第4章多层及高层房屋结构

框架－剪力墙结构 适用范围：15～25层，高宽比H/B不宜大于4-5
4.1 多、高层房屋结构的组成
三、框架—支撑结构体系
• 指由竖向或横向布置的支撑桁架结构和框架构成。 • 特点：
– 框架与支撑系统协同工作，竖向支撑桁架起剪力墙作用，承担 大部分水平剪力。
4.1 多、高层房屋结构的组成
四、框架—核心筒结构体系
• 将框架—支撑结构体系中的各片竖向支撑沿核心区的周边布置或 将框架 —剪力墙结构设置于内筒的四周，形成封闭的核心筒体， 外围钢框架柱形成框架体系。
• 特点：
– 核心筒承担全部或大部分水平力及扭转力。
4.1 多、高层房屋结构的组成
五、筒体结构体系
• 由内外两个筒体，或多个筒体结构组合而成，共同抵抗水平力。
纽约的地标之一，西临哈德逊河。2001年9月11日发生 的9·11事件中倒塌。由两座并立的塔式摩天楼、4幢7
层办公楼和1幢22层的旅馆组成，建于1962—1976年。
业主是纽约州和新泽西州的港务局。设计人是 美籍日裔建筑师M·雅马萨基（Minoru Yamasaki，日 本名为山崎实）。世界贸易中心曾为世界上最高的双 塔，纽约市的标志性建筑，也曾是世界上最高的建筑
第四章 多层及高层房屋钢结构
建筑钢结构设计
目录
1 多、高层房屋结构的组成 2 3 4
结构的分析和设计计算
楼盖的布置方案和设计
柱和支撑的设计
4.1 多、高层房屋结构的组成
4.1.1 多高层房屋结构的类别
– 在多、高层建筑中，侧向荷载效应的影响处于突出地位，抗侧 力结构体系的确定和设计极其关键。 – 主要结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、 框架—筒体结构、筒体结构（筒中筒、束筒体系） 。 – 结构侧向位移模式：剪切型和弯曲型。
4.1 多、高层房屋结构的组成
一、框架结构体系
• 指沿房屋的纵向和横向，均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要 构件所形成的结构体系。 优点： – 建筑平面布置灵活； – 各部分刚度比较均匀； – 延性较大，自振周期较长。 但侧移刚度相对较小，房屋高度不宜过高
– 侧向为剪切变形模式。
框架结构组成：由梁、柱、节点及基础组成，节点构造十 分重要。
4.1 多、高层房屋结构的组成
•下列情况之一，视为平面不规则结构：
– 任一层的偏心率大于0.15。 – 结构平面形状有凹角，缺少部分在两个方向的长度都超过各自 方向建筑尺寸的25%。 – 楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50%； – 抗侧力构件即不平行、又不对称于抗侧力体系的两个互相垂直 的主轴。
• 梁-柱连接节点方式
4.3 楼盖的布置方案和设计
• 主-次梁连接节点方式
4.3 楼盖的布置方案和设计
4.3.2 压型钢板组合楼盖的设计
4.4 柱和支撑的设计
4.4.1 框架柱设计概要
• 高层建筑中常用的柱截面形式有箱形、焊接工字形、H 型钢和 圆管等。 • 可按粗略得到柱设计轴力值的1.2倍，来拟定柱截面尺寸。一般 为变截面柱，每3~4层作一次截面变化。 • 处于抗震设防烈度大于 7 度地区的框架柱板件宽厚比要符合下 表限值：
象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞
后现象。
工程实例
1、世侨中心
世侨中心处于鹭江道与小学路交会处，项
目占地面积3648.71平方米，建筑总高度112.6
米，地下室4层，以“国际· 现代· 智慧· 低碳”
为特色，旨在打造城市地标性5A甲级写字楼。
塔楼的抗侧力体系采用筒中筒结构，即
外围的蜂窝形钢网格筒与内部钢框架支撑筒
4.3 楼盖的布置方案和设计
• 梁系的布置还要考虑： 1. 钢梁的间距要与上覆楼板类型相协调； 2. 钢梁将竖向抗侧力构件连成整体，形成空间体系； 3. 竖向构件纵横两个方向均应有主梁与之相连，保证两个方向长 细比接近。 4. 外层竖向构件应具有较大的竖向荷载，满足抗倾覆要求。
4.3 楼盖的布置方案和设计
4.4 柱和支撑的设计
• 1994年美国Northridge地震发现梁柱节点出现裂缝。
裂缝
4.4 柱和支撑的设计
• 可采用下列改进方法：
a）把翼缘局部削弱，形成骨形连接，使塑性铰从梁端外移。
b）在梁端部加腋，使塑性铰外移。 c）把梁的短段在工厂和柱焊接，以保证焊接质量，短段和梁的主 段在工地拼接。
4.1 多、高层房屋结构的组成
二、竖向布置
竖向布置上，具有以下情况之一，视为竖向不规则结构： – 楼层刚度小于其相邻上层刚度的 70%，且连续 3层刚度降低 超过50%； – 相邻楼层有效质量之比超过1.5； – 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，小于相邻上层的80%。
4.4 柱和支撑的设计
4.4.3 水平支撑的布置
• 指设置于同一水平面内的支撑的总称。 • 在水平构件（如楼板）不能构成水平刚度大时设置。
4.4 柱和支撑的设计
4.4.4 竖向支撑设计
4.3.4.1 中心支撑
• 中心支撑的类型有：十字交叉斜杆，单斜杆，人字形斜杆或 K 形斜杆体系。 • 支撑斜杆宜采用双轴对称截面。当采用单轴对称截面时，应采 取防止绕对称轴屈曲的构造措施。
为全钢结构体系，结构延性好，重量轻。
该项目是思明区重点工程。项目预计
2014年5月6日投入使用，“但我们有信心提
前完成”。
2、纽约世界贸易中心大楼
(World Trade Center Towers) 1972年建造，110层，高402m，钢结构
纽约世界贸易中心：大楼于1966年 开工，历时7年，1973年竣工以后， 以411米的高度作为110层的摩天巨
人而载入史册。它是由5幢建筑物组
成的综合体。其主楼呈双塔形，塔 柱边宽63.5米。大楼采用钢结构， 用钢7万8千吨，楼的外围有密置的 钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成， 有“世界之窗”之称。
世界贸易中心（World Trade Center，1973
年—2001年9月11日）在纽约曼哈顿岛西南端，为美国
4.4 柱和支撑的设计
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钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)
3、美国西尔斯大厦 110层，高443米， 于1973年竣工，钢结 构
4.1 多、高层房屋结构的组成
4.1 多、高层房屋结构的组成
4.1.2 结构布置提要
一、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。 – 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。 – 刚度中心是在不考虑扭转情况下各抗侧力单元层剪力的合力中 心，是指结构抗侧力构件的中心 。
4.1 多、高层房屋结构的组成
三、结构布置的其它要求
– 宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土楼板； – 高层建筑基础宜设置地下室。 – 暴露在室外的钢结构构件，应采取隔热和防火措施，以减少 温度应力的影响。
4.3 楼盖的布置方案和设计
4.3.1 楼盖布置原则和方案
• 用于多、高层建筑的楼板有：现浇钢筋混凝土楼板，预制楼板 以及压型钢板组合楼板等。 • 梁系由主梁和次梁组成。结构一般以框架梁为主梁，主梁通常 采用等间距设置。次梁以主梁为支承，可采取等跨等间距次梁 或等跨不等间距次梁，间距小于主梁。
4.1 多、高层房屋结构的组成
二、框架—剪力墙结构体系
• 指在框架结构中布置一定数量的剪力墙作为抗侧力结构所组成的 结构体系。 优点： – 结构具有较大的刚度； – 平面布置灵活、使用方便。 – 分为：钢筋砼剪力墙、钢筋砼带缝剪力墙和钢板剪力墙。
剪力墙
4.1 多、高层房屋结构的组成
上海明天广场 60层，238m，最高的框架—剪力墙结构，98年建成。
（筒中筒、束筒体系）
•特点：
– 内、外框筒通过各层楼盖的联系，共同承担在风、地震等水平 荷载作用下，整个结构的水平剪力和倾覆力矩。
剪力滞后（Shear Lag）
在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变
形，即为剪力滞后。
简单的说，墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒，
开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现
4.4 柱和支撑的设计
4.4.2 柱与梁的连接
• 多、高层钢结构梁柱连接一般为刚性连接：完全焊接，完全栓 接和栓焊混合。
4.4 柱和支撑的设计
• 在下列情况应采用全焊透焊缝： a）构件受垂直于焊缝方向的拉力时； b）构件受围绕焊缝作用的弯矩时； c）框架节点塑性区段的焊接连接。 • 梁柱刚接时应验算以下各项： a）校核梁翼缘和腹板的连接在弯矩和剪力作用下的承载力； b）在梁受压翼缘的作用下，柱腹板的抗压承载力； c）节点板域的抗剪承载力。
物之一。
2001年9月11日，被恐怖分子劫持的两架
飞机先后撞向世贸中心的双塔楼，由于撞击引 起大火，双塔楼在间隔几十分钟内相继倒塌。
撞机
倒塌瞬间
3、束筒结构
由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结构组成 (减缓框筒结构的剪力滞后效应)

可将各筒体在不同的高度中止 可较灵活地组成平面形式 密柱深梁的钢结构筒体 筒体