高层建筑钢结构第三章结构体系和布置分析
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1) 框架分类
类型1：刚接框架，rigid-frames 类型2：铰接框架（排架），
frames with simple connections 类型3：半刚接框架， frames
with semi-rigid connections
梁柱节点构造形式
铰接
半刚性连接
刚性连接
梁柱节点变形特点
若q均匀分布，
δic 柱弯曲
δib+δif+ΔⅡ
δis
节点整体转动 节点剪切
由于δif相对较小，变形主要以梁、柱的弯曲变形为主， 该两种变形都与V成正比，故下大、上小，为整体剪
切变形。δis对Δ的影响可达10％～20％。
▪ 层绝对变形： 在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移 ， 是第1~i层的各层间位移之和，即
Ma MFa=-ql2/12
MFa M1
1
3
M3
M1/MFa>0.9，为刚性， rigid frame；
M1/MFa<0.2，为简支
M2
2
simple frame；
θa 介于上述之间时为半刚性
θa=-MFa/ (2EI/l)
semi-rigid frame；
➢欧洲规范EC3分类法
梁柱的弯矩转角曲线位于粗实线或粗 虚线以左时，为刚接；位于粗点划线 以右时为铰接；中间为半刚性连接；
Δ1 Δ2
P V
原因：竖向荷载在水平荷载产生的侧移上，产生了附 加弯矩，从而增大了侧移。即：ΔⅡ=Δ1+Δ2+…
高钢规要求，对于无支撑结构和层间侧移角大于 1/1000的有支撑结构，应按能反映二阶效应的方法验 算稳定。（如等效水平荷载法、非线性分析法等）
▪ 总体层间变形： δi＝δic+δib+δif+δis+ΔⅡ
M 3EIb /(l
/
2)
h
Ml h 6 EIb
Vlh2 12 EIb
▪ 柱拉压变形引起的侧移δif：
δif
N Vh 2M c
l
V h
柱子拉压变形： Nh EA
造成梁的刚性转角：
θCN Mc
N
Mc
CN
l/2
2Nh EAl
N 引起柱的侧移变形：
l
Nh
if
CNh
2 Nh2 EAl
θCN
EA
(7)外墙板
采用带饰面的200厚的钢 筋混凝土预制墙板，仅 与上下现浇板及钢梁连 接，不与柱相连。
(5)钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱的截面为 1200mm×1200mm及 850mm×850mm， 钢骨为450×450mm， 即同上部钢柱截面。
(6)楼板
采用1.2mm厚的压型钢板组 合楼板，支撑于间距小于3m 的次梁上，板下不设临时支 撑，钢梁上焊栓钉。
3 结构体系和布置
3-1 高层结构体系的若干概念 3-2 框架结构 3-3框架3-4 伸臂及带状桁架结构 3-5 交错桁架体系
3-6 筒体结构 3-7 巨型结构 3-8 特殊结构 3-9 ຫໍສະໝຸດ Baidu构选型和布置原则
3.1 高层结构体系的若干概念
1) 悬臂(Cantilever)结构的基本变形曲线
dx
x
Q
M
Qx
Mx
Qx
Mx
纯剪切变形 纯弯曲变形 弯剪变形
Q＝0
M＝0
Qmax
Mmax
纯剪切变形 纯弯曲变形 弯剪变形
曲线
曲线
曲线
2) 框架(Frame)结构和承剪桁架(Shear truss)结构的变形
框架以剪切变形为主 杆件以弯曲变形为主
桁架以弯曲变形为主 杆件以轴向变形为主
3) 伸臂(Outrigger arms)结构的工作特点
▪ 节点域剪切变形引起的侧移δis：
厚度t
2B γi
δis Qi
Mp
在剪力Q作用下的剪应变：
i
Qi 2Dt G
节点域剪切变形：
is
Qi 2Dt G
2B
Qi B DtG
2D
Qi 节点域的剪力主要由梁、柱 端部弯矩引起的翼缘集中力
造成。（影响可达10％～20
％）
▪ 整体二阶效应引起的侧移ΔⅡ：
P
Δ1
h/2
EIc
h/2
ic
V 2
h
3
2
2 3EIc
ic
2
1 3EIc
V 2
h 2
3
Vh3 24EIc
V/2 l
V/2 注：两端固接的柱剪切刚度为： K 12EI h3
▪ 梁弯曲变形引起的侧移δib：
δib
V/2 h/2 h/2
EIb θ
V/2
M= Vh/2
V/2 l
V/2
ib h
22
ib
(2)钢柱
焊接箱形截面柱 450mm×450mm等， 柱的钢板厚度自下而上 为42mm~19mm
(3)主钢梁
焊接H型钢，高650mm，宽 200~250mm，翼缘板厚度自下而上 为32~19mm，腹板厚度12mm。 多数梁为变截面梁，支座段的翼缘 宽度和厚度大于中间段。
(4)钢骨混凝土梁
钢骨混凝土梁的截面为 500mm×950mm及 500mm×1100mm， 相应钢骨梁为高度650及 850mm的工字形截面。
4.主要节点连接做法
➢框架梁柱采用常用的栓焊法。主次梁之间采用高强度螺 栓的铰接相连法。
i
i i 1
实例 北京长富宫中心
1.建筑概况
➢地下2层、地上25层，旅馆建筑，建于1987年。 ➢高91m，层高3.3m，25.8×48m矩形平面，柱网8×9.8m。 ➢外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。
2.结构体系及主要计算结果
➢为钢框架体系，但在2层以下和地下室为钢骨混凝土 结构。
➢基本周期为3.6s，最大层间位移1/337，小于1/200 的限值。
设计过程中曾与框架-支撑体系方案作比较。框架-支撑 体系的基本周期为2.37s，最大层间位移角为1/1398； 其侧向刚度与框架方案相比有很大的提高，但因施工 复杂等原因未取用该方案。
3.钢材牌号及结构构件
(1)钢材牌号 相当Q345
柱及主梁为SM50A，次梁 SS41，压型钢板亦为SS41， 高强度螺栓F10T。
ΔM ΔM
ΔM 无伸臂弯矩图 有伸臂弯矩图
4) 剪力滞后(Shear lag)现象和框筒(Framed tube)结构
EI=∞
EI=0
0<EI<∞
Δ
Δ
Δmax
N1N2 N3
Q=N2
N1 N2
剪力向内传递
腹板框架？翼缘框架？
3.2 框架结构
➢平面设计有较大的灵活性 ➢可提供较大柱距和空间 ➢广泛用于办公楼、旅馆及 商场等公共建筑
2) 刚接框架(Rigid frames)的工作特点
▪ 在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移由 以下几部分组成： 柱弯曲变形引起的侧移； 梁弯曲变形引起的侧移； 柱拉压变形引起的侧移； 节点域剪切变形引起的侧移； 整体二阶效应引起的侧移；
▪ 柱弯曲变形引起的侧移δic：
δic
V/2
V/2
类型1：刚接框架，rigid-frames 类型2：铰接框架（排架），
frames with simple connections 类型3：半刚接框架， frames
with semi-rigid connections
梁柱节点构造形式
铰接
半刚性连接
刚性连接
梁柱节点变形特点
若q均匀分布，
δic 柱弯曲
δib+δif+ΔⅡ
δis
节点整体转动 节点剪切
由于δif相对较小，变形主要以梁、柱的弯曲变形为主， 该两种变形都与V成正比，故下大、上小，为整体剪
切变形。δis对Δ的影响可达10％～20％。
▪ 层绝对变形： 在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移 ， 是第1~i层的各层间位移之和，即
Ma MFa=-ql2/12
MFa M1
1
3
M3
M1/MFa>0.9，为刚性， rigid frame；
M1/MFa<0.2，为简支
M2
2
simple frame；
θa 介于上述之间时为半刚性
θa=-MFa/ (2EI/l)
semi-rigid frame；
➢欧洲规范EC3分类法
梁柱的弯矩转角曲线位于粗实线或粗 虚线以左时，为刚接；位于粗点划线 以右时为铰接；中间为半刚性连接；
Δ1 Δ2
P V
原因：竖向荷载在水平荷载产生的侧移上，产生了附 加弯矩，从而增大了侧移。即：ΔⅡ=Δ1+Δ2+…
高钢规要求，对于无支撑结构和层间侧移角大于 1/1000的有支撑结构，应按能反映二阶效应的方法验 算稳定。（如等效水平荷载法、非线性分析法等）
▪ 总体层间变形： δi＝δic+δib+δif+δis+ΔⅡ
M 3EIb /(l
/
2)
h
Ml h 6 EIb
Vlh2 12 EIb
▪ 柱拉压变形引起的侧移δif：
δif
N Vh 2M c
l
V h
柱子拉压变形： Nh EA
造成梁的刚性转角：
θCN Mc
N
Mc
CN
l/2
2Nh EAl
N 引起柱的侧移变形：
l
Nh
if
CNh
2 Nh2 EAl
θCN
EA
(7)外墙板
采用带饰面的200厚的钢 筋混凝土预制墙板，仅 与上下现浇板及钢梁连 接，不与柱相连。
(5)钢骨混凝土柱
钢骨混凝土柱的截面为 1200mm×1200mm及 850mm×850mm， 钢骨为450×450mm， 即同上部钢柱截面。
(6)楼板
采用1.2mm厚的压型钢板组 合楼板，支撑于间距小于3m 的次梁上，板下不设临时支 撑，钢梁上焊栓钉。
3 结构体系和布置
3-1 高层结构体系的若干概念 3-2 框架结构 3-3框架3-4 伸臂及带状桁架结构 3-5 交错桁架体系
3-6 筒体结构 3-7 巨型结构 3-8 特殊结构 3-9 ຫໍສະໝຸດ Baidu构选型和布置原则
3.1 高层结构体系的若干概念
1) 悬臂(Cantilever)结构的基本变形曲线
dx
x
Q
M
Qx
Mx
Qx
Mx
纯剪切变形 纯弯曲变形 弯剪变形
Q＝0
M＝0
Qmax
Mmax
纯剪切变形 纯弯曲变形 弯剪变形
曲线
曲线
曲线
2) 框架(Frame)结构和承剪桁架(Shear truss)结构的变形
框架以剪切变形为主 杆件以弯曲变形为主
桁架以弯曲变形为主 杆件以轴向变形为主
3) 伸臂(Outrigger arms)结构的工作特点
▪ 节点域剪切变形引起的侧移δis：
厚度t
2B γi
δis Qi
Mp
在剪力Q作用下的剪应变：
i
Qi 2Dt G
节点域剪切变形：
is
Qi 2Dt G
2B
Qi B DtG
2D
Qi 节点域的剪力主要由梁、柱 端部弯矩引起的翼缘集中力
造成。（影响可达10％～20
％）
▪ 整体二阶效应引起的侧移ΔⅡ：
P
Δ1
h/2
EIc
h/2
ic
V 2
h
3
2
2 3EIc
ic
2
1 3EIc
V 2
h 2
3
Vh3 24EIc
V/2 l
V/2 注：两端固接的柱剪切刚度为： K 12EI h3
▪ 梁弯曲变形引起的侧移δib：
δib
V/2 h/2 h/2
EIb θ
V/2
M= Vh/2
V/2 l
V/2
ib h
22
ib
(2)钢柱
焊接箱形截面柱 450mm×450mm等， 柱的钢板厚度自下而上 为42mm~19mm
(3)主钢梁
焊接H型钢，高650mm，宽 200~250mm，翼缘板厚度自下而上 为32~19mm，腹板厚度12mm。 多数梁为变截面梁，支座段的翼缘 宽度和厚度大于中间段。
(4)钢骨混凝土梁
钢骨混凝土梁的截面为 500mm×950mm及 500mm×1100mm， 相应钢骨梁为高度650及 850mm的工字形截面。
4.主要节点连接做法
➢框架梁柱采用常用的栓焊法。主次梁之间采用高强度螺 栓的铰接相连法。
i
i i 1
实例 北京长富宫中心
1.建筑概况
➢地下2层、地上25层，旅馆建筑，建于1987年。 ➢高91m，层高3.3m，25.8×48m矩形平面，柱网8×9.8m。 ➢外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。
2.结构体系及主要计算结果
➢为钢框架体系，但在2层以下和地下室为钢骨混凝土 结构。
➢基本周期为3.6s，最大层间位移1/337，小于1/200 的限值。
设计过程中曾与框架-支撑体系方案作比较。框架-支撑 体系的基本周期为2.37s，最大层间位移角为1/1398； 其侧向刚度与框架方案相比有很大的提高，但因施工 复杂等原因未取用该方案。
3.钢材牌号及结构构件
(1)钢材牌号 相当Q345
柱及主梁为SM50A，次梁 SS41，压型钢板亦为SS41， 高强度螺栓F10T。
ΔM ΔM
ΔM 无伸臂弯矩图 有伸臂弯矩图
4) 剪力滞后(Shear lag)现象和框筒(Framed tube)结构
EI=∞
EI=0
0<EI<∞
Δ
Δ
Δmax
N1N2 N3
Q=N2
N1 N2
剪力向内传递
腹板框架？翼缘框架？
3.2 框架结构
➢平面设计有较大的灵活性 ➢可提供较大柱距和空间 ➢广泛用于办公楼、旅馆及 商场等公共建筑
2) 刚接框架(Rigid frames)的工作特点
▪ 在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移由 以下几部分组成： 柱弯曲变形引起的侧移； 梁弯曲变形引起的侧移； 柱拉压变形引起的侧移； 节点域剪切变形引起的侧移； 整体二阶效应引起的侧移；
▪ 柱弯曲变形引起的侧移δic：
δic
V/2
V/2