不同类型高层钢结构的优缺点

高层钢结构各种类型的优缺点分析

前言

随着我国在大中城市住宅建筑中禁止使用黏土砖，且混凝土结构施工复杂周期长。钢结构受到了工程界的青睐，已成为较有竞争力的民用建筑结构体系之一。与传统的住宅建筑结构体系相比,钢结构不仅具有环保、节能、产业化等特征，而且还具有强度高、自重轻、节约能源、抗震性能好等优点。国家建筑钢结构产业“十二五”计划和2020年发展纲要(草案)提出，“十二五”期间应以多高层钢结构房屋为突破点。

1. 纯框架结构体系

纯框架结构是指沿房屋的纵、横两个方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构件所组成的结构体系。框架结构可以分为半刚接框架和全刚接框架两种，框架结构的梁柱宜采用刚性连接。与其他的结构体系相比，框架结构体系可以使建筑的使用空间增大，适用于多类型使用功能的建筑。其结构各部分的刚度比较均匀，构件易于标准化和定型化，构造简单，易于施工，常用于不超过30层的高层建筑。但该结构体系的弹性刚度较差且属于单一抗侧力体系，抗震能力较弱。

图1 纯钢框架结构三维模型图

组成及其特点

典型的框架体系多层轻钢住宅由基础、H型或箱形框架梁柱、节点、轻质墙体、屋面板、楼层次梁、压型钢板楼盖等组成，常见柱距为5 m~8 m。具有下列优势:（1）它是一种延性体系;（2）在建筑设计和平面布置上具有很大的灵活性;（3）各部分刚度比较均匀，构造简单，易于施工;（4）自重周期较长，自重轻，对地震作用不敏感。

设计原则及注意问题

1)强柱弱梁的设计原则。这个设计原则是为了保证结构在最终破坏的时候具有较好的延性及耗能效果，保证结构的安全性，使塑性铰出现在梁端而不是发生在柱端。

2)框架节点域的验算。节点域是钢结构框架体系的关键，其强度及刚度都要根据规范要求进行保证。主要是通过验算保证腹板厚度,防止在非线性剪切变形下发生局部失稳。同时对柱设置加劲肋保证其翼缘不发生失稳。

3)稳定验算和二阶效应。钢结构构件强度一般都可以满足，在设计中主要是保证其稳定性。钢框架结构属于柔性结构，侧移变形较大，竖向荷载所产生的二阶效应有时就不能忽视，因此当结构的重力附加弯矩大于结构初始弯矩的10 %时就应该考虑重力的二阶效应。

基本结论

在多层轻钢结构住宅的设计中,应注意三个设计原则:柱截面采用箱型截面,可以充分发挥截面特性;实现大柱网布置,相对较好地控制了用钢量;合理的柱网尺寸取为6 m×8 m左右,能够体现出轻钢结构住宅内部大空间灵活布置的优势,达到建筑使用功能与结构布置较好的统一。

2. 框架-支撑结构体系

框架-支撑结构体系是指以楼房的框架体系为基础，沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑所组成的结构体系。其结构体系如图2所示。

图2 框架-支撑结构体系

框架———支撑结构的具体原理

框架———支撑结构体系是在框架体系中部分框架柱之间设置竖向支撑，形成支撑框架，属于双重抗侧力结构体系，支撑框架是第一道防线，框架是第二道防线，支撑框架中的竖向支撑产生屈曲或破坏后，由于支撑斜杆一般不承担竖向荷载，所以不影响结构承担竖向荷载的能力，不致危及结构的基本安全要求。支撑承受水平力和提供侧向刚度，它一方面作为支撑构件可以防止框架柱的失稳，另一方面它还要承担风力、地震力等其它水平荷载。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多数沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。支撑在水平荷载作用下所产生的位移主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或压缩变形引起的，与框架侧移是由于杆件弯、剪变形所引起的情况相比较，其量值要小的多，表明竖向支撑的抗推刚度要比框架大的多。

支撑侧移主要是由水平荷载倾覆力矩作用时支撑整体弯曲产生的，支撑的一侧拉伸、一侧压缩，导致楼面倾斜转动，由下层到上层逐层积累，使支撑侧移曲线的层间侧移角由下而上逐层增大。采用框架－支撑体系的建筑，框架和支撑由于水平刚度很大的各层楼盖的联系和协调不再能自由的单独变形，两者的侧向变形趋于一致。各层刚性楼盖协调的结果使框架一支撑体系具有一条共同的侧移曲线，从而使框架下部和支撑上部的较大层间侧移角均得以较大幅度的减小。另外，采用人字支撑等还可以起到减小梁跨度的作用，从而减小梁的截面。支撑要在适当位置设置，以便与建筑设计相协调。此结构体系虽然在国外己经有较长的应用历史，技术和规范也很成熟，但是在我国却是一种新型的结构体系。

中心支撑框架结构

中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点，它包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑或+形支撑，以及,形支撑等类型。中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平位移，改善结构的内力分布。但在水平地震荷载作用下，中心支撑容易产生屈曲，造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降，直接影响结构的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。

图3 中心支撑的常见类型

偏心支撑框架结构

偏心支撑框架是近年来发展起来的抗震结构，其支撑斜杆与梁、柱的轴线不是交汇于一点，而是偏心连接，以形成一个先于支撑斜杆屈服的“耗能梁段”。在中小地震时，结构处于弹性阶段，在强震时耗能梁段进入塑性，利用梁的塑性变形来吸收能量，而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点。图4所示为常见的几种偏心支撑的类型和耗能梁段的构成。

图4 偏心支撑的常见类型（1.框架柱；2.支撑；

3.耗能梁段；

4.框架梁）

对于偏心支撑来讲，耗能梁段的设计最为关键，它直接关系到偏心支撑框架整体的承载能力和延性。因此，偏心支撑框架的设计首先应当合理地选择耗能梁段的几何尺寸，并对耗能梁段进行细部设计，以保证偏心支撑框架的整体延性水平，然后，进行柱的设计、支撑设计、连接以及加劲肋的设计。设计时必须保证在耗能梁段完全屈服和应变硬化后，其他构件在此荷载作用下仍具有一定的弹性。

为确保截面是腹板受剪屈服，耗能梁段最有效的截面通常是①满足最小受剪面积；②满足腹板高厚比的要求；③耗能梁段剪力简化计算满足翼缘宽厚比的要求。耗能梁段须根据偏心支撑框架抗剪需要的腹板面积最小来选择截面。

消能支撑框架结构

消能支撑框架结构是将框架—支撑结构中的支撑杆设计成消能杆件，以吸收和耗散地震能量来减小结构地震反应的一种新型抗震结构。在风和小地震作用下消能支撑能增加结构的水平刚度，减小结构的侧移；在中震和大震下其刚度变小，能减小结构的水平地震作用，同时消耗大量输入结构的地震能量，使结构的地震反应大大衰减。消能支撑（如图5所示）可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉杆支撑、斜杆支撑、3型支撑以及4型和节点屈服型支撑等。