多高层钢结构各种结构体系的缺点和不足

由于结构的柔性即侧向刚度小， P − ∆ 效应显著，地震时侧向位移大，容易引起非结构构件
的破坏，甚至是结构的破坏。另外，钢框架的连接节点费用较高，防火成本高。
2.2 双重抗侧力体系
由前述可知，框架结构体系的主要不足之处是侧向刚度差。而当建筑达到一定高度时，在 侧向力作用下，结构的侧移较大，会影响正常使用，因而建筑高度受到限制。于是当建筑物 高度较大时可以参照单层工业厂房设柱间支撑的方法，在框架的纵、横方向设置支撑或剪力 墙，这样就形成了双重抗侧力体系，即框架和支撑，或剪力墙，均可抵抗侧向力的作用。这 种体系能分为三类：框架支撑体系和框架—混凝土剪力墙、钢框架—混凝土核心筒体系。在 框架—支撑体系中，若设置连接支撑与外框架的刚性伸臂，则称为加劲框架—支撑体系。
在一般的框撑体系中，由于连接外柱与支撑的钢梁跨度较小，抗弯刚度很弱，当整个体系 受到水平荷载作用时，只有作为支撑组成部分的钢柱来抵抗倾覆力矩，外柱所承受的轴向力 很小，基本上不参与整体抗弯，即支撑独自抗弯。而在加劲框撑体系中，整个体系受到水平 荷载作用时，由于加劲桁架的竖向刚度很大，支撑受弯，各层水平杆绕水平轴做倾斜转动时， 加劲桁架也随水平杆一起转动，使外柱参与整体抗弯，一侧的外柱受压而另一侧的外柱则受 拉，从而减小了支撑所受的倾覆力矩。同时，由于加劲桁架的强大的竖向刚度和外柱较大的 轴向刚度，不仅是整个撑体系顶面各点发生同一转角而位于同一斜线上，而且使柱顶面转角 减小，使得框撑体系整体弯曲所产生的侧移得以较大幅度的减小。 ③优缺点
由上述简析，可知框架结构体系的优点是能够提供较大的内部使用空间，因而建筑平面布 置灵活，能适应多种类型的使用功能，结构简单，构件易于标准化和定型化，施工速度快， 对层数不错的高层结构而言，该体系是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系，而且常用 于层数不超过 30 层的高层建筑。
而其缺点也比较明显，一方面在地震力作用下，由于结构的柔性，使结构的自振周期长， 且结构的自重轻，结构影响系数小，故而所受地震力也小，是比较利于抗震的；但另一方面
纵然有高强混凝土等新型建筑材料的出现，钢结构依然为超高层建筑特别是地震区高层建 筑的一种经济且有效的结构类型。
2.结构体系
目前楼房的高度因城市建设的需要而与日俱增。随着高层建筑结构的发展，新的钢结构体 系不断涌现。常见的高层钢结构体系，可以分为四大类型：框架体系、双重抗侧力体系、筒 体结构体系和巨型框架体系。框架体系由于结构自身力学特性的局限，对于 30 层以上的楼 房经济性欠佳；框架—支撑体系是在框架体系中增设支撑，水平荷载主要由支撑来承担，可 用于 30 层以上的高层建筑；但当其层数更多时，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，水平荷载引起的倾覆力矩， 按照房屋高度二次方的关系急剧增大。因此随着建筑高度的增加，倾覆力矩很大，此时宜采 用以立体构件为主的结构体系，即筒体体系或巨形结构体系，这种结构体系能够较好满足建 筑很高时抗倾覆能力的要求。
2.3.1 框筒体系
①组成 框筒体系是由密集排列的矩形网格的梁和柱刚性连接在一起组成的，在建筑外围由密柱深
梁组成的封闭式筒体通过悬臂作用来抵抗侧向作用，内部柱子或核心假定只承受重力荷载。 ② 受力及变形
框架筒在侧向荷载作用下，若框架筒能作为一整体并按单纯的悬臂实壁筒受弯，则框架筒 中柱的内力分布会不均匀。这是由于存在框架横梁的剪切变形，使框架柱的实际受力呈非线
钢框架—预制钢筋混凝土墙体系是以钢框架为主体，建筑的竖向荷载全部由钢框架来承 担，而水平荷载引起的剪力主要由钢筋混凝土墙板来承担，水平荷载引起的倾覆力矩主要由 钢框架和钢筋混凝土墙板所形成的联合体来承担。由于框架间设置了混凝土墙板，结构的抗 推刚度和受剪承载力都得到显著提高，地震作用的层间位移也就显著减小。且这种结构体系 可用于地震区较多层数的楼房。
据上述简析，其优势较前述加劲框架支撑体系因加劲桁架的作用使受力更合理，使结构具 有更大的抗推刚度，使框撑体系的侧移得以大幅度的减小；其缺点与框撑体系相似。
2.2.3 钢框架混凝土剪力墙体系
配置一定数量的钢筋混凝土或型钢混凝
土剪力墙。由于剪力墙可以根据需要布置在任何位置上，布置灵活。另外剪力墙可以分开布 置，两片以上剪力墙并联体较宽，从而可减小抗侧力体系的等效高宽比值，提高结构的抗推 刚度和抗倾覆能力。钢筋混凝土剪力墙有现浇和预制两种。 ②钢框架预制钢筋混凝土墙的组成和变形
2.1 框架结构体系
①组成 框架体系是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构成的
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结构体系，且一般可分为无支撑框架和有支撑框架两种形式，无支撑框架仅由钢柱和钢梁组 成，地震区的高层建筑采用框架体系时，框架的纵、横梁与柱的连接一般采用刚性连接。 ② 受力特征和变形特点
框架在水平力作用下，在作为竖向构件的柱和水平构件的梁中均引起剪力和弯矩，这些力 使梁、柱产生变形。此体系利用柱与各层梁的刚性连接，改变了悬壁柱的受力状态，使柱在
抵抗水平荷载时的自由悬臂高度由原来的建筑总高度 H 减为楼层高度的一半（ h / 2 ），从而
使柱所承受的弯矩大幅度减小，使框架能以较小面积的梁和柱，承担作用于高层结构上的较 大水平荷载和竖向荷载。因此框架的抗侧能力主要取决于梁和柱的受弯能力。建筑物层数越 多，侧力总值越大，而要提高梁、柱的受弯能力和刚度只有通过加大梁、柱的截面，而截面 过大，则使框架失去经济合理性。
在该体系中，钢框架是主要的承重结构，钢筋混凝土墙是抗侧力构件，因其具有较大的水 平截面，而且沿高度方向连续，因此具有较大的抗推刚度，钢筋混凝土墙因具有较大抗推刚 度将承担大部分剪力和倾覆力矩，框架因相对抗推刚度较小，主要承担竖向荷载。在水平荷 载作用下，钢筋混凝土墙是受弯构件，钢框架是剪切构件，二者能协调变形，但顶部数层钢 框架所需承担的水平力增大，设计时应予以考虑。同理，内部空间布置稍受剪力墙布置的影 响。
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③钢框架现浇钢筋混凝土的组成与变形 钢框架—现浇混凝土墙体系是由现浇钢筋混凝土墙和钢框架所组成，一般应沿着房屋的横
向和纵向，均应布置钢筋混凝土墙体。纵、横墙的数量应根据设防烈度和楼房层数多少由计 算确定，纵墙和横墙可以分开布置，也可连成一体，现浇混凝土墙体水平截面的形状可以是 一字形、L 形、工字形。 ④优缺点
与框架支撑体系一样，通过各层楼板的协调，支撑芯筒与框架的侧移趋于一致，在结构的 下半部，框架支撑芯筒体系的层间侧移角要比框架体系减小很多。框架核心筒结构体系由于 内筒平面尺寸较小，抗侧刚度不大，不宜用于强震地区。
2.3 筒体体系
随着结构高度的增加，前述的几种钢结构体系将难以很好地满足高层建筑的刚度要求，筒 体结构体系因为其具有较大的刚度，有较强的抗侧能力，能形成较大的使用空间，在超高层 建筑中运用较为广泛。所谓筒体结构体系，就是由若干片纵横交接的框架、抗剪桁架所围成 的筒状封闭结构。每一层的楼面结构又加强了各片框架或抗剪桁架之间的相互连接，形成一 个空间构架。整个空间结构具有很大的空间刚度。根据筒体的布置、组成、数量的不同可分 为框架筒、筒中筒、束筒等结构体系。
与框架结构相比，框撑体系的抗侧刚度大，可以有效地抵抗侧向荷载；其缺点是为内部布 置受桁架斜杆的限制多，且节点设置比较复杂。
2.2.2 加劲框架支撑体系
①组成 从抵抗水平荷载说，竖向支撑是弯曲型构件，其水平承载能力和抗推刚度的大小与支撑的
高宽比成反比，因为中央服务竖井的平面尺寸往往较小，沿服务竖井布置的竖向支撑体系， 其高宽比较大，建筑结构较高时，由于支撑的高宽比值太大，抗侧力效果显著降低，而不能 满足要求，此时，因沿竖向支撑所在平面，在建筑结构顶层以及每隔若干层（一般 12 层左 右），沿建筑纵、横向设置一层楼高的加劲大桁架—伸臂桁架和周边桁架，以将内部支撑与 外圈框架柱连成一个整体弯曲构件，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩，这种体系称之加劲 框架支撑体系，该种体系提高了整个结构的抗推性能，也增加了框撑体系的适用高度。 ②变形
2.2.4 钢框架混凝土核心筒体系
①组成 钢框架混凝土核心筒体系是指由钢筋混凝土核心筒以及铰接或刚接的钢框架所形成的混
合结构体系。当结构的楼层平面采用核心式建筑布置方案，将所有服务性设施集中在楼面中 心部位时，可以沿服务性面积周围设置钢筋混凝土墙，形成钢筋混凝土芯筒。 ②受力
由于混凝土芯筒是立体构件，在各个方向均有较大的抗推刚度，在结构体系中，成为主要 的抗侧力构件，将承担主要的水平荷载，而在混凝土芯筒外围的钢框架主要是承担竖向荷载 及小部分水平荷载，当外围钢框架的梁与柱采取柔性连接，即梁段与柱采用铰接时，刚框架 仅承担竖向荷载，而水平荷载全部由混凝土芯筒承担。 ③优缺点
框撑体系的变形与杆件本身的力学特征有关，与杆件的抗弯刚度相比较，杆件的抗压或抗 拉的轴向变形刚度要大很多，采用由轴向受力杆件所形成的竖向支撑，以取代由抗弯杆件所
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形成的框架结构，能获得大得多的抗推刚度。在框撑体系中，框架是剪切型构件，底部的层 间位移大，支撑为弯曲型竖构件，底部层间位移小。两者综合，则可明显减小建筑物下部的 层间位移。框撑体系的抗推刚度比框架体系大，而且框撑体系由于框架和支撑的变形协调， 还使整个结构体系的最大侧移角亦有所减小。因此在相同侧移限值标准的情况下，框撑体系 可以用于比框架体系更高的建筑结构，一般用于 40 层以下的建筑。 ③优缺点
2.2.1 框架支撑体系
①组成 建筑结构超过 30 层或者纯框架体系在风、地震作用下，不符合要求，可以采用带支撑的
框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向均布置一定数量的支撑，所形成的结构体 系称为框架—支撑体系，可简称作框撑体系。在该体系中，框架布置原则和柱网尺寸基本上 与框架体系相同，支撑多半沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿总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。 ② 变形
钢框架结构除了一般框架结构的性能以外，还存在一种不可忽视的效应，即框架的几何非
线性效应，也就是在水平荷载作用下结构发生侧向位移 ∆ ，由于竖向荷载 P 的作用，结构 又进一步的增加侧移值。该效应亦称之为 P − ∆ 效应，且当结构越高，则 P − ∆ 效应越显著。
为了控制结构的侧移值，必然要增加梁和柱的刚度。当结构达到一定高度时，梁、柱的截面 尺寸就完全由结构的刚度而非强度控制。 ③优缺点
浅析钢结构各种结构体系的优缺点
1040020012 黄水瑛
1.概述
高层建筑钢结构的除了钢材特性而具有材料强度高、结构自重轻、有良好的延性，抗震性 能佳等特点外，还具有如下特点： （1）施工速度快，工期短，建设成本低。钢结构的构件实现了工厂预制、工地安装，安装 时广泛采用的连接方式为栓焊连接、螺栓连接等，这大大加快了施工速度，缩短了施工工期。 同时钢结构建筑的材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本。 （2）建筑与结构的设计与功能一体化。在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素， 结构的形体、构件、节点在很大程度上制约着建筑的形象、建筑与结构的设计与功能只有做 到一体化，才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术 融为一体的钢结构建筑。 （3）钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求。 钢材内部组织均匀，接近于各向同性匀 质体，强度高，塑性 韧性好 其密度与强度的比值远小于砖石、混凝土、木材等，在同样受 力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的建筑结构，同时还能使结构形 体灵活布置。 现在人类已具有建造跨度超过 1000 m 的超大穹顶与高度超过 1000 m 最高至 4 000 m 的超高层建筑的能力，并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对 跨度的要求。 （4）钢结构建筑有助于环保和可持续发展。钢材是一种高强度、高效能的材料，具有很高 的再循环使用价值，不需要制模施工 。钢结构建筑原材料的可循环使用对于资源、能源都 非常短缺的我国来说意义重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。