第三章多高层房屋钢结构

a)H型钢截面 b)组合梁截面
b)蜂窝梁
框架梁的截面形式
a)H型钢截面 b)十字型截面
c)方管截面
d)圆管截面
框架柱的截面形式
§3.2
a)H型钢截面 b)组合梁截面
b)蜂窝梁
柱的截面形式 P120
框架梁的截面形式
a)H型钢截面 b)十字型截面
c)方管截面
d)圆管截面
框架柱的截面形式

常用的柱截面形式：箱形、焊接工字形、H型钢、圆管等；
中心支撑体系
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§3.3
目录
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3 多、高层 房屋钢结构
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内容提要
目录
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多层和高层房屋建筑之间并没有严格的界限。根据房屋 建筑的荷载特点及其力学行为，尤其是地震作用的反映，大 致可将12层、高度约40m定为两者之界。本章所讨论的多层钢 结构一般指层数不超过10层、总高度小于24m的民用建筑和6 层以下、总高度小于40m的工业建筑；超过上述高度的定义为 高层钢结构。本章全面系统地介绍了多、高层房屋钢结构体 系及其设计的理论、方法及具体要求与构造措施，并通过实 例加以详细说明。内容包括：多、高层钢结构体系；多层钢 结构分析和计算；钢与混凝土组合板和组合梁设计；多、高 层钢结构连接；多层钢结构设计实例；高层钢结构分析和计 算；高层钢结构的构件和连接设计。
计算的一般原则 1. 多高层建筑钢结构的内力与位移一般采用弹性方
法计算。
对有抗震设防要求的结构，除进行多遇地震作用 下的弹性效应计算外，还应考虑在罕遇地震作用下结 构可能进入弹塑性状态，采用弹塑性方法进行分析。
计算的一般原则 2.高层建筑钢结构通常采用现浇组合楼盖，一般可假定 楼面在自身平面内为绝对刚性。但在设计中应采取保证 楼面整体刚度的构造措施，如加设梁抗剪件、非刚性楼 面加整浇层等。
了解多、高层钢结构的特点；掌握多、高层钢结构主要 体系的特点和布置、钢与混凝土组合板和组合梁；熟练掌握 多、高层钢结构设计的各个环节：内力与位移分析、构件及 连接设计等。
能力要求
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§3.1
多、高层钢结构体系
一、 多高层钢结构特点和类型
目录
特点：侧向荷载效应的影响突出——风荷载、地震作用 分类：按抵抗侧向荷载作用的功效分——框架结构、框 剪 结构、筒体结构
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。
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平面不规则结构P114
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％；
计算的一般原则
4. 多高层钢结构的计算模型应视具体结构形式和计 算内容规定。 一般情况下可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模 型。 当结构布臵规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不 计扭转效应时，可采用平面结构计算模型； 当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分 成平面抗侧力单元或为简单结构时，应采用空间结构 计算模型。
纵向柱列
纵向跨度方向
2.框架-支撑体系
纯框架侧移不满足时，可以采用带支撑的框架，
即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布臵一定
数量的支撑。沿纵向布臵的支撑和沿横向布臵的支撑
相连接，形成一个支撑芯筒。竖向支撑桁架起剪力墙
的作用，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。
(5)防火性能差 无耐火防护的钢构件,其平均耐火时限约15min左右, 明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必 须用专门的防火涂料防护,以满足防火规范的要求。
三、高层建筑钢结构的荷载计算
结构的荷载种类 竖向荷载：永久荷载（自重和使用荷载） 水平荷载：风荷载 地震作用：水平、竖向地震作用 荷载计算 1.风荷载 2.地震作用计算
钢与钢筋混凝土筒体结构的水平刚度取决于核心筒 的高宽比。
5.筒体结构
由内外两个筒体（筒中筒）或多个筒体结构（束 筒体系）组合而成，共同抵抗水平力，具有很好的空 间作用，适用于90层左右的钢结构建筑。
6.悬挂结构
3.1.2 多高层钢结构布置P113
多层房屋应首选由光滑曲线构成的平面形式； (为了减少风压作用) 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)
(3)有效使用面积高 构件断面小,所占面积小；同时还可适当降低建筑 层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比,可相应增加 建筑使用面积约4%。 (4)建造速度快 构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。 可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构 相比. 一般可缩短建设周期约1/4～1/3。
剪力滞后（Shear Lag）

剪力滞后是指在高层建筑受横向荷载作用时，角 柱的正向轴压力或拉应力大于中间柱的拉、压应 力。

为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，
通常可采取两个措施：
1）控制框筒平面的长宽比不宜过大
2）加大框筒梁和柱的线刚度之比
§3.2
多层钢结构分析与计算
梁的截面形式 P119
0.455H高度。
3. 框架剪力墙结构体系
在框架结构中布臵一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结 构体系，这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平
面布臵灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40至60
层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿 服务性面积（如楼梯间、电梯间
和卫生间）周围设臵，就形成框
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。
防震逢设置问题P115
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；
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剪 力 墙
4.框架-核心筒结构体系
将框架-剪力墙结构体系中的剪力墙结构设 臵于内筒的四周形成封闭的核心筒体，而外 围钢框架柱柱网较密，形成框架-核心筒体系。 中心筒体既可采用钢结构亦可采用钢筋混 凝土结构,核心筒体承担全部或大部分水平力 及扭转力。 楼面多采用钢梁、压型钢板与现浇混凝土 组成的组合结构，与内外筒均有较好的连接， 水平荷载将通过刚性楼面传递到核心筒。
多高层建筑钢结构体系
1.框架结构
特点：平面布臵灵活，可为提供较大的室内空间， 结构各部分刚度比较均匀。
框架结构有较大的延性，自振周期较长，因而对
地震作用不敏感，抗震性能好。
但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易
引起非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。
纯框架结构体系在地震区一般不超过1wenku.baidu.com层。
横 向 跨 度 方 向
多层(≤12层)
6～8度设防
1/2 ≤120（235/fy）


9度设防
1/ 2 100 （235/ f y）
高层(>12层)
6，7度设防
1/2 ≤120（235/fy）
8度设防
1/2 ≤80（235/fy）
9度设防
1/2 ≤60（235/fy）
抗震设防的多高层钢结构房屋形式
中心支撑体系（不超过12层）+ 斜支撑体系
对整体性较差、或楼面有大开孔、有较长外伸段或相 宜采用楼板平面内的实际刚度。
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邻层刚度有突变的楼面，当不能保证楼面的整体刚度时，
计算的一般原则 3. 由于楼板与钢梁连接在一起，当进行多高层钢结构 的弹性分析时，宜考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的 共同工作，此时应保证楼板与钢梁间有可靠连接。 当进行弹塑性分析对，楼板可能严重开裂．因此， 不宜考虑楼板与钢梁的共同工作。
当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可 按带刚域的框架计算；
当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。
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计算的一般原则 7. 柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连 接计算，其端部连接的刚度通过支撑构件的计算长度 加以考虑。若采用偏心支撑，由于耗能梁段在大震时 将首先屈服，计算时应取为单独单元。
框架柱的设计方法

压(拉)弯构件 截面初估：参考同类已建工程；（如在初设计中，已粗略得到 柱的设计轴力值N，则可以承受1.2 N的轴心受压构件来初拟柱 截面尺寸） 大致可按每3～4层作一次变截面； 尽量使用较薄的钢板；（其厚度不宜超过100mm；柱板件宽厚 比不应大于表4.6的规定） 框架柱长细比的规定（下表）
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结构类型
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二、高层建筑钢结构的特点
主要表现在:具有良好的综合经济效益和力学性能
(1)自重轻、强度高 采用钢结构承重骨架, 比钢筋混凝土结构轻1/3以 上。结构自重轻,可以减少运输和吊装费用,基础的负 载也相应减少,在地质条件较差地区,可以降低基础造 价。
(2)抗震性能好 钢材的弹塑性性能好, 地震作用下具有良好的延 性。自重轻也显著减少地震作用,一般可减少40%左右

H型钢柱：应用较广；（截面经济合理、规格尺寸多、加工量少以及便于 连接）
焊接工字形截面：可灵活地调整截面特性； 焊接箱形截面：可使关于两个主轴的刚度相等，但加工量大； 钢管混凝土的组合柱：提高管状柱的承载力、防火性能； 轧制型钢：较经济，但采用厚度更大的焊接工字形截面，可 显著改善结构效比能。

L
纵向柱列
横向柱列
纵向柱列
横向柱列
支撑的形式和布置
在水平力作用下, 支撑顶部将产生很
大的水平变位。此时可在顶层设臵帽桁架
及在中间某层设臵腰桁架。
帽桁架和腰桁架使外围柱与核心
抗剪结构共同工作, 可有效减小结 构的侧向变位, 刚度也有很大提高。
腰桁架的间距一般为12-15层,腰桁架越 密整个结构的简体作用越强〈这种结构通 常被称为部分筒体结构体系),当仅设一道 腰桁架时, 最佳位臵是在离建筑顶端
架多筒体结构体系。这种结构体 系在各个方向都具有较大的抗侧
力刚度，成为主要的抗侧力构件，
承担大部分水平荷载，钢框架主 要承受竖向荷载。
钢筋混凝土剪力墙 刚度较大,地震时易发生应力集中,导致墙体产生 斜向大裂缝而脆性破坏。 钢筋混凝土带缝剪力墙 即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设臵框架结构 竖缝。这样墙体成了许多并列的壁柱, 在风载和 小震下处于弹性阶段, 确保结构的使用功能。在 强震时进入塑性阶段, 能吸收大量地震能量, 各 壁柱继续保持其承载能力, 以防止建筑物倒塌。 钢板剪力墙 以厚约8～lOmm的钢板做成剪力墙,与钢框架组合, 起到刚性构件的作用。
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计算的一般原则 5. 高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，在计算结 构的内力和位移时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的
轴向变形外，尚应考虑梁、柱的剪切变形。
由于梁的轴力很小，一般不考虑梁的轴向变形，
但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计入轴
力的影响。
计算的一般原则 6. 钢框架—剪力墙体系中，现浇竖向连续钢筋混凝土 剪力墙的计算应计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向 变形。
防震逢设置问题（续）
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。
结构竖向布置P115

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。


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 三层总的刚度降代超过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％
补充：结构设计的一般步骤
1.确定合理的结构形式和节点的连接（形式）方法； 2.选择结构和连接的材料并提出相应的技术性能指标； 3.维护结构的选择（从结构上考虑）； 4.构件的形式并初步估算截面尺寸； 5.荷载汇集及荷载组合； 6.地震作用计算； 7.结构变形及内力计算； 8.内力组合及构件截面验算； 9.连接的设计计算； 10.维护结构的设计计算； 11.基础设计； 12.其他。