钢结构设计4_1

1、第 4 章 多层及高层房屋结构4.1 多、高层房屋结构的组成4.2 楼盖的布置方案和设计4.3 柱和支撑的设计4.4 多、高层房屋结构的分析 和设计计算多、高层钢结构的认识n多层和高层房屋建筑之间无严格的界线；n大致可以12层(高度约40m)为界； n世界高层建筑委员会1972年建议，将高层建筑划分为以下四类：H第一类：第一类：9 16层，高度不超过层，高度不超过50m;H第二类：第二类：17 25层，高度不超过层，高度不超过75m;H第三类：第三类：26 40层，高度不超过层，高度不超过100m;H第四类：第四类：40层以上，高度层以上，高度100m以上。以上。3我国我国民用建筑设计通则民用

2、建筑设计通则 (JGJ 37 ) 、高层民用建筑设高层民用建筑设计防火规范计防火规范(GB 50045)中规定：中规定：n住宅建筑住宅建筑10层及层及10层以上为高层建筑；层以上为高层建筑；n除住宅建筑之外的民用建筑高度超过除住宅建筑之外的民用建筑高度超过24m者为高层建筑者为高层建筑(不包括建筑高度超过不包括建筑高度超过24m的单层公共建筑的单层公共建筑)。我国我国高层建筑混凝土结构技术规程高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 33 )中规定：中规定：n10层及层及10层以上和总高度超过层以上和总高度超过28m的民用建筑为高层建的民用建筑为高层建筑。筑。建筑高度超过建筑高度超过100m的建筑均

3、为超高层建筑。的建筑均为超高层建筑。注：注：建筑高度从建筑高度从室外地面至檐口或屋面面层的高度室外地面至檐口或屋面面层的高度计算，屋计算，屋顶上的水箱间、电梯机房、排烟机房和楼梯出口小间等设备顶上的水箱间、电梯机房、排烟机房和楼梯出口小间等设备用房不计入建筑高度内。用房不计入建筑高度内。4n主要优点主要优点: :重量轻重量轻抗震性能好抗震性能好施工周期短施工周期短工业化程度高工业化程度高环保效果好环保效果好多层钢结构住宅的开发和建造已得到重视多层钢结构住宅的开发和建造已得到重视。5p 日本国土处于太平洋地区地震带中，特别重视居日本国土处于太平洋地区地震带中，特别重视居住者的生命和财产安全，追求

4、住宅良好的抗震性。到住者的生命和财产安全，追求住宅良好的抗震性。到20世纪世纪90 年代末，日本预制装配住宅中木结构占年代末，日本预制装配住宅中木结构占18%，混凝土结构占，混凝土结构占11%，钢结构占，钢结构占71%，其新，其新建的建的14 层建筑，大都采用了钢结构。层建筑，大都采用了钢结构。p 美国是最早采用钢框架结构建造住宅的国家和地区之一，美国是最早采用钢框架结构建造住宅的国家和地区之一，越来越多的房屋开发商转而经营钢结构住宅。越来越多的房屋开发商转而经营钢结构住宅。1965年轻钢结年轻钢结构在美国仅占建筑市场构在美国仅占建筑市场15，1990 年上升到年上升到53，而，而1993 年

5、上升到年上升到68，到，到2000 年已经上升到年已经上升到75。p 在澳大利亚，钢框架住宅占全部住宅数量的在澳大利亚，钢框架住宅占全部住宅数量的30，到，到2000 年，这个比例达到年，这个比例达到50。p 英国、德国、法国，意大利，芬兰等国都有本国成熟的钢英国、德国、法国，意大利，芬兰等国都有本国成熟的钢结构住宅体系，钢结构住宅占有较大的市场份额。结构住宅体系，钢结构住宅占有较大的市场份额。天津丽苑钢结构住宅天津丽苑钢结构住宅天津丽苑钢结构住宅天津丽苑钢结构住宅青岛即墨钢结构住宅青岛即墨钢结构住宅莱钢开发的青岛钢结构住宅莱钢开发的青岛钢结构住宅4.1 多、高层房屋结构的组成4.1.1 多、

6、高层房屋结构的类别4.1.2 结构布置提要本节内容结构类型n常见类型：常见类型：框架结构框架结构、支撑结构支撑结构、框剪框剪结构结构、筒体结构筒体结构框架结构 最早用于高层建筑，现多用于最早用于高层建筑，现多用于6 6层以下多层建筑；层以下多层建筑；柱距柱距宜控制在宜控制在6 69m9m范围内范围内次梁间距次梁间距一般以一般以3 34m4m为宜为宜 优点优点: :平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感；大，自振周期较长，对地震作用不敏感；缺点：缺点：侧向刚度差，适用于多层，采用刚接节点；侧向刚度差，适用于多层，采用刚接节点；1

7、112框剪结构 v 框架结构上设置适当的支撑或剪力墙亦可二者皆设置亦可二者皆设置n侧向位移模式：侧向位移模式： 纯框架结构纯框架结构： 剪切变形模式剪切变形模式 抗剪结构抗剪结构： 弯曲变形模式弯曲变形模式 二者组合（框剪结构）二者组合（框剪结构）： 显著减少了纯框架结构的侧向位移显著减少了纯框架结构的侧向位移 n地震作用下，双重设防，两道防线；地震作用下，双重设防，两道防线；n用于地震区时，具有双重设防的优点用于地震区时，具有双重设防的优点n可用于不超过可用于不超过40406060层的高层建筑层的高层建筑框剪结构的特点钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构: :需采取构造措施需采取构造措施钢板结构钢板

8、结构(8(89mm9mm厚钢板厚钢板) ) 研究表明，研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。用钢量少。剪力墙：剪力墙：框筒结构 v框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）v适用的建筑高度可超过适用的建筑高度可超过9090层（因横向刚度较大）层（因横向刚度较大）结构及受力特点：结构及受力特点：内部设置剪力墙式的内部设置剪力墙式的内筒内筒，与其他竖向构件，与其他竖向构件 主要承受竖向荷载主要承受竖向荷载；外筒体外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚采用密排框架柱和各层楼盖处的

9、深梁刚 接，接，形成一个悬臂筒形成一个悬臂筒（竖直方向）以承受侧向（竖直方向）以承受侧向 荷载；荷载；同时设置刚性楼面结构作为同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔框筒的横隔。束筒结构 u 由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结 构组成构组成( (减缓框筒结构的剪力滞后效应减缓框筒结构的剪力滞后效应) )u 可较灵活地组成平面形式可较灵活地组成平面形式钢筋混凝土筒体钢筋混凝土筒体( (常作为内筒出现常作为内筒出现) )u 可将各筒体在不同的高度中止可将各筒体在不同的高度中止密柱深梁的钢结构筒体密柱深梁的钢结构筒体筒体筒体18西西尔尔斯斯大大厦厦 结构种类 结构体系 非抗震

10、设防抗震设防烈度钢结构 框架-支撑（剪力墙板）各类筒体 110 260 360 110 220 300 90 200 260 50 140 180 钢框架-混凝土剪力墙220 180 100 70 有混凝土剪力墙的钢结构 220 180 15070 6, 789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m） 芯筒体系亦称悬挂结构；亦称悬挂结构；打破了密柱深梁对建筑设计的打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏；桎梏；实现优势互补实现优势互补（充分发挥钢结（充分发挥钢结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）；构抗压性能好

11、的优势）；通常设置一些称为通常设置一些称为帽桁架帽桁架和和腰腰桁架桁架的水平桁架。的水平桁架。支撑框筒结构或桁架筒体结构 支撑系统支撑系统覆盖了整覆盖了整个建筑物表面；个建筑物表面；是较框筒结构更为是较框筒结构更为优越的优越的抗侧力体系抗侧力体系。22v 单纯采用单纯采用框架结构或斜撑框架结构或斜撑( (或或剪力墙剪力墙) )体系；体系；1 1）框架体系：）框架体系： 未必所有的梁柱都刚性连接未必所有的梁柱都刚性连接2 2）斜撑体系：）斜撑体系： 少数柱之间设斜撑少数柱之间设斜撑（梁柱连接可做成铰接）（梁柱连接可做成铰接）v 少数柱参与抗侧力体系；少数柱参与抗侧力体系；v 梁柱梁柱刚性连接刚性

12、连接构造复杂，应构造复杂，应 该尽量该尽量少用少用；v 抗侧力体系也可混合使用。抗侧力体系也可混合使用。v 多层：中心支撑；高层：偏多层：中心支撑；高层：偏心支撑心支撑楼盖梁柱支撑墙板多层多跨框架的组成多层结构房屋多层结构房屋多层房屋的抗侧力结构多层房屋的抗侧力结构4.1.2 结构布置提要v多层房屋应首选由光滑曲线构成的平面形式；多层房屋应首选由光滑曲线构成的平面形式；( (为了减少风压作用为了减少风压作用) )v尽可能地采用中心对称或双轴对称的平面形式；尽可能地采用中心对称或双轴对称的平面形式；( (以减小在风荷载作用下的扭转振动，以减小在风荷载作用下的扭转振动，a a，舒适度，舒适度) )

13、v避免以狭长形作平面形式；避免以狭长形作平面形式；( (因风荷载作用会产生严重的剪切滞后现象因风荷载作用会产生严重的剪切滞后现象) )v框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面长宽比小于长宽比小于1.51.5；（不满足时，宜采用束筒结构）（不满足时，宜采用束筒结构）v需抗震设防时平面尺寸关系应符合要求。需抗震设防时平面尺寸关系应符合要求。 0.5 B / / Bmax 大洞口宽度比大洞口宽度比 1 1.5 l / / Bmax l / / b 凹凸部分的长宽比凹凸部分的长宽比 需抗震设防时平面尺寸关系4 5 L / / Bmax L/ /B 平面的长宽比

14、平面的长宽比 抗侧力构件设置部位 v抗侧力构件布置状况抗侧力构件布置状况水平荷载下出现扭转水平荷载下出现扭转? ? 1) 1)抗侧力刚度中心应和水平合力线尽量接近；抗侧力刚度中心应和水平合力线尽量接近； 2)2)度量抗侧力构件布置状况的力学参量度量抗侧力构件布置状况的力学参量: : 偏心率偏心率任一层的偏心率大于任一层的偏心率大于0.150.15时，时，称为称为平面不规则结构平面不规则结构。平面不规则结构任一层的任一层的偏心率偏心率大于大于0.150.15时；时；结构平面形状有结构平面形状有凹角凹角，凹角的伸出部分在一个方，凹角的伸出部分在一个方向的尺度，超过该方向建筑总尺寸的向的尺度，超过该

15、方向建筑总尺寸的2525；楼面不连续或楼面不连续或刚度突变刚度突变，包括开洞面积超过该层，包括开洞面积超过该层总面积的总面积的5050；抗水平力构件既抗水平力构件既不平行又不对称不平行又不对称于侧力体系的两于侧力体系的两个互相垂直的主轴。个互相垂直的主轴。防震逢设置问题v防震逢设置不当防震逢设置不当而导致高层建筑在地震时相互碰而导致高层建筑在地震时相互碰撞的破坏后果是严重的；撞的破坏后果是严重的；v高层建筑在发生地震时高层建筑在发生地震时具有很大的侧向位移，防具有很大的侧向位移，防震缝的合理设置是困难的；震缝的合理设置是困难的；v因此高层建筑因此高层建筑一般不宜设置防震缝；一般不宜设置防震缝；

16、v地震区的多高层建筑，应当地震区的多高层建筑，应当建立精细的力学模型，建立精细的力学模型，作较精确的地震分析作较精确的地震分析，并采取相应的措施，并采取相应的措施提高其提高其薄弱部位和构件的抗震能力薄弱部位和构件的抗震能力。结构竖向布置n使结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心接使结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心接近重合；近重合；n各层的刚度中心应接近在同一竖直线上；各层的刚度中心应接近在同一竖直线上；n要强调建筑开间、进深的尽量统一；要强调建筑开间、进深的尽量统一；n多高层房屋的横向刚度、风振加速度还和其高宽多高层房屋的横向刚度、风振加速度还和其高宽比有关，其比有关，其限值限值为：为：

17、设防烈度设防烈度6 6， 7 78 89 9最大高宽比最大高宽比6.56.56.06.05.55.5竖向布置的不规则结构 n楼层刚度楼层刚度小于其相邻上层刚度的小于其相邻上层刚度的70%70%，且连续，且连续三层总的刚度降低超过三层总的刚度降低超过50%50%n相邻楼层质量相邻楼层质量之比超过之比超过1.51.5n立面收进尺寸立面收进尺寸的比例为的比例为L L1 1/ /L L 0.75 0.75n竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件不连续n任一楼层抗侧力构件的总剪承载力任一楼层抗侧力构件的总剪承载力 小于其相邻上层的小于其相邻上层的8080框筒结构布置时的注意事项n框筒结构框筒结构高宽比高宽比

18、不宜小于不宜小于4 4；（更好地发挥框筒的立（更好地发挥框筒的立体作用）体作用）n内筒的内筒的边长边长不宜小于相应外框筒边长的不宜小于相应外框筒边长的1/31/3；n框筒框筒柱距柱距一般为一般为1.51.53.0m3.0m，且不宜大于层高；，且不宜大于层高；n框筒的框筒的开洞面积开洞面积不宜大于其总面积的不宜大于其总面积的5050；n内外筒之间的内外筒之间的进深进深一般控制在一般控制在101016m16m之间；之间；n内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；框筒结构布置时的注意事项（续）n控制控制角柱截面积角柱截面积