多高层钢结构体系

多高层钢结构各种结构体系的优点与不足

摘要：我国大陆地区的大城市多数位于沿海或6度以上地震区，强风或地震引起的侧力成为高层建筑的决定性荷载。有关专家也指出，设计实践中抗侧力结构体系的优选与否，不仅使结构用钢量大幅增减，也关系到房屋建筑的重大安全。因此，作为一名结构设计从业人员，有必要了解多高层钢结构各种体系的特点、使用条件和适用高度，明确其优点与不足，才能正确地选择合适的结构体系。

关键词：多高层；钢结构；结构体系

近年来，我国各个城市相继兴建了大量高层建筑，随着楼房的日益增高，钢筋混凝土结构已不再是唯一经济有效的结构类型。对于40层以上的高楼，若采用传统的普通钢筋混凝土结构，则会带来以下问题：构件截面尺寸较大，建筑使用面积相对减小，单位使用面积造价相对上升；自重大，使基础和地基处理复杂，费用昂贵；现场工作量大，施工周期大，推迟建筑的启用，减小了经济效益等。而多高层钢结构的应用，极大地缓解了上述问题。多高层钢结构，一般是指六层（或30m）以上，主要采用型钢、钢板机械连接或焊接成构件，再经机械连接、焊接而成的结构体系。具有材料强度高、延性好，抗震性能优越；自重轻、截面小，室内有效面积大；与玻璃幕墙结合，建筑外形现代感很强；施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率；现场作业环境污染小；材料可重复利用等优点。因此，当今多高层钢结构建筑蓬勃发展，业已成为都市化水平的标志和经济技术实力的象征。

在高层建筑设计中，由于结构高度与宽度尺寸相差悬殊，高层建筑类似嵌固于地面上的“悬臂柔杆”，其抗侧力作用成为必须考虑的重要问题。根据荷载规范与抗震规范可知，高层建筑的水平侧力主要包括经常性的风荷载和偶发性的地震作用。其中：风荷载的影响是使建筑产生侧向变形，风大时产生振动，进而影响人们在正常生活和工作下的舒适感；地震作用则往往导致建筑结构的倒塌或损坏。对于地震区的高层建筑，应考虑地震作用时不破坏，至少不倒塌。随着建筑高度的增长，风荷载一般逐渐增大，达到一定高度后，风荷载稳定下来，波动较小；并且，随着高度的增长，风荷载对结构设计的控制作用越来越强，甚至超过地震荷载的影响。一般来说，风荷载与结构的抗侧刚度关系不大，而地震作用的大小则与其有着密切关系：从抗风振的角度来看，自然希望结构刚度大些，而从抗地震力的观点上，较大的刚度反而会导致较大的地震力，但太小又会因二阶效应等原因引起结构破坏甚至倒塌，因此结构刚度应大小适当。由于风荷载、地震作用都是侧力，对于地震区的高层建筑设计，特别要求结构体系既能适应风荷载作用，又能承受地震作用。

根据我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）规定，高层建筑钢结构体系分为四类：框架结构、框架-支撑（剪力墙板）结构、筒体、有混凝土剪力墙的钢结构。在此基础上，有关学者从不同的研究角度，衍生出多个结构体系（见图1）。各种结构体系根据自身特点适用于不同的建筑高度、使用功能和抗震设防要求。以下就多高层钢结构各种体系的优点与不足进行详细论述。

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)

图1高层钢结构建筑常见结构体系

上图中，(a)——框架体系；(b)——错列桁架体系；(c)——框架-支撑桁架体系；(d)——有水平带状支撑的框架体系；(e)——框架-核心筒体系；(f)——开口筒体系；(g)——外框筒体系；(h)——筒中筒体系；(i)——束筒体系；(j)——外围桁架筒体系

一框架体系

钢框架结构，即由钢梁与钢柱构成的“杆件弯曲体系”。框架结构的变形主要由剪切变形和整体弯曲变形构成。当层数较少时，大部分位移由剪力引起的梁、柱弯曲产生，随着层数增高，框架有如一根悬臂梁，由于柱子轴向伸长和压缩，使整体弯曲变形所占的比例相对增加。按梁与柱的连接形式，钢框架结构又可分为半刚接钢框架与刚接钢框架两种形式。

工程应用实例：美国休斯顿第一印第安纳广场大厦（29层、高121m）、上海金沙江大酒店（反Z形平面、高42.4m）、北京长富宫饭店（矩形去四角平面、高89m）。

优点：结构各部分刚度相对来说比较均匀；在垂直平面上不需要设置斜杆，使建筑物形成较大空间，并且为平面布置提供最大的灵活性；构造简单、易于施工；由于框架结构较软，具有较大延性，对地震作用不敏感，因此是一种好的抗震结构形式。在钢框架结构体系中，为了节约钢材，改善受力特性，提高防火性能，也可在下面若干层用钢骨混凝土代替钢框架。

不足：半刚接框架梁仅按重力作用下简支梁选择截面，梁与柱连接不承受重力荷载产生的弯矩，而用近似分析法得到的风荷载弯矩计算节点，在地震区还要进行地震作用验算；刚接框架虽更全面地考虑节点承受的弯矩，但节点构造较复杂；纯框架的抗侧刚度主要取决于梁与柱的抗弯能力，在侧力作用下梁柱节点弯矩过大；当层数增高时（半刚接框架超过20层，刚接框架达到30层以上），则楼层剪力很大，必须靠加大梁、柱的截面来提高其抗推能力，采用该结构将变得不经济。

二框架-抗剪结构体系

由于纯钢框架体系是靠梁柱的弯曲来抵抗水平力的，当房屋层数较多，或者

风力较大、地震烈度较高时，将不能有效地利用构件强度，采用纯钢框架结构体系就很不经济，而采用框架-抗剪结构体系就可以弥补这一不足。框架-抗剪结构体系的特点是主要依靠抗剪结构体系来抵抗侧力。

根据抗剪结构的不同，该体系又分为以下几种类别：

（1）框架-剪力墙结构

在钢框架中通过布置一定数量的剪力墙（钢筋混凝土剪力墙、带缝剪力墙或钢板剪力墙）来提高框架结构的抗侧力刚度。剪力墙的布置有独立式、核心式、内廊式、并列式和棋盘式等几种。

工程应用实例：北京香格里拉饭店（Z形平面、高82.3m）、京广中心（扇形平面、高208m）、上海瑞金大厦（矩形平面、高106.9m）、深圳发展中心（3/4圆形平面、高160m）。

优点：剪力墙的作用有如竖向悬臂梁，发生弯曲时顶部挠度最大，而框架结构主要发生剪切变形，在底部剪力最大处变形最剧烈。当二者共同工作时，由于彼此相互约束，在结构底部钢框架的变形受到了限制；而在上部，框架又限制了剪力墙过大变形，从而克服了纯钢框架在30层以上高层建筑中强度不能充分发挥的问题；以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40~60层的高层钢结构。

不足：钢框架与剪力墙存在刚度均衡的问题。与钢框架并用的钢筋混凝土剪力墙刚度较大，在地震时易于发生应力集中现象，以致产生斜向大裂缝而脆性破坏；剪力墙部分仍要受楼板跨度的限制，灵活性有所减弱；在设计中必须注意剪力墙中心线与边缘约束框架柱的中线重合，否则引起偏心。

为避免上述现象，可采用带裂缝剪力墙，该形式由日本学者武藤清提出，即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设置竖缝，在竖缝中设置两块重叠的石棉纤维板作隔板（日本方案）。这样做既不妨碍竖缝剪切变形，还能起到隔音和防火作用，从而将墙体分成许多并列的壁柱，在风荷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，吸收大量的地震能量，而各壁柱继续保持其承载能力以防止建筑物倒塌。

工程应用实例（带裂缝剪力墙）：日本京王广场饭店、东邦人寿保险总社大厦、新宿三井大厦等。

钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙结构，钢板厚约8~10mm，与钢框架组合，起到刚性构件的作用，在水平刚度相同的条件下，框架-钢板剪力墙结构的耗钢量比纯框架结构要省。剪力墙也可配合建筑要求上下层错开布置，呈棋盘状。其优点是可以避免刚度集中，使地震作用力分散开，缺点是剪力墙的整体性受到减弱并影响抗侧力性能。

（2）框架-支撑（支撑桁架）结构

众所周知，就杆件自身的力学特性而言，与杆件的抗弯刚度相比较，杆件的抗压或抗拉刚度则要大得多。因此，在该体系中，采用属于“轴力体系”的竖向支撑来加强框架，就能获得较大的抗推刚度。框架-支撑桁架体系由沿竖向或横向布置的支撑（或支撑桁架）结构和框架梁柱构成，桁架结构起着剪力墙的作用，水平力主要由竖向桁架结构承担，工作原理类似于嵌固在基础上的悬臂梁，梁柱框架可以是铰接或半刚接，其侧向刚度可以忽略不计，柱仅承受墙、梁、楼板传来的竖向荷载。该结构体系是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系，一般适用于40~60层的高层建筑。根据钢支撑形式不同，该结构体系又分为中心支撑