多高层钢结构各种结构体系的优点与不足研究

多高层钢结构各种结构体系的优点与不足研究

发表时间：2019-06-10T11:43:29.827Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年3期作者：徐伟杰

[导读] 钢结构具备较强的韧性与塑性，重量轻且强度高，材料均匀可以加快施工速度，缩短工程周期，因此被广泛应用至多高层建筑中。红河州晟雄建筑设计有限公司 661600

摘要：钢结构具备较强的韧性与塑性，重量轻且强度高，材料均匀可以加快施工速度，缩短工程周期，因此被广泛应用至多高层建筑中。本文据此分析了多高层钢结构的体系，分析了各种结构的优缺点及适用范围，以期为工程结构体系的选择工作提供一定的参考依据，提升钢结构的施工质量水准。

关键词：多高层；钢结构；结构体系；优点；不足

前言

多高层钢结构自身具备较高的延伸性与抗震性，材料强度大，可以满足大跨度、大空间的多高层建筑。同时，钢结构也符合可持续发展的理念，属于超高层建筑及地震区高层建筑的有效建筑结构。随着城市建设水平的提升，高层建筑的需求量不断增多，传统的钢结构体系已经无法满足现代超高层建筑的实际需求，新的钢结构体系不断出现。一般分为框架结构体系、框架-支撑结构体系、筒体结构体系以及巨型结构体系几种，且每种结构体系均具备自身的特征与优缺点，本文便详细分析。

1.钢-混凝土组合梁结构

相较混凝土梁结构，钢-混凝土组合梁具备以下优势，自身的重量更轻，构件尺寸更小，可以减小地震作用，降低基础造价，具备较高的综合效益水平。且钢-混凝土组合梁结构施工流程简单，周期较短，无需搭脚手架与支模，且预埋件的数量较少，整体性较强，抗震性能也高。相较钢梁，钢-混凝土组合梁的承载力更大，刚度明显提升，整体的稳定性更高，且耐久性强，上翼缘被混凝土覆盖，减少了防腐面积。除此之外，钢-混凝土组合梁也具备较高的延伸性，当处于极限承载力状态时，钢梁下翼缘部分腹板进入强化阶段，截面距离混凝土应力合力点距离较远，增大了强化效应，提高了弯曲极限强度，实测弯曲极限强度与理论计算机吻合较好。

但此种钢结构也具备一定缺点，受混凝土开裂因素的影响，设计人员无法准确计算组合梁的内力与变形，且正弯矩区的刚度类似于简支梁，在计算负弯矩区刚度时仅考虑钢筋与钢梁的组合截面，无法确定正、负弯矩区的长度，增大了弹性分析难度。

2.钢-压型钢板混凝土结构

钢-压型钢板混凝土主要连接连接剪力连接杆与钢梁，形成整体共同受力的新型组合楼板，其可以充分利用钢材的抗压与抗拉性能，具备较强的抗震性能与塑性，施工流程简单。且压型钢板可以作为永久性模板，避免了支模、拆模等工序，在降低施工成本的基础上加快了施工速度。且压型钢板属于钢梁的连续侧向支承，可以增大钢梁的整体稳定性，增加施工作业面。除此之外，压型钢板凹槽可以安放电线、通风管道等，且闭口型压型钢板组合板可以不焊接吊钩。

但其也存在一定缺点，钢材的施工成本较高，组合板的刚度与强度有限，因此施工时需要临时垂直支撑，以减少组合楼板的跨度。同时，其施工阶段的灵活性较低，施工人员需要高空站在钢梁上一片一片的铺设作业，存在较大的危险性。且钢-压型钢板存在多种结构，灵活适应性较差，不适用于钢筋混凝土结构与砖石结构的施工。

3.框架-支撑结构

3.1结构特征

框架-支撑结构主要指的是在框架纵横两个方向布置一定数量的支撑形成，且框架的布置原则与柱网尺寸类似于框架结构，沿着结构周围布置支撑，确保纵横交错的支撑连接，形成支撑芯筒。

3.2结构优缺点

框架-支撑结构具备框架结构的优势，抗侧力刚度明显高于框架结构，在发生地震时可以形成两道抗震防线，明显提高了结构的抗震性能。同时，当建筑物层数较多时，可以每隔若干层布置一层加劲桁架，结合外圈框架与内部支撑连接为弯曲构件，以共同抵御水平荷载引起的力矩，在提升框架-支撑体系适用高度的基础上，增强建筑物整体的抗侧力刚度。且框架-支撑可以与钢筋混凝土剪力墙混合使用，结合建筑实际功能灵活布置剪力墙，以平分水平剪力，提高结构的抗侧力刚度，减少层间位移。因此在地震区域且层数较高的建筑物中可以使用此结构体系，以获得较大开间。

框架-支撑结构也存在一定缺点，其受力较为复杂，施工难度较大，用钢量较大。且支撑与建筑立面处理以及门窗布置存在较大冲突，在长期外力的影响下会导致支撑构件的损坏，地震发生时极易发生变形问题，导致整个建筑物发生较大变形。除此之外，框架-支撑剪力墙结构与钢筋混凝土剪力墙连接困难，地震时应力较为集中，以致墙体很容易发生较大裂缝，发生脆性破坏。由此看出，框架-支撑的抗侧力刚度较小，不能使用于超高层建筑中，一般适用于40至60层的高层钢结构建筑。

4.筒体结构

4.1结构特征

筒体结构属于封闭结构，由若干纵横交错的框架以及抗剪桁架组成。在建筑外围，筒体结构利用悬臂作用抵抗侧向载荷，内部柱子则只承受竖向载荷。筒体结构通过有效连接内外设置的几个筒体，形成共同作用的骨架，且一般利用垂直管道及运输管道作为核心内筒结构，与外层楼板梁板相连为一个可以共同受力的空间筒状骨架。束筒结构并列连接几个筒体，以外框筒为基础结构，内部增设密柱梁组成的腹板框架。

4.2结构的优缺点

筒体结构具备较大的优势，刚度较大且抗侧能力强，可以形成较大的使用空间，满足大空间建筑物要求，自身性能良好，因此被广泛应用至超高层建筑物中。筒体结构在高层结构中受力较好，内外筒可以形成较强的抗弯刚度，以共同抵抗水平力作用，具备两道抗震防线。且筒体自身对称，结构体系具备均匀对称的抗扭刚度与抗侧刚度，可以有效抵御方向较大的倾覆力矩与扭转力矩，抗震性能较强。桁架筒体结构采用了筒中筒的结构，改善了自身剪力滞后问题。且刚度较大的筒体结构组成束筒结构，各个筒体可以终止于不同的高度，为建筑物搭建稳定的塔形结构，在确保外观独特性的基础上，增强超高层建筑结构的稳定性与复杂性。

但框架筒结构也存在一定缺点，框架横梁容易剪切变形，以致框架柱呈非线性分布，剪力滞后效应需要中柱承受更大的轴力，侧向挠度会发生明显的剪切变形问题。除此之外，框筒结构中内筒平面尺寸较小，抗侧刚度较小，因此被广泛应用至强震地区。且束筒结构中存在大量的交叉节点，构造复杂，开窗会受到斜杆的影响。

5.巨型结构

5.1结构特征

巨型结构主要按照一定比例放大框架结构体系得到，不同于一般框架杆件实腹截面，巨型结构采用立体构件，以巨型框架为主体，期间设置普通的小型框架。巨型结构需要在房屋的四角布置梁柱，一般多于四根。在其与柱沿房屋周边布置角柱，一般间隔12至15个楼层布置一个柱梁，I间楼层承受重力荷载小于小框架。

5.2结构的优缺点

巨型柱本身的抗扭刚度与抗侧刚度较大，在建筑四角与周边沿着巨型结构体系布置巨型柱，增强整个结构的抗扭刚度与抗侧刚度，使建筑具备更大的力臂，以有效抵御较大的水平与扭转载荷，因此巨型结构一般适用于特大型且超高层的建筑物中。巨型框架具备良好的建筑适应性，可以通过布置次框架形成较大的灵活空间，利用多层房间满足大开间的建筑功能需求。同时，还可以在巨型框架下部若干层高度范围内设置大空间的展览厅、多功能厅以及无柱中庭等。巨型结构可以组合不同结构形式与不同材料类型，确保了建筑的多功能化，也使建筑具备一定的特殊功能。巨型建筑结构具备较快的施工速度，一般先进行主框架的施工，之后同时施工各个工作面的次框架，具备较快的施工速度。

但巨型结构与具备一定缺点，一方面其结构复杂，设计方面存在较大难度，且当前并未形成针对巨型结构的抗震设计，还有待进一步研究。另一方面，巨型结构不利于消防工作，会导致外表玻璃幕墙光污染问题，无法正常保证房间的日晒，甚至还会干扰电视信号的接收。

结束语

多高层钢结构符合现代产业化的基本要求，施工技术比较成熟，且具备多种优点，值得进行进一步的推广与使用。高层钢结构体系复杂，随着高度的变化，其荷载及建筑要求也具备各自优缺点，因此企业在施工期间应合理选择钢结构体系，提升建筑效果。