高层建筑钢结构-第三章结构体系和布置

3结构体系和布置3-1高层结构体系的若干概念3-2框架结构3-3框架-支撑结构3-4伸臂及带状桁架结构3-5交错桁架体系3-7巨型结构3-8特殊结构3-9结构选型和布置原则3-6筒体结构3.1高层结构体系的若干概念1)悬臂(Cantilever)结构的基本变形曲线xdxQMQxMxQxMx纯剪切变形纯弯曲变形弯剪变形Q＝0QmaxM＝0Mmax纯剪切变形曲线纯弯曲变形曲线弯剪变形曲线2)框架(Frame)结构和承剪桁架(Sheartruss)结构的变形杆件主要受弯矩杆件以弯曲变形为主框架以剪切变形为主杆件以轴力为主杆件以轴向变形为主桁架以弯曲变形为主3)伸臂(Outriggerarms)结构的工作特点无伸臂弯矩图有伸臂弯矩图ΔMΔMΔM4)剪力滞后(Shearlag)现象和框筒(Framedtube)结构ΔΔΔmaxEI,GA=∞EI=00<EI<∞N1N2N3N1>N2N1N2剪力向内传递剪应力正应力梁内剪力腹板框架？翼缘框架？3.2框架结构1)框架分类类型1：刚接框架，rigid-frames类型2：铰接框架（排架），frameswithsimpleconnections类型3：半刚接框架，frameswithsemi-rigidconnections平面设计有较大的灵活性可提供较大柱距和空间广泛用于办公楼、旅馆及商场等公共建筑梁柱节点构造形式铰接半刚性连接刚性连接梁柱节点变形特点MaθaMFa若q均匀分布，MFa=-ql2/12M1M3M2132θa=-MFa/(2EI/l)图乘法可以得到M1/MFa>0.9，为刚性，rigidframe；M1/MFa<0.2，为简支simpleframe；介于上述之间时为半刚性semi-rigidframe；铰接2/3有支撑无支撑Φ/ΦpM/MpMp—梁的塑性弯矩Φp＝MpLx/EIb欧洲规范EC3分类法2)刚接框架(Rigidframes)的工作特点在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移由以下几部分组成：

柱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；节点域剪切变形引起的侧移；整体二阶效应引起的侧移；柱弯曲变形引起的侧移δic：lh/2h/2V/2V/2V/2V/2δicEIclh/2h/2V/2V/2V/2V/2δibM=Vh/2θEIb梁弯曲变形引起的侧移δib：柱拉压变形引起的侧移δif：lhVNNδifMcMcθCNθCN节点域剪切变形引起的侧移δis：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10％～20％）2B2DδisγiQiQiMp厚度t整体二阶效应引起的侧移ΔⅡ：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：ΔⅡ=Δ1+Δ2+…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算稳定。（如等效水平荷载法、非线性分析法等）Δ1VPΔ1Δ2P总体层间变形：δic柱弯曲δib+δif+ΔⅡ节点整体转动δis节点剪切δi＝δic+δib+δif+δis+ΔⅡ由于δif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V成正比，故下大、上小，为整体剪切变形。δis对Δ的影响可达10％～20％。层绝对变形：在水平荷载作用下，一榀框架在第i层的水平位移，是第1~i层的各层间位移之和，即实例北京长富宫中心1.建筑概况地下2层、地上25层，旅馆建筑，建于1987年。高91m，层高3.3m，25.8×48m矩形平面，柱网8×9.8m。外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。2.结构体系及主要计算结果为钢框架体系，但在2层以下和地下室为钢骨混凝土结构。基本周期为3.6s，最大层间位移1/337，小于1/300的限值。设计过程中曾与框架-支撑体系方案作比较。框架-支撑体系的基本周期为2.37s，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，但因施工复杂等原因未取用该方案。3.钢材牌号及结构构件(2)钢柱焊接箱形截面柱450mm×450mm等，柱的钢板厚度自下而上为42mm~19mm(1)钢材牌号柱及主梁为SM50A，次梁SS41，压型钢板亦为SS41，高强度螺栓F10T。相当Q345焊接H型钢，高650mm，宽200~250mm，翼缘板厚度自下而上为32~19mm，腹板厚度12mm。多数梁为变截面梁，支座段的翼缘宽度和厚度大于中间段。(3)主钢梁(4)钢骨混凝土梁钢骨混凝土梁的截面为500mm×950mm及500mm×1100mm，相应钢骨梁为高度650及850mm的工字形截面。钢骨混凝土柱的截面为1200mm×1200mm及850mm×850mm，钢骨为450×450mm，即同上部钢柱截面。(5)钢骨混凝土柱(6)楼板采用1.2mm厚的压型钢板组合楼板，支撑于间距小于3m的次梁上，板下不设临时支撑，钢梁上焊栓钉。(7)外墙板采用带饰面的200厚的钢筋混凝土预制墙板，仅与上下现浇板及钢梁连接，不与柱相连。4.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栓的铰接相连法。预制外墙板与钢梁连接构造，见下图3.3框架-支撑体系(frameswithsheartrussorinteractingsystemofbracedandrigidframes)1)框架-支撑结构的分类中心支撑框架结构框架-中心支撑结构（双体系dualsystems）中心支撑的类型：单斜、交叉、人字型等偏心支撑框架结构框架-偏心支撑结构（双体系）框架-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开缝剪力墙的工作原理内藏钢板支撑剪力墙2)框架-支撑结构的工作特点框架—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，形成若干榀带竖向支撑的支撑框架。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；框架需根据抗震需要进行内力调整。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），不按双体系设计；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。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％和框架部分层地震剪力最大值1.8倍二者中的较小值。在水平荷载作用下，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，即框架—支撑体系。如何协同工作变形特点受力特点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，尤其在往复的水平地震作用下，会产生下列后果：(1)支撑斜杆重复压曲后，其受压承载力急剧降低；(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内力；(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的拉伸状态，这将对结构产生冲击性作用力，使支撑及其节点和相邻的构件产生很大的附加应力；(4)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。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(耗能梁段)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后。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。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1.6倍。3.4伸臂桁架结构(outriggertrusssystems)1)结构形式2)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，从而提高结构侧向刚度、减小结构水平位移，也减少内筒所承担的倾覆力矩。3)伸臂桁架的位置及特点利用设备层或避难层设置伸臂桁架；伸臂桁架的高度为设备层的层高；其腹杆布置需考虑便于人员通行及管道穿越而过。对应伸臂桁架的楼层位置，宜沿外框架周边设置腰桁架或帽桁架，以使外框架的所有柱子能与内筒起到整体抗弯作用。腰桁架的高度也与设备层的层高相同。3.5交错桁架体系(staggeredtrusssystems)1)结构构成2)受力特点3.6筒体结构(tubestructures)1)筒体结构的分类外筒体系筒中筒成束筒框架筒体桁架筒体密柱深梁刚性连接柱距1.5~3m为方、圆、八角形长宽比小于1.53.6筒体结构(tubestructures)1)筒体结构的分类外筒体系筒中筒成束筒框架筒体桁架筒体不必密柱深梁梁柱可为铰接柱距可以3~6m以上长宽比小于1.5较好消除剪力滞后角柱受力较大3.6筒体结构(tubestructures)1)筒体结构的分类外筒体系筒中筒成束筒框架筒体桁架筒体外筒要求和形式同上内筒采用支撑框架或支撑排架外筒承受弯矩和一部分水平剪力内筒主要承担水平剪力和竖向荷载3.6筒体结构(tubestructures)1)筒体结构的分类外筒体系筒中筒成束筒框架筒体桁架筒体有多榀腹板框架，刚度更大整体性更好，减小剪力滞后可适当加大柱距、减小梁高2)框筒与成束筒的剪力滞后3)腰桁架、帽桁架和转换桁架柱距较大时、长宽比较大时，剪力滞后效应明显，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4)筒体结构的用钢量3.7巨型结构体系(megastructuresystems)1)巨型桁架(支撑)结构megatrusses2)巨型框架结构megaframes上海证券大厦3)巨型悬挂结构megasuspensionstructures4)巨型分离式结构megaseparatedstructures3.8特殊结构体系1)受力蒙皮结构stressedskinsystem2)巨型框撑结构megabracedframesystem3.9结构选型和布置原则1)结构选型的总体原则根据建筑物用途、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，并控制结构的高宽比H/B。应具有明确的计算简图和传力途径。抗震结构应避免因部分构件或结构的破坏，引起整个体系失效，应有多道抗震防线；结构应具有必要的刚度、承载力，良好的变形能力(延性)和耗能能力；应具有均匀的刚度和承载力分布，平面形状应尽量规则、简单、对称。宜积极采用轻质高强材料。2)柱网、梁格布置原则柱网形式和柱距应根据建筑和受力要求确定，尽量使主要受力柱与主要抗侧力构件在同一平面内，且应使主要受