高层建筑结构课程论文

1、多高层钢结构各种结构体系的优势与不足1概述多高层钢结构的优点主要是强度高，重量轻。钢结构材料在达到同样的强度时，钢构件的截面较小，占地面积少，相对的建筑适用面积就会增大。同时由于其自重轻的特点，特别适用于大跨空间结构；另外，钢结构材料质地均匀，各向同性，材料离散性小，更能结构分析的可靠性，并且钢材具有很大的塑性，具有很好的结构延性和抗震性能；同时，钢结构构件都是工厂中直接生产好的，工地现场只需按照设计安装到位，工期大大缩短，所以钢结构不失为超高层建筑，特别是地震地区高层建筑的一种经济有效的结构类型。众所周知，对于建筑结构，侧向作用（主要指风作用和地震作用）对结构体系的选择起着决定性的作用。它不

2、仅关系到整体结构的受力性能、使用性能，更关系到整个建筑的造价。因此结构体系的选择是结构设计之本，是必须放在结构设计第一位的。随着高层建筑结构的发展，新的钢结构体系不断涌现。各种结构体系有其各自的优缺点，针对这些优缺点适用于不同的建筑，作为建筑设计人员必须明确。本文就针对几种常见的多高层结构体系进行简要介绍。2. 多高层钢结构的结构体系及各自特点多高层钢结构的结构体系按照抗侧力构件的形式、材料、受力性能等因素区分。根据抗侧力体系的不同，广义高层钢结构主要的结构体系如下：纯框架结构体系、框架支撑结构体系、框架剪力墙结构体系、桁架结构体系、筒体结构体系、巨型组合结构体系等1。2.1 纯框架结构体系框

3、架结构体系是沿着房屋的纵向和横向均采用框架作为承重的抵抗侧力的主要构件所构成的结构体系。钢框架包括刚接框架、半刚接框架和铰接框架。它的优缺点概括如下2：优点：建筑平面布置灵活，对建筑的平面限制较少；框架杆件截面小，可提供较大的内部空间，适用于各类性质的建筑；杆件类型少，构造简单，施工周期短；外墙用非承重构件，可使建筑立面灵活多变。如果采用轻质隔板做外墙，就可以大大降低房屋的自重。缺点：结构高度增加，水平力作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加。结构超过一定高度后，材料用量和造价较大，故设计中的层数和高度有所限制。结构抗侧刚度小，高度较大时，水平力作用下会

4、产生很大的侧向位移。2.2 框架支撑结构体系 在框架体系中，沿结构的纵横两个方向均布置一定数量的支撑，形成框架支撑结构体系，简称为框撑结构体系。概括来说，它的优缺点如下3：优点：抗侧力刚度比框架结构明显增大，在地震发生时，框架体系和支撑体系形成两道抗震防线，其抗震性能有明显的提高；当建筑物的层数较大时，可以每隔若干层设置一层加劲桁架层，将内部支撑和外圈框架连为一整体弯曲构件，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩；采用错列的桁架体系来构成框架支撑体系，可以获得较大的开间。缺点：设置较多支撑，使得结构受力分析复杂，施工难度加大，用钢量增加；支撑的设置容易与建筑立面处理，门窗布置等建筑要求发生冲突；支撑成

5、为整个结构体系的重要部位，外力作用下，支撑长期处于拉压的周期作用，易引起支撑构件的疲劳破坏，在突然的较大外力下，会有很大的变形或者屈曲，从而引起整个建筑的较大变形；由于抗侧力刚度有限，不能使用于超高层钢结构建筑，一般用于40层 60层的高层钢结构建筑。框架支撑结构又可按照所设置的支撑受力性质和受力要求分为框架中心支撑结构、框架偏心支撑结构和框架耗能支撑结构。下面将对这几种类型分别进行简要介绍。2.2.1 框架中心支撑结构。框架中心支撑结构中的支撑系统，可认为是通过柱与支撑的轴向刚度以抵抗侧向荷载的悬臂竖向桁架。中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点，如图1。图1 中心支撑示意

6、图框架中心支撑结构的优点：具有有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平位移，改善结构的内力分布。缺点：水平地震荷载作用下，中心支撑容易产生屈曲，造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降，直接影响结构的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。2.2.2 框架偏心支撑结构。框架偏心支撑结构是近 20 年来发展起来的抗震结构，其特点是每根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连，以形成一个先于支撑斜杆屈服的“耗能梁段”。在中小地震时，结构处于弹性阶段，在强震时耗能梁段进入塑性，利用梁的塑性变形来吸收能量，而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能

7、不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点。几种典型的偏心支撑（图2）： 图2 偏心支撑示意图（a柱；b支撑；c消能梁端；d其他梁端）2.2.3框架耗能支撑结构。框架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。在风和一般地震作用下耗能支撑能增大结构的水平刚度，减少结构的侧移；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、复合型耗能支撑和无粘结耗能支撑3（如图3）等。图3 无粘结耗能支撑图2.3框

8、架剪力墙结构体系 钢框架-剪力墙结构体系是在原有框架基础上，为了增加结构的侧向刚度，防止侧向位移过大，按照整体刚度均匀的原则，设立剪力墙来抵抗水平荷载的作用。该体系是以楼梯间或其它适当部位（如分户墙）采用现浇钢筋混凝土剪力墙，作为结构主要抗侧力体系，框架部分主要承担竖向荷载。常用的剪力墙体系有：钢板剪力墙、内藏钢板支撑剪力墙和带竖缝混凝土剪力墙等。图4 框架剪力墙结构示意图（图中柱可为钢柱）框架剪力墙结构体系的优点： 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； 侧向刚度较大，易于保证整体刚度及稳定性； 钢板剪力墙本身只承受水平力作用，竖向力作用完全由周边的框架柱

9、承担，完全符合第一道抗震防线低轴压比的抗震设计要求，是非常理想的抗侧力构件； 钢板剪力墙屈曲后屈服（薄板）或屈服后屈曲（厚板）还能继续承受荷载，使框架结构具有很好的延性，还能靠钢材本身的塑性发展提供阻尼耗能能力； 核心筒布置成电梯间、卫生间对隔声、防潮以及管道的布置都非常有利； 剪力墙对结构的防火、耐火性非常有利，可起到防火墙的作用。但是，由于剪力墙属于刚性结构，而钢框架属于柔性结构，当遭到强烈地震时，在剪力墙处易产生应力集中，造成局部结构的破坏；虽然现浇混凝土剪力墙整体性好，但是现场湿作业使施工速度减慢，延长施工工期，而且受天气的影响较大。2.4交错桁架体系交错桁架结构是在钢框架结构上演变而

10、来的可用于高层钢结构建筑的一种结构方案。其基本结构组成是柱子、平面钢桁架和楼面板。柱子沿房屋周边布置, 中间无柱, 且桁架在相邻柱子上为上下层交错布置, 楼板一端搁置在桁架的上弦, 另一端则搁置在相邻桁架的下弦。其优点主要有： 满足建筑上大开间的要求，便于建筑平面自由布置； 结构上采用小柱距和短跨楼板，使楼板厚度减小，能减轻结构自重； 腹杆可采用斜杆体系和华伦氏空腹桁架体系相结合，便于设置走廊；图5 交错桁架体系 桁架隔层布置且主要受轴力，有利于缩小框架柱断面； 框架横向刚度大，侧向位移容易满足； 用钢量较低，较经济。2.5筒体结构体系 2.5.1 筒体结构体系简介筒体结构是由若干纵横交错的框

11、架，抗剪桁架所围成的筒状封闭结构。在建筑物外围由密柱，深梁组成的封闭式筒体通过悬臂作用来抵抗侧向荷载，内部柱子或核心只承受竖向荷载。筒体结构主要有框筒结构体系、桁架筒体结构、筒中筒结构、束筒结构体系等。它们有共同的优点4：内外筒均可形成较强抗弯刚度，共同承受水平力的作用，可形成两道抗震防线的效果；由于筒体结构的对称性，使得结构体系有均匀对称的抗侧刚度和抗扭刚度，能抵御任何方向较大的倾覆力矩和扭转力矩。有较好的延性，抗震性能很好。然而在框筒结构中，由于存在框架横梁的剪切变形，使框架柱的实际内力呈非线性分布，这种剪力滞后效应使得房屋的角柱要承受比中柱更大的轴力，并且结构的侧向挠度呈明显的剪切变形。

12、剪力滞后效应对筒体的效能有很大的影响。此外内筒平面尺寸较小，抗侧刚度不大，不宜用于强震地区。在束筒结构体系中，存在着大量的交叉节点，构造比较复杂，而且开窗要受斜杆的影响等缺陷。2.5.2 混合结构体系简介钢结构用于筒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。混合结构体系一般都是由外框架和核心筒共同组成的抗侧力体系，主要包括钢框架钢筋混凝土核心筒混合结构体系、钢管混凝土混合结构体系、型钢混凝土结构体系等。总的来说，混合结构体系与普通钢筋混凝土相比，它有以下几个优点：构件尺寸小，占地面积小，净高大；结构自重轻，降低基础造价；施工速度快；抗震性能好；抗火防腐性能好。下面对几种常见的混

13、合结构体系分别进行介绍。2.5.2.1钢框架钢筋混凝土核心筒混合结构体系。钢框架钢筋混凝土核心筒混合结构体系指刚框架与核心筒组成的共同抵抗重力和侧向力的高层建筑结构体系5，该体系的框架主要承受竖向荷载，侧向荷载则主要由内筒承担。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铰接，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铰接而与刚框架刚接，也有极少数采用两段铰接的实例。2.5.2.2 钢管混凝土混合结构体系钢管混凝土混合结构体系是指由钢管混凝土柱与钢筋混凝土核心筒组成的结构体系（图6）。图6 钢管混凝土混合结构其优点主要在于：外钢管对内部混凝土

14、产生一定的约束作用，所以钢管混凝土构件抗压强度高；由于钢材的塑性性能较好，所以钢管混凝土构件延性较大；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措施。2.5.2.3 型钢混凝土混合结构体系。型钢混凝土混合结构体系是由型钢混凝土框架与混凝土核心筒或钢筋混凝土剪力墙共同组成的受力体系，这种体系是目前高层建筑总应用最多的混合结构体系。图7 型钢混凝土节点其优点主要有：在钢筋混凝土构件中增加型钢，可在一定程度上改善钢筋混凝土的延性；由于型钢骨架的作用，混合结构构件承载力和变形能力均明显高于相同条件下的普通钢结构构件；型钢混凝土构件滞回环较为饱满，抗震性能好，构

15、件延性得到提高；型钢混凝土中的钢材在混凝土碱性为主的环境下抗腐蚀性较好，并且由于混凝土的保护抗火性能也有了很大的提高。可以说在各种混合结构体系中，型钢混凝土混合结构有较好的使用前景。2.6 巨型组合结构体系 巨型结构体系是一种新型的超高层建筑结构体系，是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组成的主结构和常规构件组成的次结构共同作用从而获得较大灵活性和较高承载力的一种结构体系。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桁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8。巨型结构主要优点有：巨型结构传力明确，矩形柱作为主要抗侧力体系和承

16、重体系，次结构只起辅助设计和大震下耗能作用；能够满足建筑功能多变的要求；巨型结构整体性能良好，结构的大梁作为刚臂，使得整个结构具有较好的整体性；可将多种形式及不同材料进行组合；施工速度快；节约材料，降低造价； 可以较好的实现结构抗震的多道防线思想。3. 总结多高层钢结构具有很多优点，适用于很多功能的建筑结构，且技术也比价成熟，值得大力发展。多层钢结构体系以纯框架、框架支撑体系为主；高层及超高层钢结构结构体系较多，较为复杂。在钢结构飞速发展的今天，新型的钢结构体系不断涌现，这就要求我们去发现和改善每一种结构的优缺点以及它的使用范围，为建筑结构选型奠定基础。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。参考文献：1 冯瑞，罗严，李克让.多高层钢结构体系概述J.工业建筑，2007.2 高士英，王静，王启玲. 高层钢结构住宅体系结构分析J.产业论坛，2013.3 万江. 多高层钢结构各种结构体系的优点与不足J.工程机械，2015.09.4 吴迪，贾国亭.谈芯筒框架体系在高层建筑设计中的应用J山西建筑，2012.5 尹宗军.高层钢结构住宅的特点和结构体系分析D.合肥:合肥工业大学土木建