现代建筑结构技术2G

就世界范围而言，钢管混凝土结构在高层建筑 中的应用比例将日益增大。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
五、钢结构的特点1
同钢筋砼结构体系相比，钢结构具有如下特 点： 1 ．节约结构面积
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
五、钢结构的特点2
2 ．减轻自重、降低基础工程造价
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
六、钢结构的特点6
6 ．耐火性能差 钢结构是不耐火的结构，钢结构在火灾 烈焰下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强 度和弹性模量随温度上升而急剧下降。 当结构温度达到350℃及500℃时，其强 度可分别下降 30％及50％。至600℃时，结 构完全丧失承载能力，变形迅速增大，导致 结构倒塌。因此，《高层民用建筑钢结构技 术规程》（JGJ99-98）规定，对钢结构中的 梁、柱、支撑及作承重用的压型钢板等要采 用喷涂防火涂料保护。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
三、型钢砼结构
型钢砼结构，是指梁、柱、墙等杆件和 构件，以型钢为骨架，外包钢筋砼所形成的 组合结构。此类构件的特点是：
① 钢筋砼与型钢形成整体，共同受力； ② 与全钢结构相比较，可节约钢材 1 / 3 左右； ③ 包裹在型钢外面的钢筋砼，不仅在刚度和 强度上发挥作用，而且可以取代型钢外的防火 和防锈材料，更加耐久，并可节约维护费用； ④ 可加快施工进度。其施工速度比钢筋砼结 构快，比全钢结构稍慢。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
六、钢结构体系的发展演化
然而，当建筑层数增多时，由于支撑的 高、宽比值超过一定限度，水平荷载倾覆力 矩引起的支撑柱的轴压应力很大，结构侧移 也较大，不能符合要求。 于是，又衍生出支撑-刚臂体系，利用外 柱来提高结构体系的抗倾覆能力。 由于高层建筑发展的需要、工程实践经 验的积累以及新的设计概念的出现，立体构 件在高楼结构体系中得到实际应用，从而出 现了以立体构件为主的框筒体系、支撑框筒 体系、筒中筒体系和框筒束体系。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
3 ．工程实例 ( l ）加拿大蒙特利尔贝尔公司 和国家银行大厦，见图 1 一 4 一 5 。加拿大 蒙特利尔贝尔公司和国家银行大厦，地上 38 层，高 1 27m , 七层以上为钢结构，采用框 一撑体系。支撑沿建筑中心的服务竖井四周 布臵，但人字形支撑的每一个节间跨越了三 个楼层。由于支撑的节间长，宽度大，同一 方向仅需布臵一列支撑，既方便了施工，又 提高了抗侧力的有效性。
钢结构具有自重轻的特点。一般的钢筋砼高楼，
典型楼层的自重约为12～18kN/㎡；而钢结构 高层建筑典型楼层的自重约为8～10kN/㎡。后 者约比前者减轻自重 30 ％以上。
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
五、钢结构的特点3
3 ．缩短施工周期 在高层建筑中，建造工期的长短，也是确定结 构方案的一个十分重要的因素。 钢结构的施工速度通常可快于钢筋砼结构约 20 ％一 30 ％。 由于国外钢结构技术比国内成熟先进，其钢结 构高层建筑的施工速度更快。如美国芝加哥西尔斯 大厦，共 109 层，高 443m ，结构用钢量为 76000t ，仅用 15 个月，主体结构就全部完工，充 分体现了钢结构的高速度。
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
五、钢结构的特点4
4 ．抗震性能好 相对于钢材来说，砼的抗拉和抗剪强度 均较低，延性也差，砼构件开裂后的承载力 和变形能力将迅速降低。钢材基本上属于各 向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很 高，更重要的是它具有良好的延性。在地震 作用下，钢结构因有良好的延性，不仅能减 弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构， 具有抵抗强烈地震的变形能力。所以，钢结 构特别适合用于地震区的高层建筑。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
2 ．受力特点和适用范围在水平荷载作用下，钢框 架梁柱主要以剪弯变形为主；而支撑的变形主要是 轴向拉伸或压缩。因此，在同等杆件截面和同级水 平荷载作用下，支撑的侧移值要比框架的侧移值小 得多；即表明支撑的抗推刚度比框架大很多。又由 于支撑和框架之间良好的协同工作性能，所以与框 架体系相比，框一撑体系有更大的抗推刚度，能用 于更高的高层建筑。在框一撑体系中，框架的布臵 原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，因此它 也具有平面布臵灵活的特点，适用于多种建筑功能 的需要。由于框一撑体系的抗推刚度比框架体系要 大，一般而言，框一撑体系可用于地震区 40 层以 下的高层建筑。
Βιβλιοθήκη Baidu
http://www.swust.edu.cn
由于框架体系能够提供较大的内部使用 空间，因而建筑布臵灵活，能适应多种建筑 功能的需要。此外，框架体系的杆件类型少， 构造简单，施工周期短。所以，对层数不太 多的高层建筑来说，框架体系是一种应用比 较广泛的结构体系。 从技术经济的角度考虑，钢框架结构体 系一般仅用于 30 层以下的高层建筑。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
2 ．受力特点和适用范围
钢框架结构抵抗侧力的水平不强。当水 平荷载较大时，为提供足够的抗弯刚度，梁 柱截面会变得很大，以至超出经济的范围。 所以钢框架结构高层建筑的高度受到一定的 限制。
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
（3）跨层支撑：是指节间高度跨越两个 以上楼层的支撑。它可减少杆件和节点的数 量，并可提高支撑的功效，符合超高层建筑 中支撑大型化的发展趋势 （4）嵌入式墙板：由于以上三种支撑的 截面尺寸受杆件长细比的限制，其截面尺寸 较大，受压时也容易失稳。所以可采用嵌入 式墙板作为支撑来承担结构的水平剪力。常 见的种类有钢板剪力墙墙板、内藏钢板支撑 的砼剪力墙墙板和带竖缝的砼剪力墙墙板。
正是由于高层建筑的兴起与发展形势的 需要，促进了多种高层钢结构体系的衍生和 进步。 随着高层建筑的发展，新的钢结构体系 不断涌现。框架体系在沿用多年之后，由于 结构自身力学特性的局限，对于30以上的高 层建筑，就显得不再经济有效。 于是，出现了框架-支撑体系。即在框架 体系中增设支撑，水平荷载主要由支撑来承 担，从而能用于 30 层以上的高层建筑。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
二、钢-砼混合结构
钢结构具有截面小、工期短、使用空间 大，钢筋砼结构具有刚度大、用钢量小、造 价低、防火性能好。 钢-砼混合结构——一般是指由钢筋砼筒 体或剪力墙以及钢框架组成抗侧力体系，以 刚度很大的钢筋砼部分承受风力和地震作用， 钢框架主要承受竖向荷载，这样可以充分发 挥两种结构材料各自的优势，达到良好的技 术经济效果。 同钢结构相比，钢-砼混合结构用钢量省， 造价较低，更适合我国国情。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
第二节 钢结构体系
一、框架体系 1 ．体系构成 框架体系是指沿建筑的纵向和横向，均 采用框架作为主要构件所构成的结构体系。 框架既是承重构件，也是抵抗侧力的构件。 地震区的高层钢框架结构，其框架梁柱的连 接，一般均采取刚性连接。其他的一些次要 结构可采用铰接，以减小构件尺寸和简化连 接构造。
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
北京长富宫中心
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
二、框-撑体系
1 ．体系构成 在框架体系中的部分框架柱之间，沿结 构的纵、横两个方向均布臵一定数量的竖向 支撑，所形成的结构体系称为框架-支撑体系， 简称框-撑体系。 考虑到建筑造型和立面的要求，以及建 筑底部的通行需要，支撑大多布臵在平面中 心部位的服务区域周围。
西南科技大学城规硕士研究生系列课程
现代建筑结构技术 第二章 钢结构体系
主讲：李嘉林 副教授
E_mail： swustjz@126.com
第一节 钢结构的特点
一、概述
随着经济的发展、技术的进步，钢结构高层建 筑的优点日益显露出来。尽管同钢筋砼结构相比， 钢结构的用钢量较大，耐火性能差，但它具有面积 利用系数大，抗震性能好，结构自重轻，基础费用 少，施工工期短等优势。从多方面的综合效益来看， 在高层建筑领域，钢结构与钢筋砼结构的差距正在 缩小，在不远的将来，钢结构将在高层建筑中占有 更大的份额。 高层建筑钢结构根据制作的材料不同，可分为 钢结构、钢砼混合结构、型钢砼结构和钢管砼结构。

现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
四、钢管砼结构
钢管砼通常用于柱，即在钢管（方管或圆管） 中灌注砼，形成两种材料的组合构件。钢管通常采 用圆管最为有效。它的主要受力机制是：
①
利用钢管对砼的约束作用，使其中的砼处于三向受 压状态，从而大大提高其抗压强度和变形能力； ② 借助内填砼来增强薄壁钢管的抗屈曲强度和稳定性。 钢管砼柱有良好的力学经济性能，同一般型钢砼柱比 较，在同等条件下，钢管砼柱可节约 30 ％的用钢量。 同钢筋砼柱比较，可节省水泥 70 % ，节约钢材 10 % ，节省模板 100 % ，而造价大致相等。
采用钢框架结构的高层建筑，框架底层 往往出现塑性变形集中现象。 这是因为建筑地面以下基础部分的抗推 刚度很大，相对而言，建筑底层的抗推刚度 就很小，形成刚度突变。在遭遇地震时，建 筑容易因框架底层的塑性变形集中而导致破 坏。如果在框架的地上一二层采用型钢砼， 可以减小该处刚度的突变。
现代建筑结构技术
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
支撑类型的选择与建筑的抗震要求、建 筑的层高、柱距以及建筑的使用要求有关， 通常可将支撑分为轴交支撑、跨层支撑、偏 交支撑和嵌人式墙板等几种： （1）轴交支撑：是指其中水平杆、竖杆 和斜杆的轴心线交汇于一点的支撑。轴交支 撑是传统的和最常用的方式。 （2）偏交支撑：是指其中水平杆、竖杆 和斜杆的轴心线并非交汇于一点的支撑。偏 交支撑同轴交支撑相比，具有可增加结构延 性，节约用钢量，降低造价等优点。
二次世界大战以后，高层钢结构发展更为迅速。
1968年在芝加哥建成了100层、高334m的汉考克大厦；
的世界贸易中心； 1974年又在芝加哥建成西尔斯大厦，109层，高 443m 。
1973年在纽约建成110层、高412m
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
六、钢结构体系的发展演化
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
五、钢结构的特点5
5、用钢量较大 一般来讲，钢结构高层建筑的用钢量比 较高，不包括基础及地下室，上部高层钢结 构的造价一般为同样高度钢筋砼结构造价的 1.5～2.0倍，从而增加了投资。 然而，由于建筑技术的进步、钢材性能 的提高、结构体系的改进及计算理论的发展， 钢结构高层建筑的用钢量有逐年下降的趋势。
现代建筑结构技术 http://www.swust.edu.cn
六、钢结构体系的发展演化
1883年美国芝加哥采用钢框架建成世界上第一幢现代
高层建筑―10层的家庭生命保险公司大楼以后，钢结 构高层建筑得到了较快的发展。 1931年美国纽约又建成当时世界上最高的帝国大厦， 102层，高381m。
现代建筑结构技术
http://www.swust.edu.cn
3 ．工程实例北京长富宫中心
北京长富宫中心为地下两层、地上 25 层，高 91m 的旅馆建筑，平面尺寸为 48m x 25 . 8m 。标准层层高 3 . 3m ，采用钢框架结构 体系，二层以下（包括地下室）为型钢砼结 构，三层以上为钢结构。