高层建筑钢结构-第三章结构体系和布置

1、高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 悬臂悬臂(Cantilever)结构的基本变形曲线结构的基本变形曲线高层建筑钢结构高层建筑钢结构xdxQMQxMxQxMx纯剪切变形纯弯曲变形 弯剪变形Q0QmaxM0Mmax纯剪切变形曲线纯弯曲变形曲线弯剪变形曲线高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 框架框架(Frame)结构和承剪桁架结构和承剪桁架(Shear truss)结构的变形结构的变形杆件主要受弯矩杆件主要受弯矩杆件以弯曲变形为主杆件以弯曲变形为主框架以剪切变形为主框架以剪切变形为主杆件杆件以以轴力为主轴力为主杆件以轴向变形为主杆件以轴向变形为主

2、桁架以弯曲变形为主桁架以弯曲变形为主高层建筑钢结构高层建筑钢结构3) 伸臂伸臂(Outrigger arms)结构的工作特点结构的工作特点无伸臂弯矩图无伸臂弯矩图有伸臂弯矩图有伸臂弯矩图MMM高层建筑钢结构高层建筑钢结构4) 剪力滞后剪力滞后(Shear lag)现象和框筒现象和框筒(Framed tube)结构结构maxEI,GA=EI=00EIN2N1N2剪力向内传递剪力向内传递剪应力剪应力正应力正应力梁内剪力梁内剪力高层建筑钢结构高层建筑钢结构腹板框架？翼缘框架？腹板框架？翼缘框架？高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 框架分类框架分类类型类型1：刚接框架，：刚接框架，rigid-frame

3、s类型类型2：铰接框架（排架），：铰接框架（排架）， frames with simple connections类型类型3：半刚接框架，：半刚接框架， frames with semi-rigid connections平面设计有较大的灵活性平面设计有较大的灵活性可提供较大柱距和空间可提供较大柱距和空间广泛用于办公楼、旅馆及广泛用于办公楼、旅馆及商场等公共建筑商场等公共建筑高层建筑钢结构高层建筑钢结构梁柱节点构造形式梁柱节点构造形式铰接铰接半刚性连接半刚性连接刚性连接刚性连接高层建筑钢结构高层建筑钢结构梁柱节点变形特点梁柱节点变形特点MaaMFa若若q均匀分布，均匀分布，MFa=-ql2/1

4、2M1M3M2132a=-MFa/ (2EI/l)图乘法可以得到图乘法可以得到M1/MFa0.9，为刚性，为刚性， rigid frame；M1/MFa0.2，为简支，为简支 simple frame；介于上述之间时为半刚性介于上述之间时为半刚性 semi-rigid frame；高层建筑钢结构高层建筑钢结构铰接2/3有支撑无支撑/pM/MpMp梁的塑性弯矩梁的塑性弯矩pMpLx/EIb欧洲规范欧洲规范EC3分类法分类法高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 刚接框架刚接框架(Rigid frames)的工作特点的工作特点在水平荷载作用下，一榀框架在第在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移由层

5、的水平位移由以下几部分组成：以下几部分组成： 柱弯曲变形引起的侧移；柱弯曲变形引起的侧移； 梁弯曲变形引起的侧移；梁弯曲变形引起的侧移； 柱拉压变形引起的侧移；柱拉压变形引起的侧移； 节点域剪切变形引起的侧移；节点域剪切变形引起的侧移； 整体二阶效应引起的侧移；整体二阶效应引起的侧移；高层建筑钢结构高层建筑钢结构柱弯曲变形引起的侧移柱弯曲变形引起的侧移ic：lh/2h/2V/2V/2V/2V/2icEIccciccicEIVhhVEIEIhV24 223123222333高层建筑钢结构高层建筑钢结构lh/2h/2V/2V/2V/2V/2ibM=Vh/2EIb梁弯曲变形引起的侧移梁弯曲变形引起的

6、侧移ib：bbbibibEIVlhhEIMlhlEIMh12 6 )2/(3222高层建筑钢结构高层建筑钢结构柱拉压变形引起的侧移柱拉压变形引起的侧移if：EAlNhhEAlNhlEANhlMVhNc2CNifCN2 22/ 2引起柱的侧移变形：造成梁的刚性转角：柱子拉压变形：lhVNNifMcMcCNEANhCN高层建筑钢结构高层建筑钢结构节点域剪切变形引起的侧移节点域剪切变形引起的侧移is：DtGBQBGDtQGDtQiii22 2 Qisi节点域剪切变形：作用下的剪应变：在剪力节点域的剪力主要由梁、柱端部弯矩引起的翼缘集中力造成。（影响可达1020）2B2DisiQiQiMp厚度t高层建

7、筑钢结构高层建筑钢结构整体二阶效应引起的侧移整体二阶效应引起的侧移：原因：竖向荷载在水平荷载产生的侧移上，产生了附原因：竖向荷载在水平荷载产生的侧移上，产生了附加弯矩，从而增大了侧移。即：加弯矩，从而增大了侧移。即：=1+2+高钢规要求，对于无支撑结构和层间侧移角大于高钢规要求，对于无支撑结构和层间侧移角大于1/1000的有支撑结构，应按能反映二阶效应的方法验的有支撑结构，应按能反映二阶效应的方法验算稳定。（如等效水平荷载法、非线性分析法等）算稳定。（如等效水平荷载法、非线性分析法等）1VP12P高层建筑钢结构高层建筑钢结构总体层间变形：总体层间变形：ic柱弯曲ib+if+节点整体转动is节点

8、剪切iic+ib+if+is+由于由于if相对较小，变形主要以梁、柱的弯曲变形为主，相对较小，变形主要以梁、柱的弯曲变形为主，该两种变形都与该两种变形都与V成正比，故下大、上小，为整体剪成正比，故下大、上小，为整体剪切变形。切变形。is对对的影响可达的影响可达1020。高层建筑钢结构高层建筑钢结构层绝对变形：层绝对变形： 在水平荷载作用下，一榀框架在第在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移层的水平位移 ，是第是第1i层的各层间位移之和，即层的各层间位移之和，即1iii 高层建筑钢结构高层建筑钢结构实例实例 北京长富宫中心北京长富宫中心1.建筑概况建筑概况地下地下2层、地上层、地上25层，

9、旅馆建筑，建于层，旅馆建筑，建于1987年。年。高高91m，层高，层高3.3m，25.848m矩形平面，柱网矩形平面，柱网89.8m。外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。高层建筑钢结构高层建筑钢结构2.结构体系及主要计算结果结构体系及主要计算结果为钢框架体系，但在为钢框架体系，但在2层以下和地下室为钢骨混凝土层以下和地下室为钢骨混凝土结构。结构。基本周期为基本周期为3.6s，最大层间位移，最大层间位移1/337，小于，小于1/300的限值。的限值。设计过程中曾与框架设计过程中曾与框架-支撑体系方案作比较。框架支撑体系方案作比较。框架-支撑支撑体系的基本周期为体系的基

10、本周期为2.37s，最大层间位移角为，最大层间位移角为1/1398；其侧向刚度与框架方案相比有很大的提高，但因施工其侧向刚度与框架方案相比有很大的提高，但因施工复杂等原因未取用该方案。复杂等原因未取用该方案。高层建筑钢结构高层建筑钢结构3.钢材牌号及结构构件钢材牌号及结构构件(2)钢柱钢柱焊接箱形截面柱焊接箱形截面柱450mm450mm等，等，柱的钢板厚度自下而柱的钢板厚度自下而上为上为42mm19mm(1)钢材牌号钢材牌号柱及主梁为柱及主梁为SM50A，次梁，次梁SS41，压型钢板亦为，压型钢板亦为SS41，高强度螺栓高强度螺栓F10T。相当相当Q345焊接焊接H型钢，高型钢，高650mm，

11、宽，宽200250mm，翼缘板厚度自下而上，翼缘板厚度自下而上为为3219mm，腹板厚度，腹板厚度12mm。多数梁为变截面梁，支座段的翼缘多数梁为变截面梁，支座段的翼缘宽度和厚度大于中间段。宽度和厚度大于中间段。(3)主钢梁主钢梁高层建筑钢结构高层建筑钢结构(4)钢骨混凝土梁钢骨混凝土梁钢骨混凝土梁的截面为钢骨混凝土梁的截面为500mm950mm及及500mm1100mm，相应钢骨梁为高度相应钢骨梁为高度650及及850mm的工字形截面。的工字形截面。钢骨混凝土柱的截面为钢骨混凝土柱的截面为1200mm1200mm及及850mm850mm，钢骨为钢骨为450450mm，即同上部钢柱截面。即同上

12、部钢柱截面。(5)钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱(6)楼板楼板采用采用1.2mm厚的压型钢板组厚的压型钢板组合楼板，支撑于间距小于合楼板，支撑于间距小于3m的次梁上，板下不设临时支的次梁上，板下不设临时支撑，钢梁上焊栓钉。撑，钢梁上焊栓钉。(7)外墙板外墙板采用带饰面的采用带饰面的200厚的钢厚的钢筋混凝土预制墙板，仅筋混凝土预制墙板，仅与上下现浇板及钢梁连与上下现浇板及钢梁连接，不与柱相连。接，不与柱相连。高层建筑钢结构高层建筑钢结构4.主要节点连接做法主要节点连接做法框架梁柱采用常用的栓焊法。主次梁之间采用高强度螺框架梁柱采用常用的栓焊法。主次梁之间采用高强度螺栓的铰接相连法。栓的铰接相连法。预

13、制外墙板与钢梁连接构造，见下图预制外墙板与钢梁连接构造，见下图高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 框架框架-支撑结构的分类支撑结构的分类v中心支撑框架结构中心支撑框架结构v框架框架-中心支撑结构（双体系中心支撑结构（双体系dual systems） 中心支撑的类型：单斜、交叉、人字型等中心支撑的类型：单斜、交叉、人字型等高层建筑钢结构高层建筑钢结构v偏心支撑框架结构偏心支撑框架结构v框架框架-偏心支撑结构（双体系）偏心支撑结构（双体系）高层建筑钢结构高层建筑钢结构v框架框架-剪力墙板结

14、构（也可以是双体系）剪力墙板结构（也可以是双体系） 剪力墙板类型有：钢板剪力墙、开缝剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙剪力墙板类型有：钢板剪力墙、开缝剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构开缝剪力墙的工作原理开缝剪力墙的工作原理高层建筑钢结构高层建筑钢结构内藏钢板支撑剪力墙内藏钢板支撑剪力墙高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 框架框架-支撑结构的工作特点支撑结构的工作特点框架框架支撑体系是由框架体系演变来的，即在框架体支撑体系是由框架体系演变来的，即在框架体系中对部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榀带系中对部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榀带竖向支撑的支

15、撑框架竖向支撑的支撑框架。使框架构件受弯为主，变为轴力为主。使框架构件受弯为主，变为轴力为主。框架支撑结构中的梁柱为刚接连接，按双体系设计，具框架支撑结构中的梁柱为刚接连接，按双体系设计，具有框架和支撑两道抗震防线；有框架和支撑两道抗震防线；支撑和框架的梁柱均需满足抗震的构造要求；支撑和框架的梁柱均需满足抗震的构造要求；框架需根据抗震需要进行内力调整。框架需根据抗震需要进行内力调整。v 框架支撑与支撑框架的同异框架支撑与支撑框架的同异支撑桁架（框架）结构中节点均为铰接（刚接），不按双支撑桁架（框架）结构中节点均为铰接（刚接），不按双体系设计；体系设计；支撑需要满足抗震要求，对框架的梁柱没有要求

16、；支撑需要满足抗震要求，对框架的梁柱没有要求；对设防烈度大的高层钢结构限制使用。对设防烈度大的高层钢结构限制使用。高层建筑钢结构高层建筑钢结构v双重体系的内力调整（用于抗震设计）双重体系的内力调整（用于抗震设计）内力分析时，框架部分的所算得的剪力应乘以调整系数，使内力分析时，框架部分的所算得的剪力应乘以调整系数，使其任一层的地震剪力不小于结构底部总地震剪力的其任一层的地震剪力不小于结构底部总地震剪力的25和框和框架部分层地震剪力最大值架部分层地震剪力最大值1.8倍二者中的较小值。倍二者中的较小值。高层建筑钢结构高层建筑钢结构在水平荷载作用下，通过刚性（或弹性）楼板的变形协调，在水平荷载作用下，

17、通过刚性（或弹性）楼板的变形协调，使支撑与刚接框架共同工作，形成双重抗侧力结构，即框使支撑与刚接框架共同工作，形成双重抗侧力结构，即框架架支撑体系。支撑体系。v 如何协同工作如何协同工作高层建筑钢结构高层建筑钢结构v变形特点变形特点高层建筑钢结构高层建筑钢结构v受力特点受力特点高层建筑钢结构高层建筑钢结构v中心支撑的工作性能中心支撑的工作性能中心支撑均具有较大的侧向刚度，对减小结构的水平位中心支撑均具有较大的侧向刚度，对减小结构的水平位移和改善结构的内力分布是有效的。移和改善结构的内力分布是有效的。但在水平地震作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲，尤但在水平地震作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲，尤

18、其在往复的水平地震作用下，会产生下列后果：其在往复的水平地震作用下，会产生下列后果：(1)(1)支撑斜杆重复压曲后，其受压承载力急剧降低；支撑斜杆重复压曲后，其受压承载力急剧降低；(2)(2)支撑端点实际构造做法并非铰接，引发支撑产生很大的次支撑端点实际构造做法并非铰接，引发支撑产生很大的次内力；内力；(3)(3)往复的水平地震作用，斜杆会从受压的压曲状态变为受拉往复的水平地震作用，斜杆会从受压的压曲状态变为受拉的拉伸状态，这将对结构产生的拉伸状态，这将对结构产生冲击性作用力冲击性作用力，使支撑及其节，使支撑及其节点和相邻的构件产生很大的附加应力；点和相邻的构件产生很大的附加应力；(4)(4)

19、往复的水平地震作用，使同一层支撑框架内的斜杆轮流压往复的水平地震作用，使同一层支撑框架内的斜杆轮流压曲又不能恢复拉直，楼层的受剪承载力迅速降低。曲又不能恢复拉直，楼层的受剪承载力迅速降低。高层建筑钢结构高层建筑钢结构v偏心支撑的工作性能偏心支撑的工作性能采用偏心支撑的主要目的是改变支撑斜杆与梁采用偏心支撑的主要目的是改变支撑斜杆与梁(耗能梁段耗能梁段)的先后屈服顺序。的先后屈服顺序。在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能，另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先，从而保护耗能，另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先，从而保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在

20、后。支撑斜杆不屈曲或屈曲在后。耗能梁段在多遇地震下应保持弹性状态，在罕遇地震下耗能梁段在多遇地震下应保持弹性状态，在罕遇地震下产生剪切或弯曲屈服。产生剪切或弯曲屈服。必须提高支撑斜杆的受压承载力，使其至少应为耗能梁必须提高支撑斜杆的受压承载力，使其至少应为耗能梁段达到屈服强度时相应支撑轴力的段达到屈服强度时相应支撑轴力的1.6倍。倍。高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 结构形式结构形式高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 受力特点受力特点通过设置伸臂桁架及腰桁架使外框架参与整体抗弯作用，从通过设置伸臂桁架及腰桁架使外框架参与整体抗弯作用，从而提高结构侧向刚度、减小结构水平位移，也减少内筒所承而提高结

21、构侧向刚度、减小结构水平位移，也减少内筒所承担的倾覆力矩。担的倾覆力矩。高层建筑钢结构高层建筑钢结构3) 伸臂桁架的位置及特点伸臂桁架的位置及特点利用设备层或避难层设置利用设备层或避难层设置伸臂桁架；伸臂桁架；伸臂桁架的高度为设备层伸臂桁架的高度为设备层的层高；的层高；其腹杆布置需考虑便于人其腹杆布置需考虑便于人员通行及管道穿越而过。员通行及管道穿越而过。对应伸臂桁架的楼层位置，对应伸臂桁架的楼层位置，宜沿外框架周边设置宜沿外框架周边设置腰桁架腰桁架或帽桁架或帽桁架，以使外框架的所，以使外框架的所有柱子能与内筒起到整体抗有柱子能与内筒起到整体抗弯作用。腰桁架的高度也与弯作用。腰桁架的高度也与设

22、备层的层高相同。设备层的层高相同。高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 结构构成结构构成高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 受力特点受力特点高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 筒体结构的分类筒体结构的分类外筒体系外筒体系筒中筒筒中筒成束筒成束筒框架筒体框架筒体桁架筒体桁架筒体密柱深梁密柱深梁刚性连接刚性连接柱距柱距1.53m为方、圆、八角形为方、圆、八角形长宽比小于长宽比小于1.5高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 筒体结构的分类筒体结构的分类外筒体系外筒体系筒中筒筒中筒成束筒成束筒框架筒体框架筒体桁架筒体桁架筒体不必密柱深梁不必密柱深梁梁柱可为铰接梁柱可为铰接柱距可以柱距可

23、以36m以上以上长宽比小于长宽比小于1.5较好消除剪力滞后较好消除剪力滞后角柱受力较大角柱受力较大高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 筒体结构的分类筒体结构的分类外筒体系外筒体系筒中筒筒中筒成束筒成束筒框架筒体框架筒体桁架筒体桁架筒体外筒要求和形式同上外筒要求和形式同上内筒采用支撑框架或支内筒采用支撑框架或支撑排架撑排架外筒承受弯矩和一部分外筒承受弯矩和一部分水平剪力水平剪力内筒主要承担水平剪力内筒主要承担水平剪力和竖向荷载和竖向荷载高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 筒体结构的分类筒体结构的分类外筒体系外筒体系筒中筒筒中筒成束筒成束筒框架筒体框架筒体桁架筒体桁架筒体有多榀腹板框架，刚度更大有多榀

24、腹板框架，刚度更大整体性更好，减小剪力滞后整体性更好，减小剪力滞后可适当加大柱距、减小梁高可适当加大柱距、减小梁高高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 框筒与成束筒的剪力滞后框筒与成束筒的剪力滞后高层建筑钢结构高层建筑钢结构3) 腰桁架、帽桁架和转换桁架腰桁架、帽桁架和转换桁架柱距较大时、长宽比较大时，剪力柱距较大时、长宽比较大时，剪力滞滞后效后效应明显，如何消除之？应明显，如何消除之？利用设备层和避难层，设置腰桁架和帽桁架利用设备层和避难层，设置腰桁架和帽桁架如何实现上下层柱网尺寸的变换？如何实现上下层柱网尺寸的变换？利用设备层和避难层，转换桁架利用设备层和避难层，转换桁架高层建筑钢结构高层建筑

25、钢结构4) 筒体结构的用钢量筒体结构的用钢量高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 巨型桁架巨型桁架(支撑支撑)结构结构 mega trusses高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 巨型框架结构巨型框架结构 mega frames上海证券大厦上海证券大厦高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构3) 巨型悬挂结构巨型悬挂结构 mega suspension structures高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构4) 巨型分离式结构巨型分离式结构 mega separated structures高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 受力蒙皮结构受力蒙皮结构 stressed skin system2) 巨型框撑结构巨型框撑结构 mega braced frame system高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 结构选型的总体原则结构选型的总体原则v根据建筑物用途、高度、所处地区的自然和地质条件根据建筑物用途、高度、所处地区的自然和地质条件与建筑师合作选择适宜的结构体系，并控制结构的高与建筑师合作选择适宜的结构体系，并控制结构的高宽比宽比H/B。v应具有明确的计算简图和传力途径。应具有明确的计算简图和传力途径。v抗震结构应避免因部分构件或结构的破坏，引起整个抗震结构应避免因部分构件或结构的破坏，