高层建筑钢结构-第三章结构体系和布置概论

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
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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2日星期六
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2) 框架(Frame)结构和承剪桁架(Shear truss)结构的变形
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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1/300 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。
介于上述之间时为半刚性 semi-rigid frame；
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M/Mp
欧洲规范EC3分类法
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无支撑
有支撑
2/3
Mp—梁的塑性弯矩 Φp＝MpLx/EIb
铰接
Φ/Φp
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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；
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总体层间变形： δi＝δic+δib+δif+δis+ΔⅡ
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％。
正应力 Δ
EI,GA=∞ Δ
梁内剪力
EI=0
0<EI<∞
Δmax
N1 N2 N3
剪应力
N1>N2
N1 N2
剪力向内传递
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腹板框架？翼缘框架？
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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
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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
i
i i 1
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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。
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
％）
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整体二阶效应引起的侧移ΔⅡ：
P
Δ1
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）
造成梁的刚性转角：
θCN Mc
N
Mc N
CN

l/2

2Nh EAl
引起柱的侧移变形：
l
Nh
if
CNh

2 Nh2 EAl
θCN
EA
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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
杆件主要受弯矩 杆件以弯曲变形为主 框架以剪切变形为主
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杆件以轴力为主 杆件以轴向变形为主 桁架以弯曲变形为主
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3) 伸臂(Outrigger arms)结构的工作特点
ΔM
ΔM
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ΔM 无伸臂弯矩图 有伸臂弯矩图
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4) 剪力滞后(Shear lag)现象和框筒(Framed tube)结构
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
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梁柱节点构造形式
铰接
半刚性连接
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-支撑结构 3-4 伸臂及带状桁架结构 3-5 交错桁架体系
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3-6 筒体结构 3-7 巨型结构 3-8 特殊结构 3-9 结构选型和布置原则
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高层建筑钢结构
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柱弯曲变形引起的侧移δic：
δic
V/2
V/2
h/2
EIc
h/2
V/2 l
V/2
V h 3
ic

2 2
2 3EIc
ic

2
1 3EIc
V 2

h 2
3

Vh3 24EIc
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梁弯曲变形引起的侧移δib：
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刚性连接
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梁柱节点变形特点
若q均匀分布，
Ma MFa=-ql2/12
MFa M1
1
3
M3
M2
2
θa
θa=-MFa/ (2EI/l)
201图9年乘6月法2可2日以星得期到六
M1/MFa>0.9，为刚性， rigid frame；
M1/MFa<0.2，为简支 simple frame；
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δib
V/2 h/2 h/2
EIb θ
V/2
M= Vh/2
V/2 l
V/2
ib h
22
ib

M 3EIb /(l
/
2)
h
Ml h 6 EIb
Vlh2 12 EIb
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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