高层钢结构设计实例分析(2020.3.2)

六、钢结构位移限值
• 多遇地震：1/250; • 罕遇地震：1/50。 • 风荷载：1/250。
七、框架——支撑体系
• 由于框架结构的适用高度较小，高层钢 结构一般采用框架—支撑体系。实例分 析主要以各类支撑为主要对象。
1、《抗规》关于支撑的规定
• 《抗规》8.1.6条对支撑框架有以下几个规定： • 1）支撑框架在两个方向的布置宜均匀对称，支撑框架
简化计算方法
• 等效支撑的截面积Ab
KH
Ab E sin sin 2
• 等效支撑屈服应力fy’
fy'
sin 2 sin 2
fy
• 等效支撑的屈服承载力
Qyb
Qyb

Qyw
2 cos
顶梁
柱 支撑
支撑

底梁
2、抗侧力构件汇总
• 中心支撑—受力直接、刚度大；不能受 压。
• 偏心支撑—刚度小，弹性时作用很小； 在中震、大震时耗能；宜与中心支撑组 合使用。
• 支撑中心交汇于梁柱节点 • 支撑中心偏心，柱附加弯矩 • M=Ncsinα×e（偏心矩）
• 4）偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连 接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内与另一支 撑与梁的交点之间形成耗能梁段。
耗能梁
偏心支撑
• 《抗规》8.2.2条第2款：当偏心支撑框架部分承担的地 震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻 尼比可相应增加0.005。
一、前言
钢结构是一种质量较轻、刚度较大的结构体 系。 多遇地震作用下，地震力与质量有近似的 线性关系，即质量越大，地震力越大。因此，在 满足相同刚度的条件下，钢结构的地震力一般小 于钢筋混凝土结构。最为重要的是钢结构的延性 远远优于钢筋混凝土结构，具有优越的防倒塌能 力。 因此，在地震作用较大或地震作用为结构控制 工况时，钢结构应该成为结构选型考虑的主要型 式之一。
JGJ99-98（新标准JGJ99-2010正在报批）
四、高层建筑钢结构的适用高度
• 《抗规》表8.1.1
结构类型 框架
6、7度 7度
8度
（0.10g） （0.15g）0.20g
0.30g
110
90
90
70
9度 （0.40g）
50
框架—中心支 220
200
180
150
120
撑
框架—偏心支 240
220
6）钢板剪力墙
• 津塔钢板墙
国外某工程钢板墙应用
钢板墙特点
• 容易满足建筑功能（墙厚较薄）； • 刚度较大； • 需要采取措施防止平面外屈曲；
Load (kN)
35
25
15
5
-35
-25
-15
-5 -5
5
-15
-25
-35
Displacement (mm)
15
25
35
外包砼的钢板墙
含加劲肋的钢板墙
240
撑
框架—偏心支 240
220 200 180 160
260
撑（延性墙板）
筒体和巨型框 300
280 260 240 180
360
架
五、《抗规》和新版《高钢规》 引入抗震等级的概念
• 《抗规》表8.1.3
房屋高度
烈度
6
7
8
9
≤50m
四
三
二
＞50m
四
三
二
一
• 与砼结构相似的“强柱弱梁、强剪弱弯、 强节点弱构件”的延性要求。
结构抗震加固设计中的优势。最后研究结果表明，使用屈曲约束支撑加固后可有效增加结构阻尼及延性，地震作用下结构抗震性能较好地满足规范要求，实现提高震性能 等级的目标。
1、屈曲约束支撑
屈曲约束支撑主要由：钢套管、表面无粘结材料的可屈服钢芯、填充材料三分部组成。利用套筒为支撑芯材提供约束，可避免支撑在受压时发生屈曲，从而在地震作用下 具有饱满稳定的滞回耗能能力。屈曲支撑具有结构延性好、滞回性能好、承载力高等有点，相同刚度下承载力较普通支撑提高2-10倍。 2、既有项目加固分析对比 2.1工程概况 本工程为7层(局部4层)工业建筑,房屋高度旦超过规范要求场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为回0.45s。原结构抗震设防烈度为7度(0.15g),抗震等级为二级。现将抗震设防烈度 提高至8度(0.2g),抗震等级提高至一级,经复核验算后发现该结构在新设防烈度下大部分梁柱构件抗震承载力不足,且箍筋间距、配箍率等抗震构造措施不满足规范要求,故需 对该结构进行加固处理。
加固时传统方案一般采用增大截面、隔震、设置钢支撑等方法。本工程不涉及基础加固,生产设备已安装到位,隔震方法不再适合。传统钢支撑为刚性拉压杆件,计算需要的 截面较大,设置数量较多,将传统钢支撑改为约束屈曲支撑,同时选择传统加固方案中具有代表性的增大截面法作为对比。 2.2传统加固方式 2.2.1模型 通过增加梁柱截面的方法进行抗震加固,因建筑物内有工业设备,部分梁柱截面无法改变,其余梁柱均增大截面尺寸,计算模型如图1所示
标准层结构平面图
• 普通支撑轴向承载力设计值
Af Nb 1 0.35n
• 屈曲约束支撑轴向承载力设计值
Nb Af
原理
很大的不 平衡力
• 普通支撑
• 屈曲约束支撑
屈曲约束支撑的检验
• 《抗规》条文说明，P388第1， 2条有具体规定：“试验时，依 次在1/300,1/200,1/150,1/100支撑 长度的拉伸和压缩往复各三次变 形。试验得到的滞回曲线应稳定、 饱满，具有正的增量刚度，且最 后一级变形第3次循环的承载力 不低于历经最大承载力的85%， 历经最大承载力不高于屈曲约束 支撑极限承载力设计值的1.1 倍。”
• 在现有的工程应用实例中，结构高度从 100米至330米。反应出钢结构抗侧刚度 的局限性。（这里不讨论混合结构）
• 抗侧力构件的型式
• 抗侧力的构件主要有：钢支撑，钢板墙， 边框柱和钢板组成的筒体。
三、高层钢结构的规范依据
• 1、《钢结构设计规范》GB50017-2003 • 2、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 • 3、《高层民用建筑钢结构技术规程》
高层钢结构设计实例分析
广州容柏生建筑结构设计事务所 RBS RBS Structure Engineering Design Associates
魏捷 2011年5月
蓝科减震：www.lankebrb.com
前言：除了将减震技术中的屈曲约束支撑技术应用到新建的建筑外，在既有房屋加固改造中也得到了很好的利用。与传统加固方法进行对比，我们来探讨屈曲约束支撑在
200
180
160
撑（延性墙板）
筒体和巨型框 300
280
260
240
180
架
• 表内的筒体不包括混凝土筒。
新版《高钢规》表4.1.2
结构类型 框架
6、7度 7度
8度
9度
非抗震
（0.10g）（0.15g）
（0.40g）设防
0.20g 0.30g
110
90
90 70
50
110
框架—中心支 220
200 180 150 120
• 屈曲约束支撑—受力直接、刚度大，受 拉、受压均可；造价较高。
• 钢板墙—受力直接、刚度大；必须有防 屈曲措施。
Hale Waihona Puke Baidu要提示
• 所有抗侧力构件均应在安装 阶段消除自重传来的内力！ 以避免构件过早屈曲。
八、工程实例介绍 广州合景大厦
特点： 38层办公楼 高度178米 钢管砼—钢支撑组合结构 最大钢管D1300X35 钢管中砼标号C80 用钢量104kg/m2 结构结算造价1280元/m2
二、 国内近年钢结构的工程实例
北京银泰大厦。 高度250米，50层。 钢框架——筒体结构 （筒体为内嵌钢板墙）
• 天津津塔
• 高度333米，83层
• 钢框架——筒体 （钢板墙）体系
• 广州合景大厦 • 钢框架——支撑体
系
• 40层，180米。
• 厦门洪文世界山 庄二期
• 48层，188米
• 钢框架——支撑 （含钢板墙）体 系
之间楼盖的长宽比不宜大于3。（砼结构：6，7度是6； 8，9度是5。）
• 2）三、四级且高度不大于50米的钢结构宜采用中心支 撑，也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。
• 交叉支撑
• 单斜支撑 • 人字支撑
• 3）中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用 人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑； 支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，偏 离交点时的偏心距不应超过支撑杆件宽度，并 应计入由此产生的附加弯矩。当中心支撑采用 只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾 斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆 的截面面积在水平方向的投影面积之差不应大 于10%。
• 屈曲约束支撑的主要特点是 通过外加套筒，约束支撑不 发生屈曲，且保护梁柱构件 不破坏，支撑刚度和强度完 全发挥。其芯板钢材类型为 低屈服点钢材（屈服强度 100MPa，225Mpa），普通 低碳钢（SLY100， SLY225）。
屈曲约束支撑和普通支撑的对比
• 承载力高 （相同刚度下，承载能力比普 通支撑提高2-10倍）
• 实践中，偏心支撑的刚度较小，在弹性阶段很难满足 此条。因此，如果需要偏心支撑具有耗能特性，性能 目标中，必须使其在中震下达到耗能段屈服。（中震 计算需要弹性板假定）
• 5）采用屈曲约束支撑时，宜采用人字支 撑、成对布置的单斜杆支撑等形式，不 应采用K型或X形，支撑与柱堵塞夹角宜 在35°~55°之间。屈曲约束支撑受压时， 其设计参数、性能检验和作为一种消能 部件的计算方法可按相关要求设计。