建筑结构选型框架结构.doc

结构选型 框架结构 题 目 学生姓名 学 号 指导教师 李素贞 学 院 土木工程学院 完成时间 2011年12月 第一部分 高层建筑结构概述一、高层建筑的定义超过一定层数或高度的建筑将成为高层建筑。高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一，且多无绝对、严格的标准。（1）我国对高层定义在我国，8 层以上的建筑都被称为高层建筑，而目前，接近 20 层的称为中高层，30层左右接近100m称为高层建筑，而50层左右200m以上称为超高层。在高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ32002）里规定：10层及10层以上或高度超过 28m 的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑高度超过 100m 时，称为超高层建筑。我国的房屋一般 7 层以上就需要设置电梯，对10层以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火规范，因此我国的民用建筑设计通则（GB 503522005）、高层民用建筑设计防火规范（GB 50045-95）将10层及10层以上的住宅建筑和高度超过 24m的公共建筑和综合性建筑划称为高层建筑。（2）国外对高层定义美国规定高度24.6m或7层以上为高层建筑；比利时以入口路面以上25m高度作为高层建筑的起始点；法国提出居住建筑高50m以上，其他建筑高28m以上为高层建筑；而英国把高24.3m以上定为高层建筑；日本把11层以上或建筑高度超过31m的建筑称为高层建筑。高层建筑发展到今天已超过一个世纪。1884 年，美国芝加哥建造了第一座 10 层的建筑，被认为是现代高层建筑的开端。二、高层建筑的分类为了使高层建筑有一个较为统一的概念，在1972年美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上，专门讨论并提出高层建筑的分类和定义。提出了划分高层建筑的标准，一共分为 4 类：第一类高层建筑 916 层（最高 50 米）第二类高层建筑 1725 层（最高 75 米）第三类高层建筑 2640 层（最高 100 米）第四类高层建筑 40 层以上（100 米以上）这一标准除了确定层数外，还限定了楼层高度，因为建筑的层数和高度并不一致，每层的高度从 2.5米5米甚至更高都有可能。马来西亚石油公司的双塔大厦高度是452米，超过过去世界最高建筑美国芝加哥的西尔斯大厦443米的高度，但前者是 88层，后者却有 110 层，相差 22 层之多。三、高层建筑结构体系高层建筑的结构体系包括两个方面：竖向结构体系和水平结构体系。对于高层建筑来说，侧向力（如水平风荷载和水平地震作用）对结构内力及变形的影响较大，因此，竖向结构体系不但要承受与传递竖向荷载，还要抵抗侧向力的作用，故竖向结构也称为抗侧力体系。常用的钢筋混凝土高层建筑竖向结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。水平结构即平常所说的楼盖及屋盖结构，在高层建筑中楼（屋）盖结构除了承受与传递楼（屋）面竖向荷载外，还要协调各榀抗侧力体系的变形与位移，对结构的空间整体刚度的发挥和抗震性能有直接的影响。有些高层建筑的布置要求有很大的灵活性，例如可以在各种基本结构形式的基础上进行灵活的组合和布置。随着社会经济的发展和建筑科学技术的发展，出现了几种比较典型的新的结构方案。如：悬挂式结构，巨型框架结构，竖向桁架结构，核心筒加复合巨型柱结构。四、高层建筑的发展高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有 100 余年的历史。18 世纪末至 19 世纪末，城市化发展迅速，城市人口高速增长。为了在较小的土地范围内建造更多的使用面积，建筑物不得不向高空发展。19世纪末，高层建筑开始在比较发达的美、英等国出现。一般认为，世界上第一座近代高层建筑是1883年在美国芝加哥建成的铸铁框架承重的家庭保险大楼（Home Insurance Building）。20世纪初，随着钢结构设计技术的发展和电梯的发明，高层建筑得到迅速的发展，而且层数逐步增加，如著名的帝国大厦(102层，高381m)就是在这一时期建造的。第二次世界大战结束后，世界经济逐渐恢复，建筑业得以复苏，并得到前所未有的大发展，首先是在美国，高层建筑象雨后春笋般涌现，并向超高层建筑发展。超高层建筑一般泛指高度在200m 、层数在 50 层以上的建筑。1972 年，纽约建成了世界贸易中心北楼，110 层，高 417m。1974 年，芝加哥建成了110 层的西尔斯塔楼，高 443m。随后欧洲、亚洲、澳洲以及其它地方也相继建造了许多高层和超高层建筑，如在马来西亚吉隆坡建成的双塔，高达450m。当前828m高的哈利法塔（迪拜塔）成为世界新高度。我国现代高层建筑起源于20世纪初的上海。尽管上海高层建筑发展起步比国际上先进国家较晚,但是由于上海土地资源一直比较稀缺，发展高层建筑的需求极为迫切，因此高层建筑的发展非常迅速。1934年国际饭店(高 82.5m，24 层)落成，成为亚洲第一高楼。20世纪50年代我国开始自行设计建造高层建筑，如北京的民族饭店(14 层)、民航大楼(16 层)等。1968年广州宾馆建成，主楼27 层，高 86.51m；1976年广州白云宾馆建成，主楼 33层，高115m，标志着我国自行设计建造的高层建筑高度开始突破 100m，进入超高层建筑发展阶段。20世纪80年代我国高层建筑发展进入兴盛时期。1985年建成深圳国际贸易中心(50层、160m高)。1990年建成的北京京广中心(57层、208m高)是我国大陆首栋突破200m高度的超高层建筑。1996年深圳地王大厦(81层、325m 高) 和广州中天广场(现中信广场，80 层、322m 高)相继建成和封顶。1998年88层、420.5m高的上海金茂大厦的建成使我国超高层建筑施工技术跨入世界先进行列。2008年竣工的上海环球金融中心，楼高492米，地上101层，地下3层。2004年建成的台北101大楼，共101层，楼高1671英尺(509米)。在建的上海中心设计主楼共有127层，总高为632米，结构高度为565.6米。第二部分 框架结构一、框架结构的形式与基本组成框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构（如图2-1所示），即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用框架结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用，一般用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、空心砖或多孔砖、浮石、蛭石、陶粒等轻质板材等材料砌筑或装配而成。框架是由梁、柱、基础三种基本构件形成的承重结构。框架与框架之间由连系梁及楼面结构联成整体。图2-1 框架结构二、框架结构的分类1.按框架构件组成分类1）梁板式结构：是由梁、板、柱三种基本构件组成，广泛用于多层及高层房屋建筑上。2 ）无梁式结构：是由板和柱子组成实质是种无梁楼盖结构。从结构选型的角度来说，无梁楼盖本不是骨架体系，但由于起内力分析类似框架结构，从结构的受力角度看，它也是框架结构的一种，广泛用于冷藏库，仓库等建筑物。2.按施工方法分类1）现浇式框架：全部现场浇注，故其整体性好，抗震性能好。但是现场施工的工作量大，工期长。2）装配式框架：是指梁、柱、楼板均为预制，然后通过焊接拼装连接成整体的框架结构。可实现标准化、工厂化、机械化生产。现场施工速度快，但现场的运输和吊装工作量大且整体性差，抗震能力弱，不宜在震区使用。3） 装配式整体框架：指梁、柱、楼板均为预制，吊装就位后，焊接后绑扎节点区钢筋，通过浇捣混凝土，形成框架节点并使各构件连成整体的框架结构。这种结构既具有良好的整体性和抗震性能，又采用预制构件，兼具前两种形式的优点。3.按承重结构分类1）全框架：房屋的（屋）面荷载全部由框架承担，外墙仅起维护作用。具有良好的整体性和抗震性。2）内框架：内部由梁柱组成的框架承重，外围由砖墙承重，楼（屋）面荷载由框架和砖墙共同承担。这种房屋由于钢筋混凝土与砖两种材料的弹性模量不同，两者刚度不协调，房屋的整体性和总体刚度都比较差。三、框架结构布置1承重框架的布置1）横向框架承重方案在横向布置主梁、纵向布置次梁或联系梁 有利于提高结构的横向抗侧刚度 梁或联系梁。有利于提高结构的横向抗侧刚度。2）纵向框架承重方案 在纵向布置主梁、横向布置次梁或联系梁。可获得较高的室内净高，还可调整该方向的不均匀沉降。3）混合框架承重方案 在纵横两个方向均布置主梁；楼面荷载较大、楼面有开洞或柱网布置成方形时常采用；整体工作性能好。2竖向布置竖向布置是指确定结构沿竖向的变化情况。在满足建筑功能要求的同时，应尽可能规则、简单。常见的结构沿竖向的变化有：沿竖向基本不变化，这是常用的且受力合理的形式。底层大空间，如底层为商场等。顶层大空间，如顶层为观光室、会议室等。其他。例如上部（逐层）收进、上部（逐层）挑出等。对竖向较规则的结构，结构布置主要是平面布置。当结构在竖向很不规则时，就应分层布置。为有利于结构受力，平面上，框架梁宜拉通、对直；在竖向，框架柱宜上下对中，梁柱轴线宜在同一竖向平面内。四、力学特点与力学分析1.变形特点框架变形由两部分组成：1）梁柱弯曲变形使框架结构产生侧移，一般情况下，梁、柱都有反弯点，侧移曲线表现为剪切型，下部层间变形大，上部变形小；2）柱的轴向变形也使框架结构产生侧移，为弯曲形，上部层间变形大。两侧移以前者为主，因而框架结构的侧移曲线表现为剪切型（如图2-2所示）。图2-2 框架的剪切型变形2.受力特点及力学分析 竖向荷载作用下，梁主要承受弯矩和剪力，轴力较小；立柱主要承受轴力和弯矩，剪力较小，受力合理。当房屋层数不多时，风荷载的影响一般较小，竖向荷载对结构起着控制作用。在竖向荷载作用下，框架由分层法（如图2-3所示）进行受力分析：图2-3 分层法示意图水平荷载作用下，框架表现出刚度小、水平侧移大的特点，水平侧移呈剪切型。房屋高度增加时，其受力特点的变化是由竖向荷载为主变为受侧向荷载为主。在水平荷载作用下，可以用反弯点法或者D值法进行受力分析。框架结构受力特点还在于“刚节点”。几何不变体系，刚节点对杆件的转动具有约束作用，因而承受竖向荷载时，刚架横梁的正弯矩得以减少。五、混凝土框架结构抗震构造措施梁的截面尺寸宜符合下列各项要求：（1）截面宽度不宜小于200mm；（2）截面高宽比不宜大于4；（3）净跨与截面高度之比不宜小于4。 当采用大于柱宽的扁梁时，楼板应现浇，梁小线宜与柱中线重合，扁梁应双向布置，且不宜用于一级框架结构。扁梁的截面尺寸应满足现行有关规范对挠度和裂缝宽度的规定： 梁的钢筋配置应符合下列各项要求：（1）粱端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%。且计入受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比，一级不应大于0.25.二、三级不应大于0.35。（2）梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。梁的纵向钢筋配置应符合下列各项要求：（1）沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于214，且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三、四级不应少于212；（2）一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。梁端加密区的箍筋肢距：一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm。柱的截面尺寸宜符合下列各项要求：（1）截面的宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于350mm。柱的钢筋配置应符合下列各项要求：（1）柱纵向钢筋的每一侧配筋率不应小于0.2%。2）二级框架柱的箍筋直径不小于10mm且箍筋肢距不大于200mm时，除柱根外最大间距应允许采用150mm；三级框架柱的截面尺寸不大于400mm时，箍筋最小直径应允许采用6mm；四级框架柱剪跨比不大于2时，箍筋直径不应小于8mm。3）框支柱和剪跨比不大于2的柱，箍筋间距不应大于100mm。 柱的纵向钢筋配置尚应符合下列各项要求：（1）宜对称配置。（2）截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm。（3）柱总配筋率不应大于5%。 （4）一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。（5）边柱、角柱及抗震墙端柱在地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25%。（6）柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。 柱的箍筋加密范围应按下列规定采用：（1）柱端，取截面高度（圆柱直径），柱净高的1/6和500mm三者的最大值。（2）底层柱，柱根不小于柱净高的1/3；当有刚性地面时，除柱端外尚应取刚性地面上下各500mm。（3）剪跨比不大于2的柱和因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱，取全高。 （4）框支柱，取全高。（5）一级及二级框架的角柱，取全高。 柱箍筋加密区箍筋肢距：一级不宜大于200mm，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm，至少每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束；采用拉筋复合箍时，拉筋宜紧靠纵向钢筋并钩住箍筋。 柱箍筋加密区的体积配箍率：普通箍指单个矩形箍和单个圆形箍；复合箍指由矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋；复合螺旋箍指由螺旋箍与矩形、多边形、圆形箍或拉筋组成的箍筋；连续复合矩形螺旋箍指全部螺旋箍为同一根钢筋加工而成的箍筋；剪跨比不大于2的柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，9度时不应小于1.5%；计算复合螺旋箍的体积配箍率时，其非螺旋箍的箍筋体积应乘以换算系数0.8。柱箍筋非加密区的体积配箍率：不宜小于加密区的50%；箍筋间距，一、二级框架柱不应大于10倍纵向钢筋直径，三、四级框架柱不应大于15倍纵向钢筋直径。 节点核芯区箍筋的最大间距和最小直径：一、二、三级框架节点核芯区配箍特征值分别不宜小于0.12、0.10和0.08且体积配箍率分别不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。柱剪跨比不大于2的框架节点核芯区配箍特征值不宜小于核心区上、下柱端的较大配箍特征值。六、适用范围及著名案例1.适用范围框架结构可设计成静定的三铰框架或超静定的双铰框架与无铰框架。混凝土框架结构广泛用于住宅、学校、办公楼，也有根据需要对混凝土梁或板施加预应力，以适用于较大的跨度；框架钢结构常用于大跨度的公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物中，如剧场、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机库、停车场、轻工业车间等。2.著名案例解析（1） 北京长城饭店北京长城饭店高18层，局部22层的现浇框架结构（见图2-4）。它是我国震区最高的框架结构，采用了延性设计方法，并采用轻钢龙骨石膏作隔断墙，外墙采用玻璃幕墙。图2-4 北京长城饭店（2） 同济大学综合楼同济综合楼（见图2-5）地上21层标准层，近100米高，每三层为一个L形体块，七个L形体块螺旋上升，每隔三层均设有设备夹层，共6个，结构布置时利用设备层做了加强环带。为了提供较好的抗扭刚度，在建筑物外围局部跨内布置了交叉支撑，并在支撑中设置了耗能阻尼器，该支撑的位置分布亦随L形的旋转分布而布置，类似于圆柱中的螺旋箍。 新颖独特的建筑形式、不断旋转上升的功能平面布局、设备夹层的设置，给该建筑的结构设计带来了很大挑战。结构的平面和竖向严重不规则，这对结构的抗震性能影响非常不利。为了改善该结构的抗震性能，采用钢管混凝土框架+外围粘滞阻尼耗能支撑的框撑结构体系。在建筑外围框架设置了56个粘滞阻尼支撑。随着建筑功能平面的旋转上升，粘滞阻尼支撑亦旋转设置，通过粘滞阻尼支承的耗能减震效应来提高结构抗震性能，尤其是结构的抗扭性能。 图2-5 同济综合楼七、框架结构优缺点及发展趋势1. 框架结构的优缺点 框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。 框架结构体系的缺点为：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破色数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑， 框架是由梁柱构成的杆系结构，其承载力和刚度都较低，特别是水平方向的（即使可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度，但也是有限的），它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，其总体水平位移上大下小，但相对于各楼层而言，层间变形上小下大，设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素，对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理，故一般适用于建造不超过15层的房屋。2. 发展新趋势1）巨型结构定义与分类由于普通框架结构在建造高层建筑时的力学性能并不理想，便限制了框架结构在高层中的利用和发展，巨型结构作为一种新型结构体系在高层建筑中受到越来越多的应用。巨型结构按主要受力体系形式可分为巨型桁架结构、巨型框架结构、巨型悬挂结构和巨型分离式结构；按材料可分为巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨混凝土结构、巨型钢一钢筋混凝土混合结构及巨型钢结构。 2）巨型桁架结构分类整幢结构用巨柱、巨梁和巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架，相邻立面的支撑交汇在角柱，形成巨型空间桁架结构。巨型桁架结构体系可分为三种类型：（1）大型交替支撑框筒型，是对框筒结构所做的一种改进，以大型斜支撑代窗裙梁传递剪力，达到减小剪力滞后效应的目的。（2）大型空间桁架型，此体系由大型立体支撑、少量竖向巨柱、外墙、平面内小立柱等及内部钢框架所组成。主要受力体系是支撑和竖向巨柱构成的空间桁架。（3）斜格桁架筒型，将大型支撑密布于结构外立面，可以有竖向的柱子，共同组成斜格桁架筒来抵抗水平荷载，具有剪力滞后效应弱的优点，施工较复杂。3）巨型桁架结构实例-香港中银大厦香港中银大厦（见图2-6）地上70层，楼高315米，加顶上两杆的高度共有367.4米。平面是一个正方形，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升。整座大楼采用由八片平面支撑和五根型钢混凝土柱所组成的混合结构“大型立体支撑体系”。图2-6 香港中银大厦4）巨型桁架结构优点（1）斜撑通过轴力传递大部分风荷载，同时也作为斜柱承受重力荷载，因而结构有巨大的抗推刚度。（2）主次结构体系使结构传力明确。主结构抵抗风荷载和自重荷载，次结构仅传递楼层荷载至主结构，因而可减小次结构（楼面结构） 的梁柱尺寸，给房间灵活布置提供方便。（3）由于主结构为轴力杆系，比弯曲杆系更能充分利用材料，因而能大幅降低造价，更为经济实用。（4）对支撑框筒结构而言，由于斜撑代替窗裙梁传递剪力，削弱剪力滞后效应，使结构对框架作用的要求大幅度降低，可以允许柱距比框筒结构更大。若为空间桁架结构，所有荷载均由少量竖向巨柱传递到基础，因而可获得最大的底层自由空间。八、参考文献1 方科升.框架结构抗震设计浅析J.城市建设理论研究,2012(5).2 贾大焕 鲍永健.钢支撑混凝土框架结构的减震改造分析J.产业与科技论坛，2012，3：77-79.3 惠卓，秦卫红，吕志涛.巨型建筑结构体系的研究与展望J.东南大学学报，2000，30(4).4 沈祖炎，陈荣毅.巨型结构的应用与发展J.同济大学学报，2001，29（3）5 曾强，黄川，程睿，鲍广鉴.巨型桁架体系次结构施工过程力学分析J.施工技术，2010,39（7）.6 Ling Yu,Tao Yin. Damage Identification in Frame Structures Based on FE Model Updating M. Journal of vibration and acoustics , 2010,32(5).7Yang Youfa，Xu Dian，Huang Jing，Liang Wenguang.Improved modal truncation error in the directly analytical method for damage identification of frame structuresJ.Engineering Scinces.2010,08(4).第三部分 巨型框架结构一、巨型框架结构的定义巨型框架结构是在结构设计、应用中出现的一种新的结构形式，由梁式转换层结构发展而来。普通的框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。如果将框架结构的某些柱子的截面面积增大，每隔数层将框架梁的截面面积增大，这样就出现了区别于原结构中普通梁柱的巨型梁和巨型柱。像这样，由巨型梁和巨型柱组成的主框架（一级框架）以及普通梁和普通柱组成的次框架（二次框架）共同构成承重体系的结构，称为巨型框架结构。二、巨型框架结构的发展巨型框架结构是20世纪60年代末出现的巨型结构体系。在日本，新加坡，美国等发达的国家和地区得到了较为迅速的发展。如日本东京NEC大厦高180m，新加坡的海外联合银行高280m，日本构想的空中城市1000（高度为1000m）和美国纽约拟建的电视城大厦（高度为609m）都是巨型框架结构。近年来，我国的香港，深圳，厦门等发达地区也陆续建成了一些巨型框架结构的建筑物。比较有代表性的有香港汇丰银行总部大楼，深圳亚洲大酒店（高114.1m），深圳新华大厦（高127m），厦门国际金融大厦（高91m），四川航空公司大楼，阳泉信托投资大楼等。三、巨型框架的结构特点及分类1巨型框架的结构特点巨型框架是由大型构件巨型梁、巨型柱等组成的主结构与由常规梁、柱构件组成的次结构共同工作的结构体系。巨柱通常由楼、电梯井或大截面实体柱组成，巨梁一般每隔几个或者十几个楼层设置一道，梁高一般占一个或者几个楼层高。主框架结构截面几何尺度、面积、惯性矩等很大而次框架构件截面几何尺度、面积、惯性矩等相对很小，两者不是同一数量级。巨型框架结构作为一种新型的结构体系，它的主要优点如下：（1）传力明确它的主框架是由不同于普通梁柱概念的巨型梁和巨型柱组成，它所承受的内力要远大于包含在主框架内的各层次框架中普通框架柱和普通梁的内力。巨型框架结构的主框架通常为主要抗侧力体系，次框架只起辅助作用和大震下的耗能作用，并负责将次框架的荷载传递给主框架。这样，主次框架共同组成一种超常规的具有巨大抗侧力刚度及整体工作性能的结构。（2）能满足建筑功能的要求。现代高层建筑往往在同一竖直线上需要大小不一的室内空间，而且建筑功能的布置往往与结构的正常布置产生矛盾，为了解决这一矛盾，高层建筑中经常在结构出现转换的楼层设置转换层。巨型框架中次框架已经不是结构的主要受力构件，它的出现使得这种矛盾得到了很好的解决，隔数层设置的巨型梁就可以充当转换层的角色。巨型框架结构的小层样式可以千变万化，不仅美观，而且可以避免结构的转换层对结构的受力性能的不利影响。由于小柱已不是主要的抗力构件，这样在竖向上可以在某一层或者几层不设次框架柱，形成大空间，方便不同业主将其布置为商场，酒店，会议室，娱乐场所等不同的需要。随着现代建筑层数的增加和高度的增加，风荷载对建筑的影响逐渐加大。而巨型框架结构的高层建筑物可以在半高处开设一个横穿房屋的洞口，这样就可以大大减少风力因素对结构受力的影响。（3）整体性能好在高层建筑中，水平荷载不但是主要受力荷载，而且往往还成为结构设计的控制因素。巨型框架结构的巨型梁实际上可以充当刚臂，把两边的巨型梁连接在一起，共同抵抗水平荷载，形成抗侧刚度很大的一个整体，可以有效的控制结构的侧向位移。（4）可以将多种结构形式及不同材料进行组合由于巨型框架有主框架与次框架之分，因此主次框架可以采用不同的材料，以充分发挥不同材料的不同性能（5）可以加快施工进度整个施工过程可以先将各大层的主框架柱和主框架梁施工完毕，利用巨型梁和巨型柱为次框架的施工开辟工作面，多个次框架可以同时展开施工，大大加快施工进度。（6）可节约材料，降低造价巨型框架结构中虽然巨型梁和巨型柱的截面尺寸通常都很大，消耗的材料也比较多，但是次框架结构的截面尺寸要比普通结构的小很多，这样就从总体上节约了材料，降低了造价，使建筑物更加经济实用。（7）适用于建筑物的层改造建筑物的增层改造是一种非常常见的工程项目，使用外套式巨型框架结构可以在不影响原结构的基础上增加建筑物的建筑面积，不仅不会影响原有建筑物的日常使用，还可以形成具有良好抗震性能的高层建筑。这种结构特别适用于城市市区的旧房改造，山西省阳泉市的信托投资大楼就是一个非常经典的利用巨型框架结构对旧建筑物进行增层改造的工程实例。综上所述，巨型框架结构具有整体性能好，刚度大，同时又为建筑功能的布置增加了灵活性，并且能充分发挥不同材料的不同性质，节约材料，总造价低等优点。因此，特别适合于在高层和超高层建筑中使用。2巨型框架结构的分类巨型框架结构可以参照普通巨型框架的类别来划分。按照巨型框架结构建造所用材料的不同，可以分为钢筋混凝土巨型框架结构，钢巨型框架结构，混合型巨型框架结构。（1）钢筋混凝土巨型框架我国的高层建筑以钢筋混凝土为主，现已建成的巨型框架结构也大多以钢筋混凝土为主。钢筋混凝土巨型框架根据主框架的腹体形式又可以分为：实腹式钢筋混凝土巨型框架结构主框架柱是巨大的实腹钢筋混凝土柱，型钢混凝土柱，钢筋混凝土剪力墙或筒体，主框架梁是巨大的实腹梁。 空腹式钢筋混凝土巨型框架结构将实腹式钢筋混凝土巨型框架进行一些改进，主框架柱选用双肢柱，主框架梁选用空腹桁架，就成为空腹巨型框架。采用钢筋混凝土空腹巨型框架后，可以在保证结构承载力不变甚至提高的情况下，节约结构的材料用量。（2） 钢巨型框架钢巨型框架结构的主框架梁和柱大部分是空心的空间构。主框架梁可以是四片桁架围成的空间桁架，也可以是由四片斜格式多重腹杆桁架围成的空间杆件。主框架柱可以是四片支撑转成的空间支撑柱，也可以是由片斜格式多重腹杆桁架围成的空间杆件，也可以直接由小框筒组成。（3）混合巨型框架结构混合巨型框架结构可以是主框架的混合，比如钢筋混凝土或者型钢混凝土柱组成的巨型柱和巨型钢框架梁组成的主框架。也可以是主次框架的混合，例如主框架为钢筋混凝土框架，而次框架为钢框架。四、巨型框架结构的力学性能1. 力学特点不论是竖向荷载还是水平荷载作用下，结构均呈现出明显的两级受力特性，一级框架承受了主要的荷载，二级框架仅起到辅助作用以及地震作用下的耗能作用，其传力路径不是简单的梁、柱路径。竖向受力时二级框架将所受竖向力传到主框架梁，最后通过主框架柱将所受竖向力传到地基。侧向力方面由于主框架抗侧刚度相对于次框架较大，且二者不是一个数量级，主框架承担了主要的侧向力。由于其结构传力形式的迥异使得巨型框架结构的分析计算与一般框架结构有较大的差异。影响巨型框架结构受力特性的因素众多，如主框架与次框架的刚度比、巨型框架的抗侧刚度和层数、楼层框架的抗侧刚度和层数、结构的高度，结构的跨度等，其中主、次框架的刚度比是影响巨型框架结构受力性能最重要的因素之一。竖向荷载作用下，结构变化最为显著的是柱的轴力，随着主次框架刚度比的增大，竖向荷载越来越多的经由主框架梁传递给主框架柱，再经由其传递给基础。同时，每一大层次框架柱上部开始出现轴拉力，下部轴力显著减小，此现象表明，每一大层层间竖向荷载传递方向由向下方巨型梁传递变为分别往上下两端巨型梁同时传递，这样的话，还会涉及到施工过程的安全问题。因此，在进行结构设计时，对于次框架柱在施工阶段的过渡受力应予以充分考虑。分析紧贴巨型梁下一层不设次框架柱的内部大开间巨型框架，此类巨型框架传力路径更为明确，在竖向荷载作用下，不会出现上述问题，结构内力特别是次框架柱轴力分布更为均匀合理。水平荷载作用下，随着主次框架刚度比的增大，结构的侧移明显减小，表明主框架是结构的主要抗侧力体系。同时，当主框架刚度的不断增大，结构侧移的减小趋势开始趋于平缓，甚至于基本没有变化。由此可见，虽然主框架是结构的主要抗侧力体系，但亦不应一味增大，否则对结构抗侧力性能没有助益，反而造成浪费。同时，刚度过大，对结构的抗震也会造成不利影响。由于巨型框架结构体系是由主框架和次框架共同工作组成的，主框架和次框架可以采用不同的材料来进行设计。钢框架构件一般采用以下几种连接形式；刚性连接；半刚性连接；柔性(铰接)连接。刚性连接节点本身可以承受弯矩和传递转角，连接杆件之间没有相对转动。半刚性连接是介于刚性连接和铰接之间的一种连接形式。半刚性连接只具有有限的转动刚度，可以承受弯矩，并且连接的各杆件之间有一定的相对转角，转角的大小由连接所受的弯矩和连接的转动刚度来决定。在水平倒三角形荷载作用下，当主次框架的连接形式由刚接到半刚接到铰接变化时，结构的整体位移增大，次框架抗侧力能力进一步减小。但由于巨型框架中主框架为主要抗侧力结构，所以，虽然主次框架连接方式发生改变，但是对结构整体抗侧性能影响很小，因而结构侧移变化很小。因此，当采用钢混高层巨型框架结构时，不同于普通高层结构，可以适当采用半刚接或铰接的连接方式，这样，在地震作用下还可以起到耗能的作用。2. 力学分析巨型框架的简单静力分析模型主要有以下三种：（1）只将次框架及其上楼板重量作为主框架荷载，不考虑次框架与主框架一起抵抗外荷载及地震作用。这种作法计算上虽然简单，但计算结果的误差较大。（2）将次框架作为主框架的弹性地基，并将弹性支承沿主框架梁的轴线方向连续化。这种简化模型比第一种计算模型的结果较为精确，但与精确法相比，仍有较大的差距。（3）将巨型框架结构看作是杆件体系，按矩阵位移法计算。考虑到主框架梁、柱截面尺寸较大的缘故，计算时要考虑主框架梁、柱的剪切变形以及节点处刚域的影响。此种模型的计算简图与实际结构较一致，杆件的单元的程序编制较简单，占用的内存较少，计算结果较为准确。但是此种分析模型只适用于主框架梁、柱都为实心的截面构件。巨型框架与普通框架的差别在于：一是刚域的存在；二是巨型框架结构主框架梁和主框架柱的截面尺寸大，其剪切变形的影响不能忽略。因此，巨型框架结构的计算简图如图3-1所示。其中。次级框架作为巨型框架的一部分参与整体计算。巨型框架梁及柱、次级框架梁及柱的轴心均取其截面形心线，刚域的长度取值为式中，、分别为巨型框架梁、柱的截面高度，、分别为次级框架梁、柱的截面高度。当计算得到的刚域长度为负值，则取等于零。图3-1 巨型框架结构计算简图六、案例分析1. 著名案例解析（1）高雄银行大厦我国台湾省高雄银行大厦（如图3-2所示），地上82层，高331m，主结构采用巨型框架钢结构体系。巨型框架柱是由支撑竖筒(由4根角柱与4片竖向支撑围成)组成，巨型框架梁则由主体桁架组成，在巨型框架的各层巨型梁之间，另立小型次框架来承担此区段内的若干楼层的重力荷载和局部水平荷载，并把它传给巨型框架。在大楼立面的中部开设了一个透空大洞。图3-2 高雄银行大厦（2）新加坡华侨银行大楼新加坡华侨银行大楼，54层，如图3-3示。该结构体系中，巨型框架大柱为钢筋混凝土半圆支撑筒，巨型框架大梁除第一层为钢筋混凝土大梁外，其余各层大梁均为钢结构桁架。图3-3 新加坡华侨银行大楼（3）厦门国际金融大厦厦门国际金融大厦，26层，91m，如图3-4示，由中央电梯井和四根组合双肢角柱组成巨型框架柱，预应力大粱沿周边布置，楼面预应力梁连接中央电梯井与边梁，组成一个空间构架系统。 图3-4 厦门国际大厦（4）深圳亚洲大酒店深圳亚洲大酒店，33层，高1141m，由中央核心筒和3个端筒组成巨型框架4根大柱，沿竖向每6层设置12根大转换梁，如图3-5所示。大转换梁每一翼的4根梁截面为0.8m2.0+2根1.0m2.0m+0.8m2.0m，它们和上、下楼板一起形成的I形梁组成巨型框架梁。在大横梁之间，用较小断面的梁、柱形成五层小框架，它只承受楼面框架上传来的垂直荷载，再把它们传给大横梁，并不参加抵抗水平力。每六层中有一层无柱，形成使用上需要的大空间。图3-5 深圳亚洲大酒店2. 设计实例2.1工程概况南京电信局鼓楼多媒体综合楼位于南京市鼓楼市民广场北侧，东邻安仁街12m、北距大钟亭路12m、西侧紧贴原有五层通信机房(图3-6)。基地面积2340平方米，建筑物占地面积2000平方米。主楼地下二层、地上三十一层，层高四至六米不等，地面以上结构高度140.5m。使用功能分布为：地下二层为设备用房，地下一层为平战结合六级人防(平时作为汽车库)，地上一至四层为电信新产品展示超市，五层为空中花园，七至十八层为通讯机房及配套辅助设备用房，二十一至二十九层为办公用房及计算机中心，十二、十九、三十层为全省目前最大的专用电视电话会议室，六、十三、二十层为辅助设备及防火避难层。建筑面积3.6万平方米。主、裙楼之间设缝形成两个独立的结构单元，主楼采用巨型框架结构体系、裙楼采用普通钢筋混凝土结构体系。南京市建筑设计研究院于1998年至2000年完成设计。图3-6 平面图2.2为何选用巨型框架结构体系该工程采用巨型框架结构体系原因有三：l、电信生产楼内部安装无人值班通讯传输定型设备，要求“平面方正、开阔(大柱网)，沿竖向结构平面布置力求一致，高层建筑中结构简体边置以便设备排放”，现主楼占地范围仅30m30m，采用简体四角设置方案；2、业主要求设置两个大型电视电话会议室，力求无柱空间最大化；3、地下车库双车道出入口只能设置在大钟亭路，新建主楼与原五层话务楼之间，因车道宽度及转弯半径，主楼柱落地受到限制。经建筑专业与结构专业密切配合，分别于六、十三、二十及顶层(辅助功能层)设置四道桁架层，桁架与四角简体形成巨型框架结构体系。2.3结构设计2.3.1抗震设防根据建筑抗震设防分类标准(GB5022395)中第4.0.4条之规定，该建筑抗震设防分类为乙类；按该标准第3.0.3.2条要求：地震作用应按南京地区地震设防烈度七度计算，抗震构造措施提高一度按八度考虑处理。2.3.2结构布置1）结构平面布置楼层平面为规则的长方形，尺寸为29.7m30.2m(xy)；基础埋置深度14.2m(约H/10)，结构高宽比4.73；四角设置四个大小相同的钢筋混凝土筒体(7.6m5.6m)，内置电梯、疏散楼梯、卫生间及设备管井；筒体之间一般楼盖为普通钢筋混凝土有梁楼盖、桁架层楼盖为钢骨混凝土有梁楼盖(图3-7)。图3-7 楼盖平面图2）结构竖向布置沿竖向由四角筒与四道桁架层形成巨型框架结构称为主结构或一级结构，各道桁架之间五至九层框架结构为次结构或二级结构；次结构承受各自范围楼面垂直载荷及所在位置水平力作用，并将之传递给主结构；主结构承受全部竖向及水平作用。主、次结构受力明确，传力途径合理、简明。2.3.3结构整体分析1）抗震等级划分主结构：钢筋混凝土抗震墙抗震等级为一级，桁架构件抗震等级为一级；次结构抗震等级为三级。2）楼面均布活荷载通讯机房6.0kN/m2，其辅助设备用房13kN/m2，办公及计算机中心2.0kN/m2。3）主要构件几何尺寸及混凝土强度等级主结构：四角筒见表l，桁架构件见表2。桁架杆件混凝土强度等级在不同标高处详表l。次结构：混凝土强度等级在不