多层高层钢结构体系

1、 据中华人民共和国国家标准住宅设计规范第1.0.3条 住宅按层数划分如下：一、低层住宅为1-3层；二、多层住宅为4-6层；三、中高层住宅为7-9层；四、高层住宅为10层及以上。 建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范规定，10层及10层以上的住宅为高层建筑。 第第3 3章章 多层及高层房屋钢结构多层及高层房屋钢结构n多层和高层房屋建筑之间无严格的界线；大致可多层和高层房屋建筑之间无严格的界线；大致可以以1 12 2层层( (高度约高度约4040m)m)为界；为界； n主要特点主要特点: :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有效使用面积高有效使用面积高环保型建筑环保型建筑多

2、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。第第3 3章章 多层及高层房屋钢结多层及高层房屋钢结防火性能差防火性能差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第第3 3章章 多层及高层房屋钢结构多层及高层房屋钢结构3.1 多、高层房屋钢结构体系3.2 楼盖的布置方案和设计3.3 柱和支撑的设计3.4 多、高层房屋结构的 分析和设计计算3.1 多、高层房屋钢结构体系3.1.1 多、高层房屋钢结构的结构体系3.1.2 结构布置提要本节内容3.1.1 多、高层房屋钢结构的结构体系n常见高层结构体系：常见高层结构体系：n框架结构体系框架结构体系

3、、框框-剪剪结构体系结构体系、框框-支支结构体系、结构体系、框框- -筒体结构体系、筒体体系。筒体结构体系、筒体体系。一、框架结构 最早用于高层建筑最早用于高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为宜为宜但由于侧向刚度小，但由于侧向刚度小，一般不超过一般不超过3030层层时较经济。时较经济。 一、框架结构 平面布置较灵活平面布置较灵活刚度分布均匀刚度分布均匀延性较大延性较大自振周期较长自振周期较长对地震作用不敏感对地震作用不敏感框架结构的主要优点框架结构的主要优点: :青岛某钢结构住宅青岛某钢结构住宅一、框架结构 二、框-剪结构 v

4、框架结构上布置适当的剪力墙设置剪力墙设置剪力墙n在侧向荷载的作用下，在侧向荷载的作用下， 纯框架结构的纯框架结构的侧向位移侧向位移： 剪切变形模式剪切变形模式 抗剪结构的抗剪结构的侧向位移侧向位移： 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 ，具具有双重设防的优点。有双重设防的优点。二、框-剪结构 12钢结构住宅示范工程-武汉世纪家园二、框-剪结构 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剪力墙为抗侧力结构剪力墙为抗侧力结构n可用于不超过可用于不超过40406060层的高层建筑

5、层的高层建筑钢筋混凝土剪力墙钢筋混凝土剪力墙: :需采取构造措施需采取构造措施钢板剪力墙钢板剪力墙(8(89mm9mm厚钢板厚钢板) ) 研究表明，在侧向刚度研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。构用钢量少。剪力墙按材料和结构形式分为：剪力墙按材料和结构形式分为：框剪结构的特点：二、框剪结构 三、框-支结构 v 框架结构上布置适当的竖向或横向支撑桁架结构和框架构成亦可二者皆设置亦可二者皆设置设置支撑设置支撑设置剪力墙设置剪力墙三、框-支结构 n是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系n用于

6、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竖向支撑桁架竖向支撑桁架起剪力墙的作用，承担大部分水平剪起剪力墙的作用，承担大部分水平剪力力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n支撑沿房屋两个方向布置，狭长形截面的建筑也可支撑沿房屋两个方向布置，狭长形截面的建筑也可布置在短边；地震区，一般沿同一竖向柱距内连续布置在短边；地震区，一般沿同一竖向柱距内连续布置。布置。 成都世纪新城超五星级酒店 框-支结构三三、框-支结构 三、框-支结构 n钢支撑的布置，可分为中心支撑和偏心支撑两大类。钢支撑的布置，可分为中心支撑和偏心支撑两大类。中心支撑是指支撑的两端都

7、直接连接在梁柱节点上，中心支撑是指支撑的两端都直接连接在梁柱节点上，而偏心支撑是至少有一端偏离了梁柱节点，直接连而偏心支撑是至少有一端偏离了梁柱节点，直接连在梁上，连接点与柱之间的一段梁形成耗能梁段。在梁上，连接点与柱之间的一段梁形成耗能梁段。n偏心支撑框架结构是一种新型的结构形式，较好的偏心支撑框架结构是一种新型的结构形式，较好的结合了纯框架和中心支撑框架两者的长处。结合了纯框架和中心支撑框架两者的长处。三、框-支结构 n当竖向支撑桁架布置在建当竖向支撑桁架布置在建筑中部时，外围柱一般不筑中部时，外围柱一般不参加抵抗水平力，同时，参加抵抗水平力，同时，若竖向支撑的高宽比过大，若竖向支撑的高宽

8、比过大，水平力作用下支撑顶部将水平力作用下支撑顶部将产生很大的水平位移，此产生很大的水平位移，此时可在顶层设置帽桁架；时可在顶层设置帽桁架；必要时可在中间某层设置必要时可在中间某层设置腰桁架。腰桁架。三、框-支结构 n腰架间距一般为腰架间距一般为12-1512-15层，腰架越密，整个结构层，腰架越密，整个结构的筒体作用越强，故这种结构通常又被称为部分的筒体作用越强，故这种结构通常又被称为部分筒体结构体系，当仅设一道腰架时，最佳位置是筒体结构体系，当仅设一道腰架时，最佳位置是在离建筑物顶端在离建筑物顶端0.4450.445H高度处。高度处。n帽桁架和腰桁架使外围柱与核心抗剪结构共同工帽桁架和腰桁

9、架使外围柱与核心抗剪结构共同工作，有效减小结构的侧向位移，提高抗侧刚度。作，有效减小结构的侧向位移，提高抗侧刚度。三、框-支结构 四、框-筒结构 v这种结构形式在高层建筑钢结构中这种结构形式在高层建筑钢结构中大量使用，建筑高度可超过大量使用，建筑高度可超过9090层，不宜用于强震地区。层，不宜用于强震地区。结构组成结构组成内 筒：剪力墙设置于内筒的四周 主要承受竖向荷载 外筒体：密排框架柱和各层楼盖处的深梁 刚接，形成一个悬臂筒（竖直方向） 主要承受侧向荷载横 隔：刚性楼面结构。 主要传递水平荷载22信息产业部电子第29所3#综合楼，是西南地区第一栋高层钢结构建筑，结构为钢框架砼核心筒体系，在

10、框在框- -筒结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变筒结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为形，即为剪力滞后剪力滞后。为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，通常可采取两个通常可采取两个措施措施： 1 1）控制框筒平面的长宽比不宜过大；）控制框筒平面的长宽比不宜过大； 2 2）加大框筒梁和柱的线刚度之比）加大框筒梁和柱的线刚度之比 。重要概念：剪力滞后（Shear Lag） 四、框-筒结构 五、筒体结构 u 筒体结构由内外两个筒（亦称筒中筒体系）筒体结构由内外两个筒（亦称筒中筒体系）或多个筒体（亦称束筒体系）或多个筒体（亦称束筒体系）之间共用筒壁

11、的之间共用筒壁的一束筒状结构一束筒状结构组合而成。具有很好的空间整体组合而成。具有很好的空间整体性，性，减缓了框减缓了框- -筒结构的剪力滞后效应。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u 也也可设置帽桁架和腰桁架加强筒体间的连接，可设置帽桁架和腰桁架加强筒体间的连接，增强结构的整体性增强结构的整体性结构种类 结构体系 非抗震设防抗震设防烈度钢结构 框架-支撑（剪力墙板）各类筒体 110 26

12、0 360 110 220 300 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） 六、芯筒体系（亦称悬挂体系）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禁锢；禁锢；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构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）；抗压性能好的优势）；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

13、桁架。的水平桁架。香港汇丰银行香港汇丰银行（框支悬挂体系）（框支悬挂体系）六、芯筒体系七、支撑框筒结构或桁架筒体结构 结构特点：结构特点：A.A.解决了密柱深梁的问题解决了密柱深梁的问题B.B.支撑系统支撑系统覆盖了整个建覆盖了整个建筑物表面，筑物表面，又称为大型支撑又称为大型支撑体系，体系，C.C.是较框筒结构更为优越是较框筒结构更为优越的的抗侧力体系抗侧力体系。 结构组成：结构组成： 用加支撑的外围框架代替框筒结构用加支撑的外围框架代替框筒结构v 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

14、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。楼盖梁柱支撑墙板多层多跨框架的组成八、多层结构房屋八、多层结构房屋九、多层房屋的抗侧力结构九、多层房屋的抗侧力结构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

15、中心对称或双轴对称的平面形式；( (以减小或避免在风荷载作用下的扭转振动以减小或避免在风荷载作用下的扭转振动) )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，应控制其平面长度比小于长度比小于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。 3.1.2 结构布置纲要0.5 B / / Bmax 大洞口宽度比大洞口宽度比 1 1.5 l / /

16、Bmax l / / b 凹凸部分的长宽比凹凸部分的长宽比 一、需抗震设防时平面尺寸关系4 5 L / / Bmax L/ /B 平面的长宽比平面的长宽比 二、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。三、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0.1

17、50.15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。四、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

18、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，因此高层建筑震缝的合理设置是困难的，因此高层建筑一般不一般不宜设置防震缝；宜设置防震缝；v高层钢结构建筑，高层钢结构建筑，一般也无须设置温度缝；一般也无须设置温度缝；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。五、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

19、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：设防烈度设防烈度6 6， 7 78 89 9最大高宽比最大高宽比6.56.56.06.05.55.5六、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代超过三层总的刚度降代超过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 L

20、1 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8080七、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不宜小于不宜小于4；（更好地发挥框筒的（更好地发挥框筒的立体作用）立体作用）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1/3；n框筒框筒柱距柱距一般为一般为1.53.0m，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50；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1016m之间；之间；n内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，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