多高层-2-结构体系

结构倾覆力矩造成柱拉压变 形而导致结构整体弯曲引起
结构剪力造成的梁柱受弯引起
剪切侧移的组成
规范规定
《高钢规》规定
框架-支撑（剪力墙板）结构
框架结构上设置适当的支撑或剪力墙
亦可二者皆设置
框剪结构侧向位移模式
在侧向荷载的作用下，
纯框架结构： 剪切变形模式
抗剪结构：
弯曲变形模式 二者组合（框剪结构）： 显著减少了纯框架结构的侧向位移
两列人字形支撑
金茂大厦结构平面及剖面
带状桁架
多层结构房屋
单纯采用框架结构或斜撑
楼盖
(或剪力墙)体系；
1）框架体系： 未必所有的梁柱都刚性连接 2）斜撑体系： 少数柱之间设斜撑
（梁柱连接可做成铰接）
少数柱参与抗侧力体系； 抗侧力体系也可混合使用。
墙板
梁
柱 支撑
多层多跨框架的组成
各类抗侧力体系的适用高度
框筒结构

特点

周边的深梁密柱组成 刚性楼面结构作为框筒的横隔 柱内力以轴力为主 剪力滞后造成角柱的轴力过大
措施 ：
• •
控制框筒平面的长宽比 加大框筒梁和柱的线刚度之比
适用高度：>90层（因横向刚度较大）
框筒结构
筒中筒结构

结构特点

密柱深梁外筒、密柱
内框筒或钢筋混凝土 内筒，更接近弯曲型
防震逢的设置
防震逢设置不当而导致高层建筑在地震时相互 碰撞的破坏后果是严重的； 高层建筑在发生地震时具有很大的侧向位移， 防震缝的合理设置是困难的； 因此高层建筑一般不宜设置防震缝；
高层钢结构建筑，一般也无须设置温度缝；
地震区的多高层建筑，应当建立精细的力学模 型，作较精确的地震分析，并采取相应的措施 提高其薄弱部位和构件的抗震能力。
基本抗侧力体系（续）
筒体体系
• 框筒
• 筒中筒
• 桁架筒 • 束筒
巨型结构体系--将构件的概念扩展到数层或者数个开间
• 巨型框架 • 巨型支撑
抗侧力体系-伸臂桁架

伸臂桁架和带状桁架

为什么需要设置伸臂桁架和带状桁架 内筒或者支撑高宽比过大 • 内筒未能布置足够的有效支撑 • 内筒受力过大，而外框架未能发挥抵抗侧向力的作用 伸臂桁架的作用
带竖缝混凝土剪力墙板
采用嵌入式墙板作为等效支撑或剪切板， 承担结构的水平剪力
钢板剪力墙 墙板
侧向刚度大 安装方便 但用钢量较大
内藏钢板支撑剪力墙 墙板
应用于北京京城大厦
带竖缝混凝土剪力墙板
实体墙带
a1
a1
l1
竖缝
缝 间 墙
h1 hsol
hsol
l
仅承担水平荷载产生的剪力，不承担竖向荷载产生的压力
自振周期较长
对地震作用不敏感
框架结构 框架结构水平变形特点：
由三部分组成
悬臂弯曲分量：由柱拉压变形引起 小于总侧移10%～20% 剪切侧移分量：梁、柱弯曲引起的 节点域剪切变形：10%～20% （高钢规第5.1.5条）
框架结构的抗侧移能力，主要取 决于梁与柱的抗弯能力与刚度。
刚接框架的变形
Fra Baidu bibliotek
抗震规范2010
4.1.2 结构布置提要 多层房屋应首选由光滑曲线构成的凸平面形式； (目的：减小风载体型系数)
尽可能地采用中心对称或双轴对称的平面形式； (以减小或避免在风荷载作用下的扭转振动)
避免以狭长形作平面形式； (因风荷载作用会产生严重的剪切滞后现象) 框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面 长度比小于1.5；(不满足时，宜采用束筒结构) 需抗震设防时平面尺寸关系应符合要求。
D C
26.9
18.3
B
10.4
A
4.6
D C
22.4
15.0
B
9.4
A
4.2
D C
20.4
13.6
B
8.5
A
3.9
D C
19.0
13.3
B
8.5
A
3.8
传力路径 最短
伸臂桁架
有无伸臂桁架侧移对比
新锦江大酒店
1+43，152米 全钢结构 带伸臂桁架的框架 -支撑体系
23层以下 钢板墙板 23层以上 单斜杆支撑
任一层的偏心率大于0.15时， 称为平面不规则结构。
平面不规则结构
任一层的偏心率大于0.15时；
结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个 方向的尺度，超过该方向建筑总尺寸的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％； 抗水平力构件既不平行又不对称于侧力体系的 两个互相垂直的主轴。
《高层民用建筑 钢结构技术规程》
4.2.1多高层钢结构的抗侧力体系
基本抗侧力体系
框架结构体系
• 刚性框架 • 半刚性框架
框架-支撑（剪力墙板）体系
• 中心支撑框架结构
• 偏心支撑框架结构
• 框架-嵌入式墙板结构 • 钢框架-混凝土剪力墙（混合结构）
• 错列桁架体系
多高层钢结构的抗侧力体系
框架-支撑（剪力墙板）结构
用于地震区时，具有双重设防的优点
可用于不超过40～60层的高层建筑
剪力墙：
钢筋混凝土结构:需采取构造措施 钢板结构
(8～9mm厚钢板) 研究表明， 在侧向刚度相同时，钢板剪力 墙的框剪结构比框架结构用钢 量少。
框架-支撑结构中的支撑系统
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 变形特点：弯曲变形和剪切变形组合，以整体弯曲为主
巨型框架
日本电气总公司 (NEC)大楼剖面 43, 180m, 1990
巨型支撑
香港中银大厦
Hancock Center —巨型支撑结构
Hancock重力荷载传递路线及支撑节点
框架+撑
4个节点水平位移比较
D C
57.3
42.4
B
26.5
A
10.9
D C
28.3
19.7
B
11.8
A
5.0
不宜采用局部地下室；
基础埋深： （从室外地坪或通长采光井底面到承台
底部或基础底部的深度） 1）采用天然地基时，不宜小于H／15 2）采用桩基时，不宜小于H／20 H ：室外地坪至屋顶檐口的高度
当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。
竖向布置的不规则结构
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%
相邻楼层质量之比超过1.5
立面收进尺寸的比例为L1/L < 0.75 竖向抗侧力构件不连续 任一楼层抗侧力构件的总剪承载力
小于其相邻上层的80％
立面收进
基础埋深
敷设地下室；（补偿基础、增大结构抗侧倾能力） 有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、
需抗震设防时平面尺寸关系
平面的长宽比 L/B ≤5 L / Bmax ≤4
凹凸部分的长宽比
l/b ≤1.5 l '/ Bmax ≥1
大洞口宽度比
B ' / Bmax ≤0.5
抗侧力构件设置部位
抗侧力构件布置状况→水平荷载下出现扭转? 1、抗侧力刚度中心应和水平合力线尽量接近；
2、度量抗侧力构件布置状况的力学参量: 偏心率
支撑系统的变形
(a) 弯曲变形
(b) 剪切变形 (c) 组合变形
中心支撑体系
(a)十字交叉斜杆
(b)单斜杆
(c)人字形斜杆 中心支撑类型
(d)K 形斜杆
(e) 跨层跨柱设置
优点：强度和刚度好 缺点：在往复水平地震作用下，支撑斜杆在重复屈曲后 承载力急剧降低
偏心支撑体系
介于中心支撑框架和纯框架之间的抗震结构形式
h
应用于日本霞关大厦、 东京京王饭店 北京京广中心
钢框架-混凝土剪力墙结构
优点：

侧向刚度大于钢结构 造价介于钢结构和混凝土结构之间 施工速度比钢筋混凝土结构快 结构面积小于钢筋混凝土
发挥钢管混凝土柱的承载力和刚度作用
问题：
混凝土内筒的刚度退化加大钢框架的剪力 震害资料和经验较少 层间位移限值难以符合要求 混凝土内筒施工误差远大于钢结构
结构竖向布置
使结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心
接近重合；
各层的刚度中心应接近在同一竖直线上； 要强调建筑开间、进深的尽量统一； 多高层房屋的横向刚度、风振加速度还和其高
宽比有关，其限值为：《抗震规范》（2010）
设防烈度 最大高宽比 6， 7 6.5 8 6.0 9 5.5
《高钢规》（1998）
强度(承载力) 刚度 延性
结构体系
抗重力结构体系——楼盖体系 抗侧力结构体系
1 框架体系
2 框架-支撑（剪力墙板）体系 3 筒体体系 4 巨型结构体系 5 伸臂及带状桁架结构
基本抗侧力体系
结构体系
基本类型：框架结构、框剪结构、筒体结构
结构类型
(a) 框架结构 (b) 框剪结构 (c) 筒中筒结构 (d) 束筒结构
•


使外框架柱发挥抵抗侧向力的作用 带状桁架的作用
•

设置在外围 • 使外围的柱参与整体抗弯 伸臂桁架的最优位置
•
1道：0.55H 2道：0.3H，0.7H
实例
框架体系
最早用于高层建筑
柱距宜控制在6～9m范围内
适用范围：一般不超过30层
平面布置较灵活 刚度分布均匀 框架结构的主要优点: 延性较大
耗能梁段
(a)门架式
(b)单斜杆式
(c)人字形 偏心支撑框架
(d)V 字形
工作原理： 中小地震作用下，构件弹性工作，支撑提供主要的抗侧刚度， 与中心支撑框架相似 大地震作用下，保证支撑不发生受压屈曲，而让偏心梁段屈服 消耗地震能量，与纯框架相似
嵌入式墙板
钢板剪力墙墙板 内藏钢板支撑剪力墙墙板

内外筒间设置伸臂桁 架，加强内外筒连接，
减缓框筒结构的剪力
滞后效应
桁架筒结构
旧金山美国铝金属公司总部大厦网格形外筒
3+27，116m，1968
束筒结构
结构特点：

将框筒分为若干小框筒得到 剪切滞后效应降低
束筒结构
Sears Tower
错列桁架体系
特点： 桁架高度为整层高 桁架在各层楼面交错排列以获得大空间和灵活性 适合建筑平面长而窄的情况 传力路径
多、高层钢结构设计

4.1 概述


4.2 多高层钢结构的结构体系
4.3 楼盖的布置方案和设计 4.4 柱和支撑的设计 4.5 结构分析和设计计算
4.2 多高层钢结构的结构体系
多高层钢结构的主要荷载
竖向荷载
• 永久荷载 • 可变荷载
水平荷载
一般起控制作用
• 风荷载
• 地震作用
对多高层结构体系的要求