的应用起步较 晚，我国最早的高层钢结构建筑为上海国际饭店 （1932年，22层，82米），进入八、九十年代以 后，高层钢结构获得了较快的发展，国内也出现了 一批高层钢结构建筑（八十年代有11幢，九十年代 至今有25幢） 。
4.1.4.5 设计时考虑的其他因素 （1）关于高强度钢材的应用 高层建筑结构中的钢柱和竖向支撑用钢量很大， 但这些构件受长细比影响，采用更高强度的钢材， 经济效益不明显。高层建筑钢结构的侧向刚度较小， 但由于各种钢号的钢材弹性模量几乎相等，如采用 更高强度的钢材，有些构件的截面尺寸要减小，使 结构的侧向刚度也相应减小，而且钢材的延性也会 降低。高强度钢材在抗震高层钢结构中的应用，应 持慎重态度。 （2）对低温环境和外露结构要选用适宜的钢材 对于冬季计算温度低于0℃的情况，应考虑适应 负温的钢材等级。对外露结构件宜选用耐候钢。 （3）慎重特厚钢板 （4）对 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 京广中心 北京 208 3+57 13.7 1.9 钢框架，带边框钢筋混凝土剪力墙 2 京城大厦 北京 182 4+52 11 1.2 钢框架—钢支撑（外包钢筋混凝土） 3 深圳发展中心 深圳 165 2+48 5.6 0.9 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 4 北京国贸中心 北京 155.2 2+39 8.6 1.2 内外钢框架—钢支撑筒体 5 上海锦江饭店 上海 153 1+46 4.8 0.75 钢框架—钢支撑及钢板剪力墙 6 上海希尔顿饭店 上海 144 1+43 5.2 0.4 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 7 上海国贸中心 上海 142 2+37 9 1.074 钢框架—钢支撑 8 上海瑞金大厦 上海 107 1+27 3.2 0.37 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 9 长富宫饭店 北京 90.9 3+26 5.05 0.53 纯钢框架及剪力墙 10 香格里拉饭店 北京 82.7 2+24 5.6 0.53 钢骨混凝土框架，钢框架梁、梁柱 钢接体系 11 上海金沙江饭店 上海 41.4 1+14 1.6 0.11 钢框架—钢支撑 合计 73.35万平米 8.964万吨
A.形状复杂的剪力墙可采用平面有限元法进行应力 计算，所采用的平面单元应具有较高的精度，例如 采用完全三次式位移函数的单元。 B.沿竖向基本均匀的结构，可采用有限条法进行内 力与位移分析。有限条的类型可根据结构类型决定。 C.有必要并有条件时，可以将更复杂的高层建筑结 构划分为各种单元的组合，采用更详细的计算机程 序进行三维空间分析。 D.在计算机弹性分析程序编制中宜采用子结构方法 以节省内存。首先消去子结构中的内部自由度后再 形成总刚度矩阵，然后解方程，求得总体未知量再 代回求了其他位移和相应的内力。
4.1.4高层钢结构的材料选用 （1）钢号的选用
宜用的钢号 Q235等级B、C、D的碳素结构钢 Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢
（2）主要承重结构钢材的力学性能保证项目 应保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯试验、冲 击韧性等5项力学性能。 抗震结构对钢材的附加规定，强屈比fu/fy≥1.2（fu 为抗拉强度，fy为屈服点） 钢材应有良好的焊接性。 （3）钢材的化学成分保证项目 将碳、硫、磷等3项化学成分作为保证项目
FEK 1Geq
地震作用的计算方法
底部剪力法
FEK 1Geq
Fi
Gi H i
G H
j 1 j
n
FEK (1 n )
j
振型分解反应谱法 当采用空间协同工作或空间结构计算空间 振型时，振型分解反应谱法要求按下式计算 振型质点的等效水平地震作用力，然后进行 地震效应振型组合。 时程分析法
有地震作用的第一阶段设计时
(4-24)
S G CG GE Eh CEh QEhk EvCEvQEvk w w Cw wk
（4-25）
4.3.2.内力与位移的计算方法
4.3.2.1一般规定 高层建筑钢结构由于其功能复杂、体型多样，且高度较大， 杆件较多，受力也比较复杂，因此，在进行结构的静、动力 分析时，一般都应借助于电子计算机，采用专用设计计算软 件进行工程设计。对于结构布置不规则、体型复杂以及空间 作用明显的结构，宜采用空间分析方法。此时，梁柱构件按 空间杆件计算单元考虑，每端有6个自由度；剪力墙按薄壁空 间杆件计算单元考虑，每端有7个自由度。
(2)框架—剪力墙结构体系
（a）实体式剪力墙；（b）、（c）由交叉支撑组成的桁架式剪 力墙
(3)外筒式结构体系 (4)筒中筒结构体系
（a）筒中筒；（b）三重筒
(5)筒束结构体系 (6)钢—混凝土组合结构体系
钢外框架—钢筋混凝土核心筒体系、钢筋混凝土外框筒—钢内 框架体系 是钢结构
、劲性钢筋混凝土梁和柱作为过渡段，3层以上则全
4.2 高层钢结构的荷载及效应组合
4.2.1 竖向荷载 (1)高层建筑中，活荷载值与永久荷载值相比是不大的，因此计 算时，对楼层和屋面活荷载一般可不作最不利布置工况的选择， 而均采取满布活荷载的计算图形，以简化计算。 (2)活荷载较大时，需将简化算得的框架梁的跨中弯矩计算值乘 以系数1.1～1.2；梁端弯矩乘以系数1.05～1.1予以提高。 (3)当计算侧向水平荷载与竖向荷载共同作用下结构产生的内力 时，竖向荷载应按《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001） 的规定折减，但在抗震计算时另行考虑。 (4)施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力影响的起重机械或其 他施工设备时，在结构设计中应用根据具体情况验算施工荷载的 影响。
2结构竖向布置 抗震设计的高层建筑，在结构的竖向布置上具有下 列情况之一者，为竖向不规则结构。 楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层 总的刚度降低超过50%；相邻楼层有效质量之比超 过1.5，但轻屋盖与相邻楼层的有效质量之比除外； 竖向抗侧力构件不连续；任一楼层抗侧力构件的总 抗剪承载力，小于其相邻上层的80%；立面收进部 分的尺寸比值为： 当L1/L＜0.75（图4-15），当收进位于0.15H范围 内时，L1/L＜0.50（图4-16）。 抗震设计的框架—支撑结构中，支撑宜在竖向连续 布置。除底部较高楼层、水平帽状桁架和带状桁架 所在楼层及顶部不规则楼层外，支撑的形式和布置 在竖向宜一致。
九十年代的高层钢结构
序号 工程名称 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 环球金融大厦上海495 460 33 2.6 钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及 钢柱(停工） 2 金茂大厦 上海 3 88 420 28.9 1.4 钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及 钢柱 3 赛格广场 深圳 4 70 278.6 15.8 1 钢结构混凝土核心筒，外框钢管混凝土结构 4 地王大厦 深圳 3 67 294.1 13.8 1.2 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 5 世界贸易中心 天津 3 64 266 10 1.6 钢结构框架—斜撑核心筒，外框钢结构 6 上海浦东国际金融大厦上海 上海 3 53 230 12 1.1 钢结构混凝土核心筒，外框 钢结构 7 大连云山大厦 大连 4 52 208 9.6 0.7 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 8 上海东海广场 上海 3 52 245 10 0.34 钢框架与钢混凝土中心筒 9 大连远洋大厦 大连 3 51 200.8 7 0.5 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 10 国际航运大厦 上海 3 48 210 10 0.95 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 11 森茂大厦 上海 3 48 198 11 0.8 钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土结构 12 长春光大银行 长春 3 26 99 3 0.4 钢框架斜撑—钢筋混凝土筒 13 世界金融大厦 上海 2 43 166.5 8.3 0.33 钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝 土柱 14 云项花园 天津 3 43 165 6 1.3 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 15 期货大厦 上海 3 43 157.7 8.5 0.65 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 16 上海信息枢纽大楼 上海 4 41 184.5 8.7 0.8 钢结构混凝土筒体，巨型钢框架 结构 17 中国保险大厦