多层及高层房屋结构

建筑钢结构设计第四章多层及高层房屋钢结构目录多、高层房屋结构的组成1楼盖的布置方案和设计3柱和支撑的设计4结构的分析和设计计算24.1多、高层房屋结构的组成4.1.1多高层房屋结构的类别在多、高层建筑中，侧向荷载效应的影响处于突出地位，抗侧力结构体系的确定和设计极其关键。主要结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、框架—筒体结构、筒体结构（筒中筒、束筒体系）。结构侧向位移模式：剪切型和弯曲型。4.1多、高层房屋结构的组成一、框架结构体系指沿房屋的纵向和横向，均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件所形成的结构体系。优点：建筑平面布置灵活；各部分刚度比较均匀；延性较大，自振周期较长。但侧移刚度相对较小，房屋高度不宜过高侧向为剪切变形模式。框架结构组成：由梁、柱、节点及基础组成，节点构造十分重要。4.1多、高层房屋结构的组成二、框架—剪力墙结构体系指在框架结构中布置一定数量的剪力墙作为抗侧力结构所组成的结构体系。优点：结构具有较大的刚度；平面布置灵活、使用方便。分为：钢筋砼剪力墙、钢筋砼带缝剪力墙和钢板剪力墙。剪力墙4.1多、高层房屋结构的组成上海明天广场60层，238m，最高的框架—剪力墙结构，98年建成。框架－剪力墙结构适用范围：15～25层，高宽比H/B不宜大于4-54.1多、高层房屋结构的组成三、框架—支撑结构体系指由竖向或横向布置的支撑桁架结构和框架构成。特点：框架与支撑系统协同工作，竖向支撑桁架起剪力墙作用，承担大部分水平剪力。

根据房屋高度及其所受水平力的不同，筒体体系可以布置成核心筒结构、框筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、成束筒结构和多重筒结构等形式。4.1多、高层房屋结构的组成四、框架—核心筒结构体系将框架—支撑结构体系中的各片竖向支撑沿核心区的周边布置或将框架—剪力墙结构设置于内筒的四周，形成封闭的核心筒体，外围钢框架柱形成框架体系。

特点：核心筒承担全部或大部分水平力及扭转力。它的空间受力性能，在水平力作用下具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。应用于层数较多的高层建筑中。剪力滞后造成角柱的轴力过大，两个措施：控制框筒平面的长宽比加大框筒梁和柱的线刚度之比

适用的建筑高度可超过90层框筒结构1.框架形成的筒体结构，内筒及其它竖向构件主要承受侧向荷载，外层框架主要承受竖向荷载

刚性楼面结构作为框筒的横隔

补充：框筒结构在水平荷载作用下，腹板承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩，它们之间通过框筒束联系，如果角柱很弱，则达不到上述效果。角柱处轴向变形为最大，离角柱越远的各柱轴向变形为最小，这种现象称为剪力滞后。如忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致不安全。在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为剪力滞后。简单的说，墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒，开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后现象。

剪力滞后（ShearLag）措施：1、采取“密柱深梁”，2、在单筒内加“隔壁”，也就是化单筒为筒束，可明显减小剪力后滞显现。3、筒体截面接近正多边型，或圆型，剪滞现象就弱些。4.1多、高层房屋结构的组成五、筒体结构体系由内外两个筒体，或多个筒体结构组合而成，共同抵抗水平力。（筒中筒、束筒体系）特点：内、外框筒通过各层楼盖的联系，共同承担在风、地震等水平荷载作用下，整个结构的水平剪力和倾覆力矩。减缓框筒结构的剪力滞后效应密柱深梁或钢筋混凝土内筒2、纽约世界贸易中心大楼(WorldTradeCenterTowers)1972年建造，110层，高402m，钢结构纽约世界贸易中心：大楼于1966年开工，历时7年，1973年竣工以后，以411米的高度作为110层的摩天巨人而载入史册。它是由5幢建筑物组成的综合体。其主楼呈双塔形，塔柱边宽63.5米。大楼采用钢结构，用钢7万8千吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗”之称。世界贸易中心（WorldTradeCenter，1973年—2001年9月11日）在纽约曼哈顿岛西南端，为美国纽约的地标之一，西临哈德逊河。2001年9月11日发生的9·11事件中倒塌。由两座并立的塔式摩天楼、4幢7层办公楼和1幢22层的旅馆组成，建于1962—1976年。业主是纽约州和新泽西州的港务局。设计人是美籍日裔建筑师M·雅马萨基（MinoruYamasaki，日本名为山崎实）。世界贸易中心曾为世界上最高的双塔，纽约市的标志性建筑，也曾是世界上最高的建筑物之一。

2001年9月11日，被恐怖分子劫持的两架飞机先后撞向世贸中心的双塔楼，由于撞击引起大火，双塔楼在间隔几十分钟内相继倒塌。

撞机倒塌瞬间六、束筒结构

由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应)

可较灵活地组成平面形式钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)

可将各筒体在不同的高度中止密柱深梁的钢结构筒体筒体110层，高443米，于1973年竣工，钢结构3、美国西尔斯大厦4.1多、高层房屋结构的组成适用高度

JGJ99-98)依据地震设防烈度划分：其他形式：芯筒体系(悬挂结构)：设置一些帽桁架和腰桁架的水平桁架加支撑的外围框架作为框筒大厦高310m，70层，平面尺寸52m×52m；楼顶倾斜，整个建筑像一个富有变化的多面体。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，斜撑采用钢—混凝土，室内无一根柱子。香港中国银行大厦工程实例

1、世侨中心

世侨中心处于鹭江道与小学路交会处，项目占地面积3648.71平方米，建筑总高度112.6米，地下室4层，以“国际·现代·智慧·低碳”为特色，旨在打造城市地标性5A甲级写字楼。

塔楼的抗侧力体系采用筒中筒结构，即外围的蜂窝形钢网格筒与内部钢框架支撑筒为全钢结构体系，结构延性好，重量轻。该项目是思明区重点工程。项目预计2014年5月6日投入使用，“但我们有信心提前完成”。

非抗震设防的多层(12层)钢结构房屋形式：纯采用框架结构或斜撑(或剪力墙)体系

斜撑体系梁和柱的连接都可做成铰支即柔性连接

抗震设防的多高层钢结构房屋形式：中心支撑体系，不超过12层偏心支撑体系，超过12层4.1多、高层房屋结构的组成4.1.2结构布置提要一、平面布置建筑平面及体型宜简单、规则。平面布置，应力求使结构的抗侧力刚度中心与水平荷载合力中心重合，以减小结构受扭转的影响。结构平面布置不宜使钢柱截面尺寸过大，钢板厚度不宜超过100mm。刚度中心是在不考虑扭转情况下各抗侧力单元层剪力的合力中心，是指结构抗侧力构件的中心。二、

结构布置提要光滑曲线构成的凸平面形式：风载体型系数小

平面宜简单、规则、对称、减少偏心；

平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过长。采用中心对称或双轴对称的平面形式：减小或避免在风荷载作用下的扭转振动平面尺寸关系：平面不规则结构

结构平面形状有凹角，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25%；楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50%；抗水平力构件既不平行又不对称于侧力体系的两个互相垂直的主轴。

一般不宜设置防震缝（高层建筑宜调整平面形状和结构布置，采取构造措施和施工措施，尽量不设缝或少设缝；需要设缝时，必须保证必要的缝宽以防止震害。）

4.1多、高层房屋结构的组成结构竖向布置

1.结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心接近重合;2.各层的刚度中心应接近在同一竖直线上;3.高宽比（GB50011）竖向布置的不规则结构

楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低超过50%；相邻楼层质量之比超过1.5(建筑为轻屋盖时，顶层除外)；立面收进尺寸的比例为L1/L<0.75(图4.7)；竖向抗侧力构件不连续；任一楼层抗侧力构件的总受剪承载力，小于其相邻上层的80%。4.1多、高层房屋结构的组成基础

宜设地下室抗震设防基础埋深宜一致,不宜采用局部地下室基础埋深，天然地基不宜小于H/15，桩基时不宜小于H/20采用钢筋混凝土剪力墙或框剪结构型式设置钢骨(型钢)混凝土的过渡层，一般为23层

4.1多、高层房屋结构的组成三、结构布置的其它要求宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土楼板；高层建筑基础宜设置地下室。暴露在室外的钢结构构件，应采取隔热和防火措施，以减少温度应力的影响。一、

楼盖布置原则楼盖结构作用直接承受竖向荷载并将其传递给竖向构件

;横隔作用

方案选择要求建筑设计(具有隔声、防水防潮、防火、保温隔热等性能);较小自重;便于施工;足够的整体强度和刚度。4.2楼盖的布置方案和设计楼盖结构组成：楼板和梁系楼板

现浇钢筋混凝土楼板、预制楼板、压型钢板组合楼板用于多、高层建筑的楼板

现浇钢筋混凝土楼板预制楼板压型钢板组合楼板卫生间开洞较多处高度不大且无地震设防的建筑（较少采用）应与钢梁可靠连接，且在板上浇注刚性面层预制楼板通过其底面四角的预埋件与钢梁焊接

1）焊脚高度不应小于6mm2）焊缝长度不应小于80mm板缝的灌缝构造宜一律按抗震设防要求进行。必要时可在板缝间的梁上设抗剪件(如抗剪栓等)多用于工业建筑2.

梁系由主梁和次梁组成结构体系包含框架时，一般以框架梁为主梁，次梁以主梁为支承4.3楼盖的布置方案和设计

4.3.1楼盖布置原则和方案用于多、高层建筑的楼板有：现浇钢筋混凝土楼板，预制楼板以及压型钢板组合楼板等。梁系由主梁和次梁组成。结构一般以框架梁为主梁，主梁通常采用等间距设置。次梁以主梁为支承，可采取等跨等间距次梁或等跨不等间距次梁，间距小于主梁。4.3楼盖的布置方案和设计

梁系的布置还要考虑：1.钢梁的间距要与上覆楼板类型相协调；2.钢梁将竖向抗侧力构件连成整体，形成空间体系；3.竖向构件纵横两个方向均应有主梁与之相连，保证两个方向长细比接近。4.外层竖向构件应具有较大的竖向荷载，满足抗倾覆要求。梁系布置时考虑的因素钢梁的间距要与上覆楼板类型相协调，尽量取楼板经济跨度以内；（压型钢板组合楼板取2～3m）主梁应与竖向抗侧力构件直接相连；（充分发挥整体空间作用）竖向构件纵横两个方向均应有主梁与之相连，以保证两个方向的长细比不致相差悬殊；梁系布置应能使尽量多的楼面重力荷载份额传递到竖向构件；（如，设置斜向主梁）为减小楼盖结构的高度，主次梁通常不采取叠接方式。主梁和次梁的连接宜采用简支连接；（其传递荷载为次梁的梁端剪力，并考虑连接的偏心引起的附加弯矩，可不考虑主梁扭转）必要时也可采用刚性连接。

主次梁连接（一）简支连接实例主梁与次梁的铰接连接主次梁连（二）刚性连接二、压型钢板组合楼盖的设计

压型钢板混凝土组合楼板是将压型钢板铺设在钢梁上，在压型钢板和钢梁翼缘板之间用圆柱头焊钉进行穿透焊接，压型钢板即可作为浇筑混凝土时的永久性模板，也可作为混凝土板下部受拉钢筋与混凝土一起共同工作。优点：

（1）合理设计后，可不设施工专业的模板系统，加快施工进度（2）压型钢板的凹槽内可铺设管线，吊顶方便。（3）压型钢板便于运输、堆放，安装方便。（4）增强钢梁侧向稳定性作用，在组合楼板中压型钢板可以作受拉钢筋使用。

组合楼板中考虑混凝土楼板与钢梁共同工作，同时钢梁的刚度也有了提高，为保证压型钢板和混凝土叠合面之间的剪力传递，须在压型钢板上增加纵向波槽、压痕或横向抗剪钢筋等。压型钢板组合楼板：这种组合体系是利用凹凸相间的压型薄钢板作衬板与现浇混凝土浇筑在一起而形成的钢衬板组合楼板，既提高了楼板的强度和刚度，又加快了施工进度。近年来主要用于大空间、高层民用建筑和大跨度工业厂房中。依靠压型钢板上的压痕，开的小洞或冲成的不闭合孔眼压行钢板与混凝土的的联结方式1、布置方式：

组合楼板一般以板肋平行于主梁的方式布置于次梁上，不设次梁时以板肋垂直于主梁的方式布置于主梁上。钢梁上翼缘通长设置抗剪连接件(宜采用栓钉，也可采用槽钢、弯筋)传递水平剪力。抗剪栓钉的布置

抗剪栓钉的布置抗剪栓钉压型钢板与抗剪栓钉的连接压型钢板与抗剪栓钉的连接2、栓钉受剪承载力设计值

位于连续梁中间支座上负弯矩段时，取折减系数0.9；位于悬臂梁负弯矩段时，取折减系数0.8说明：梁负弯矩区的焊接栓钉，周围混凝土对其约束的程度不如受压区，受剪承载力设计值应予折减混凝土板和梁翼缘之间有压型钢板时，Nvc还需要再折减：压型钢板肋与钢梁平行时

压型钢板肋与钢梁垂直时

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85.020ηhhhbnpps£1.0-´=h组合楼板组合板非组合板考虑压型钢板对组合楼板承载力的贡献一般形式组合梁压型钢板组合梁组合梁预制钢筋混凝土板组合梁压型钢板组合楼板3、

组合楼板的设计组合楼板设计时的基本原则组合楼板的设计考虑两个受力阶段：1)施工阶段:对作为浇注混凝土底模的压型钢板进行强度和变形验算。2)使用阶段:对于非组合板，压型钢板仅作为模板使用；验算组合板在永久荷载和使用阶段的可变荷载作用下的强度和变形。施工阶段力学模型的说明强边方向(顺肋)弱边方向实质上是压型钢板的计算只考虑荷载沿强边方向传递(单向板)

(因强边方向的截面刚度远大于弱边方向)组合楼板使用阶段的设计非组合板:按常规钢筋混凝土楼板设计,应在压型钢板波槽内设置钢筋，并进行相应计算.组合板:

永久荷载+使用阶段可变荷载变形验算承载力验算单向弯曲简支板双向弯曲板或单向弯曲板正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力、斜截面抗剪承载力1、用于组合板的压型钢板净厚度(不包括镀锌层或饰面层厚度)不应小于0.75mm，仅作模板的压型钢板厚度不小于0.5mm。4、组合梁和组合板的构造要求2、组合板在下列情况之一时应配置钢筋：为组合板提供储备承载力的附加抗拉钢筋；在连续组合板或悬臂组合板的负弯矩区配置连续钢筋；在集中荷载区段和孔洞周围配置分布钢筋；改善防火效果的受拉钢筋；在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋，应配置在剪跨区段内，其间距宜为150300mm。4.3楼盖的布置方案和设计

梁-柱连接节点方式4.3楼盖的布置方案和设计

主-次梁连接节点方式4.3楼盖的布置方案和设计

4.3.2压型钢板组合楼盖的设计4.4柱和支撑的设计

4.4.1框架柱设计概要高层建筑中常用的柱截面形式有箱形、焊接工字形、