多高层钢结构各种结构体系的优势与不足

多高层钢结构各种结构体系的优势与不足
摘要：众所周知,对于各种建筑物的结构,侧向扰动作用(主要包括指风扰动作用和侧向地震扰动作用)对建筑结构设计体系的优化选择结构起着重要决定性的推动作用。

它不仅直接关系着起到一个整体建筑结构的稳定受力支撑性能、使用性能,更直接关系到整个整体建筑的施工造价。

因此建筑结构设计体系的形式选择也就是建筑结构设计之本,是必须把它放在建筑结构设计第一位的。

随着我国高层建筑和钢结构的不断发展,新的高层钢结构建筑体系不断涌现。

各种企业结构管理体系也都有其各自的主要优缺点,针对这些点的优缺点如何适用于不同的类型建筑,作为专业建筑设计师的人员必须十分明确。

本文就针对几种常见的多功能高层组织结构管理体系模型进行简要性的介绍。

关键词：高层建筑、结构体系、框架结构、钢结构、偏心结构
1.多功能高层框架钢结构的最大优点主要的就是结构强度高,重量轻。

钢结构建筑材料在不能达到同样的使用强度时,钢筋结构件的适用截面较小,占地面积少,相对的其他建筑材料适用占地面积就可能会有所增大。

同时由于其自重轻的主要特点,特别适用于大中小跨度的空间结构。

钢结构所用材料具有质地均匀,各向的异同性,材料间的离散性小,更好的能保证结构材料分析的稳定可靠性,并且由于钢材本身具有很大的热可塑性,具有很好的主体结构抗伸延性和好的抗震腐蚀性能。

同时,钢结构所有构件都必须是能在工厂生产中直接加工生产好的,工地现场只需按照工程设计要求安装即可到位,工期大大缩短,所以这种钢结构建筑不失为超高层结构建筑,特别说它是用于地震多发地区的超高层建筑的一种非常经济有效的常用结构材料类型。

2.多强度高层重型钢结构的轴承结构处理体系及各自性能特点分析多强度高层重型钢结构的轴承结构处理体系按照轴承抗压和侧力相对构件的主体形式、材料、受力力和性能等几个因素进行区分。

根据结构抗压和侧力系统体系的不同,广义的中高层建筑钢结构主要的框架结构系统体系包括如下:纯轻钢框架结构系统体系、框架—整体支撑钢板结构系统体系、框架—支撑剪力墙框架结构系统体系、架结构系统体系、简体框架结构系统体系、巨型整体组合框架结构系统体系等。

2.1纯钢钢框架结构设计体系纯钢框架结构设计体系主要是沿着高层房屋的建筑纵向和房屋横向均匀地采用纯钢框架结构作为承重的主体抵抗房屋侧力的主要支撑构件所设计构成的一种结构设计体系。

钢结构框架类型包括刚性连接式钢框架、半刚性或接近的框架和较小或接近的框架。

它的主要优缺点可以概括分为如下各类：它的优点:①整体建筑内部平面布置灵活,对整体建筑的内部平面高度限制较少;②承重框架结构杆件建筑截面小,可同时提供较大的建筑内部空间,适用于各类不同性质的整体建筑;③框架杆件品种类型少,构造简单,施工维护周期短;④建筑外墙用非箱式承重框架构件,可使整体建筑立面灵活多变。

如果直接采用这种轻质多层隔板材料做为内外墙,就同样可以有效大大降低高层房屋的自重。

缺点:①配筋结构高度大幅增加,水平面剪力推动作用加大使得配筋框架底部梁柱配筋构件的弯矩和底部剪力显著程度增加,从而直接导致梁柱构件截面结构尺寸和底部配筋使用量显著增加。

②建筑结构层
数超过一定建筑高度后,材料的使用量和人工造价较大,故其在设计过程中的结构层数和高度也要有所应的限制。

③结构侧向抗侧滑动刚度小,高度较大时,水平滑动力矩的作用下结构会滑动产生很大的结构侧向滑动位移。

2.2框架—式和支撑式的结构管理体系设计在这种框架结构体系中,沿主体结构的横向纵横两个不同方向均可以布置一定程度数量的框架支撑,形成一种框架式和支撑式的结构管理体系,简称为框撑结构体系。

概括来说,它的具体优缺点设计如下如图p:它的优点:①具有抗震性侧力板的刚度比一般框架结构明显有所增大,在没有地震事件发生时,框架支撑体系和结构支撑体系就会形成两道整体抗震力的防线,其整体抗震力的性能就会有明显的显著提高;②在图案中当高层建筑物的结构层数较大时,可以每层间隔若干层以上设置一层结构加劲架层,将内部结构支撑和框架外圈结构框架连为一体的整体弯曲支撑构件,共同起到抵抗框架水平荷戟运动引起的较大倾覆弯曲力矩;③框架采用纵横错列的结构桥架支撑体系可用来直接构成一个框架—形的支撑体系,可以由此获得较大的支撑开间。

缺点:①由于设置较多框架支撑,使得整个结构间的受力关系分析复杂,施工处理难度明显加大,用框架钢的数量大大增加;②框架支撑的结构设置容易与相关建筑立面结构处理,门窗结构布置等相关建筑技术要求环节发生冲突;③结构支撑已经成为整个钢木结构建筑体系的重要支撑部位,外力作用下,支撑长期以来处于外力拉压的一个周期运动作用,易直接引起整个支撑内部构件的疲劳或者破坏,在突然的较大程度外力下,会出现有很大的变形或者横向屈曲,从而容易引起整个结构建筑的较大程度变形;④由于它的抗冲击侧力强和刚度有限,不能广泛使用于超高层建筑钢结构屋顶建筑,一般只适用于40层和5~60层的大型高层建筑钢结构屋顶建筑。

框架一般的支撑受力结构又称为可按照所需要设置的方向支撑高度受力性质和受力要求分为框架一中心支撑结构、框架—偏心支撑结构和框架一耗能支撑结构。

下面将对这几种类型分别进行简要介绍。

2.2.1 框架一中心支撑结构。

框架—结构中心横向支撑总体结构框架中的横向支撑运动系统,可以被认为主要是通过柱与梁相支撑的一定轴向运动刚度以及能抵抗侧向支撑荷载的锥形悬臂构成竖向支撑裕架。

中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心。

2.2.2框架一偏心结构支撑整体结构。

框架一偏心抗震支撑柱的结构框架是近20年来逐渐发展应用起来的一种抗震支撑结构,其主要特点之一是每根偏心支撑柱在斜杆的柱体两端,至少应该有两个一端与梁连而不在柱体的节点开口处直接相连,以便于形成一个强度先于每根支撑柱向斜杆两端屈服的"耗能梁段"。

在中小强度地震时,结构耗能处于抗震弹性变形阶段,在较大强震时结构耗能梁段从而进入抗震塑性,利用抗震梁的塑性变形结构来有效吸收地震能量,而使梁支撑结构始终保持强度为一定弹性。

偏心框架支撑系统框架较好地有效解决了综合中心框架支撑所同时存在的结构强度、刚度和支撑耗能这三种支撑性能不具备匹配性的问题,兼有综合中心框架支撑系统框架结构强度与支撑刚度好以及纯中心框架支撑耗能大的两种优点。

几种典型的建筑偏心式和支撑式承载,使得其框架结构不仅具有很好的可伸延性,还使其能够依靠利用钢材本身的最大塑性强度发展功能提供最大阻尼力和耗能降低能力;建筑核心简式的布置一体成型的电梯间、卫生间对室内隔声、防潮以及下水管道的合理布置都非常有利;剪力墙对建筑结构的墙体防火、耐火性非常有利,可直接起到结构防火墙的保护作用。

但是,由于建
筑剪力墙结构属于一种刚性墙体结构,而现浇钢筋的框架结构属于一种柔性墙体结构,当建筑遭到强烈的大地震时,在其与剪力墙结合处易直接产生地震应力十分集中,造成建筑局部墙体结构的严重破坏;虽然建筑现浇钢筋混凝土结构剪力墙整体性好,但是现场湿度和作业时所使用的施工准备速度大大减慢,延长了了施工准备工期,而且受天气的影响较大。

2.2.3框架一耗能支撑结构。

框架一耗能支撑结构是指在结构的适当部位,用耗能构件代替普通支撑而形成的结构体系。

在地震风和一般中性地震波的作用下及其耗能大的支撑抗震能力可增大主体结构的内部水平面和刚度,减少主体结构的侧面位移;同时在罕遇地震作用下,在减少结构侧移的同时消耗大量的地震能量从而使地震对主结构的反应大大降低。

按耗能支撑装置的耗能形式,耗能支撑可分为钢材屈服型支撑、摩擦型耗能支撑、铅阻尼耗能支撑、粘弹性耗能支撑、复线交汇于一点。

2.3框架结构剪力墙支撑结构系统体系支撑钢力墙框架-结构剪力墙框架结构系统体系框架是在采用原有的钢框架结构基础上,为了有效增加建筑结构的整体侧向拉动刚度,防止结构侧向刚度位移过大,按照结构整体侧向刚度均匀的设计原则,设立一个剪力墙框架来起到抵抗横向水平墙体荷载的拉动作用。

该支撑体系主要是以高层楼梯间或其它适当支撑部位(例例如30公分户内外墙)基础采用钢筋现浇基层钢筋混凝土框架剪力墙,作为主体结构主要支撑抗压的侧力支撑体系,框架支撑部分主要用于承担外墙竖向剪力荷载。

常用的横梁剪力墙规格体系主要有:接缝钢板横梁剪力墙、内藏接缝钢板横梁支撑立柱剪力墙和钢筋带横梁竖向接缝钢筋混凝土支撑剪力墙等。

框架—利用中心结构支撑整体结构的主要优点:框架具有并拥有较大的水平侧向内力刚度,构造相对简单,能有效减小整体结构的内部水平侧向位移,改善整体结构的侧向内力平衡分布。

缺点:水平面的地震带在荷载力的作用下,中心抗侧支撑容易松动产生严重屈曲,造成其中心受压时的承载力和中心抗侧移动刚度力的急剧下降,直接严重影响地震结构的自身整体抗震性能,因此,在水平地震区域的应用时设计应当慎重。

2.4交错架结构体系又称交错架分析架的钢结构体系是在高层钢构的框架结构上不断演变而来的它是可广泛用于设计高层建筑钢结构主体建筑的一种整体结构设计方案。

其基本建筑结构主要组成部分是方形柱子、平面玻璃钢布架和二层楼面板。

柱子沿每层房屋主体周边分层布置,中间一层无柱,且柱子架在房屋相邻两层柱子上为上下层柱子交错排列布置,楼板柱的一端分别搁置于架在布架的两个上弦,另一边两端则分别搁置在采用相邻柱子布架的两个下弦。

2.5简体字的结构框架体系：
2.5.1简体字的结构框架体系栏目简介简体框架结构体系是由若干纵横交错的整体框架,抗斜的剪架和布架所组合围成的半精简状态半封闭整体结构。

在高层建筑物外围由密柱,深梁结构组成的双层封闭式建筑简体通过利用悬臂梁的作用结构来有效抵抗侧向柱的荷载,内部每个柱子或主体核心只需要承受一个竖向柱的荷载。

简体圆形结构主要类型有框简圆形结构等繁体系、架简体圆形结构、简中筒圆形结构、束筒圆形结构等简体系等。

它们都具有共同的主要优点囤:内外
壁结简均可直接形成具有较强大的抗弯性和刚度,共同用于承受具有水平粘结力的非工作复合型时的耗能耗力支撑和承受无弹性粘结力的耗能耗力支撑。

等效作用,可达到形成两道整体抗震冲击防线的运动效果;由于这种简体力学结构的均匀对称性,使得这种结构运动体系中具有均匀对称的整体抗侧倾覆刚度和可承抗较大扭转的刚度,能有效抵御任何一个方向较大的整体倾覆运动力矩和较大扭转运动力矩。

有较好的抗伸延性,抗震腐蚀性能很好。

然而在框筒主体结构中,由于横梁存在一个框架柱与横梁的横向剪切滞后变形,使得该框架柱的实际轴向内力强度呈非线性方向分布,这种横向剪力剪切滞后效应就会使得整个房屋的角柱体需要同时承受比房屋中柱更大的轴向压力,并且框筒结构的侧向剪切挠度也会呈明显的横向剪切滞后变形。

剪力墙的滞后效应对简体的系统效能表现有很大的直接影响。

此外因其内筒和水平面板的尺寸较小,抗侧压的刚度不大,不宜广泛用于台风强震大的地区。

在小型束筒门窗结构设计体系中,存在着大量的小型交叉连接节点,构造比较复杂,而且它在开窗时需要容易受到侧斜杆的受力影响等一些缺陷。

2.5.2 混合结构体系简介钢结构用于简体结构一般都是与混凝土组合在一起的,即可称为混合结构体系。

混合结构支撑体系一般都指的是由外管内框架和钢管核心筒共同支撑组成的整体抗压和侧力支撑体系,主要产品包括大型钢管外框架一心筒钢筋混凝土框架核心筒混合结构支撑体系、钢管钢筋混凝土混合结构支撑体系、型钢钢筋混凝土混合结构支撑体系等。

总的来说,混合结构建筑体系与普通墙体钢筋混凝土体系相比,它们具有以下几个主要优点:①混合构件整体尺寸小,占地面积小,净高大;②混合结构自重轻,降低建筑基础工程造价;③结构施工运行速度快;④结构抗震抗蚀性能好;⑤抗火防腐性能好。

下面对几种常见的混合结构体系分别进行介绍。

2.5.2.1钢框架一钢筋混凝土核心筒混合结构体系。

钢外筒框架一体系钢筋混凝土结构核心筒混合结构一该体系就是指刚外筒框架与其他核心筒框架组成的共同能够抵抗各种重力和不同侧向的应力的大型高层建筑混合结构。

在体系以,该结构体系的外筒框架主要分别承受横和竖向力的荷载,侧向力的荷载则主要由内筒框架承担。

外围的钢框架在自身平面内一般为刚接框架,有时从经济性和易施工性考虑也可为较接,但柱子必须是贯通的。

连接外框架与核心筒的钢梁,大部分情况下与核心筒较接而与刚框架刚接,也有极少数采用两段较接的实例。

2.5.2.2钢管混凝土混合结构体系框架一剪力墙结构体系的优点:①结构自重非常轻,可减小地震作用,同时降低基础费用;能提供较大的使用空间;田田侧向刚度较大,易于保证整体框架刚度及结构稳定性;另一钢板框架剪力墙本身只可以承受一个水平刚度力位移作用,竖向刚度力位移作用完全由框架周边的钢板框架柱用来承担,完全符合第一道框架抗震支撑防线和降低轴距抗压性价比的框架抗震支撑设计技术要求,是非常理想的框架抗震和侧力支撑构件;
5钢板屈曲剪力墙框架屈曲后具有屈服(薄板)或厚板屈服后具有屈曲(厚板)还原功能可以继续进行承受荷其它的优点主要体现有:①完全满足我国建筑上大跨度开间的设计要求,便于根据建筑上大平面自由进行布置;②桁架结构上自由采用了大小柱的间距和短柱横跨框架楼板,使框架楼板隔层厚度大大减小,能有效减轻框架结构自重;③腹杆结构可自由采用美国斜杆结构体系和德国华伦氏德真
空腹架结构体系相互的结合,便于自由设置框架走廊;④裕架框板隔层自由布置且主要特点受制于轴力,有利于有效缩小钢板框架柱体的断面;⑤钢板框架隔层横向位移刚度大,侧向刚度位移容易得到满足;⑤框架用钢量相对较低,较直观经济。

其它的优点主要体现在于:①外轧型钢管对内部墙体混凝土构件产生一定的流动约束抗压作用,所以其外钢管对于混凝土内部构件的的抗压性和强度高;②由于轧管钢材的耐热塑性稳定性能较好,所以钢管混凝土构件延性较大;③浇灌混凝土时不需要模板。

然而钢管在混凝土外围,其抗火防腐性能较差,需要一定的抗火防腐悲施。

2.5.2.3型钢钢筋混凝土混合结构技术体系。

型钢钢筋混凝土混合结构受力体系钢筋是由各种型钢钢筋混凝土主体框架与钢筋混凝土框架核心筒或大型钢筋混凝土框架剪力墙共同连接组成的综合受力结构体系,这种建筑体系结构是目前我国高层建筑总体中应用最多的混合结构建筑体系。

①在大型钢筋混凝土混合构件中通过增加少量型钢,可在一定很大程度上有效改善大型钢筋混凝土的可伸延性;
②由于加强型钢混合骨架的受力作用,混合结构间与构件间的承载力和墙体变形适应能力均明显地要高于相同温度条件下的普通大型钢结构混合构件;③由于型钢钢筋混凝土混合构件滞留的回环较为饱满,抗震腐蚀性能好,构件间的延性性能得到很大提高;④由于型钢钢筋混凝土构件中的大型钢材在钢筋混凝土中以碱性性质为主的高温环境下对其抗压和腐蚀性较好,并且由于型钢混凝土的防腐保护性和抗火蚀的性能也因此有了很大的大幅提高。

可以算是说在各种混合结构生产体系中,型钢钢筋混凝土混合结构已具有较好的生产使用发展前景。

2.6巨型结构组合建筑结构组成体系巨型建筑结构组合体系建筑是一种新型的超高层结构建筑大型结构组合体系,是由大型组合构件(巨型钢钢梁、巨型柱和巨型塔等支撑)综合组成的一种主组合结构和由由常规大型构件综合组成的次组合结构共同发挥作用从而使其获得较大移动灵活性和较高承载力的一种新型结构组合体系。

巨型结构体系主要由巨型构件组成的巨型框架结构和巨型支撑布架结构等主要结构形式。

其他结构形式如悬挂结构体系、多重组合结构体系等也可以看作是巨型结构的特例制。

其结构优点主要及其有巨型柱体结构主要有其优点具体有:①巨型柱体结构承重传力明确,矩形柱可以作为主要建筑抗震的侧力传动体系和主要承重传力体系,次巨型结构只主要起到了辅助设计和建筑大震下降的耗能补偿作用;②能够满足建筑功能多变的要求;③巨型结构整体框架结构建筑空间巨型整体结构支撑大梁性能良好,结构的两个支撑大梁之间可以直接作为刚臂,使得整个巨型整体结构建筑空间整体具有较好的整体性;④可将巨型结构采用多种形式及不同类型结构性的材料进行组合并可进行多种施工过程组合;⑤巨型结构材料施工过程完成后且速度快;节约材料,降低造价; Z可以较好的实现结构抗震的多道防线思想。

3.总结：多年来高层建筑钢结构产品具有很多新的优点,适用于很多不同功能的高层建筑主体结构,且制造技术也相较比价成熟,值得国家大力发展。

多层大型钢结构支撑体系以纯钢钢框架、框架结构支撑体系种类为主;而中高层及超高层大型钢结构框架结构支撑体系种类较多,较为复杂。

在我国钢结构行业飞速发展的今天,新型的建筑钢结构选型体系不断涌现,这就必然要求我们不断去研究发现
和不断改善每一种新钢结构的不同优缺点以及它的适合使用区域范围,为新型建筑用钢结构进行选型奠定基础。

各种体系随着高度的变化、荷载的特点及建筑要求都有各自的优缺点,需要设计人员熟知并合理运用。

钢管钢筋混凝土混合结构物的体系通常是广泛指由一个钢管钢筋混凝土柱与一个钢筋混凝土柱与一个钢筋混凝土柱的核心筒连接组成混合结构物的体系。

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