多高层钢结构

多高层钢结构第1页，共51页，2023年，2月20日，星期一

§3-1

概述

一、多、高层钢结构建筑的应用1、建筑用钢量国内：全部钢产量的20%～25%

国外（美国、日本）：50%

我国真正用于钢结构的钢材仅为200～300

万吨（年产量1亿吨）2、典型的高层钢结构建筑第2页，共51页，2023年，2月20日，星期一第一台北国际金融中心（101楼）101层高508米台北第3页，共51页，2023年，2月20日，星期一第二、三吉隆坡佩纳斯大厦(双塔)95层高452米1996年建成第4页，共51页，2023年，2月20日，星期一第5页，共51页，2023年，2月20日，星期一第四西尔斯大楼110层高443米美国芝加哥第6页，共51页，2023年，2月20日，星期一第五上海金茂大廈88层高420米1998年落成第7页，共51页，2023年，2月20日，星期一第六国际金融中心大厦（二期）高416米中国香港第8页，共51页，2023年，2月20日，星期一第七中信广场大厦中国广州第9页，共51页，2023年，2月20日，星期一第八信兴广场大厦中国深圳第10页，共51页，2023年，2月20日，星期一第九帝国大厦高381米美国纽约第11页，共51页，2023年，2月20日，星期一第十中央广场大厦高374米中国香港第12页，共51页，2023年，2月20日，星期一世贸中心，高417米和415米，110层第13页，共51页，2023年，2月20日，星期一阿联酋迪拜大厦（在建）据说世界第一第14页，共51页，2023年，2月20日，星期一95层高466米在建

上海环球金融中心第15页，共51页，2023年，2月20日，星期一二、高层建筑钢结构的特点(1)自重轻、强度高采用钢结构承重骨架,比钢筋混凝土结构轻1/3以上。结构自重轻,可以减少运输和吊装费用,基础的负载也相应减少,在地质条件较差地区,可以降低基础造价。(2)抗震性能好钢材的弹塑性性能好,地震作用下具有良好的延性。自重轻也显著减少地震作用,一般可减少40%左右主要表现在:具有良好的综合经济效益和力学性能第16页，共51页，2023年，2月20日，星期一(3)有效使用面积高构件断面小,所占面积小；同时还可适当降低建筑层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比,可相应增加建筑使用面积约4%。(4)建造速度快构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构相比.一般可缩短建设周期约1/4～1/3。(5)防火性能差无耐火防护的钢构件,其平均耐火时限约15min左右,明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必须用专门的防火涂料防护,以满足防火规范的要求。第17页，共51页，2023年，2月20日，星期一

特点：平面布置灵活，可为提供较大的室内空间，结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。三、多高层建筑钢结构体系1.框架结构第18页，共51页，2023年，2月20日，星期一第19页，共51页，2023年，2月20日，星期一2.框架-支撑体系

纯框架侧移不满足时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。竖向支撑桁架起剪力墙的作用，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。第20页，共51页，2023年，2月20日，星期一支撑的形式和布置第21页，共51页，2023年，2月20日，星期一

在水平力作用下,支撑顶部将产生很大的水平变位。此时可在顶层设置帽桁架及在中间某层设置腰桁架。帽桁架和腰桁架使外围柱与核心抗剪结构共同工作,可有效减小结构的侧向变位,刚度也有很大提高。腰桁架的间距一般为12-15层,腰桁架越密整个结构的简体作用越强〈这种结构通常被称为部分筒体结构体系),当仅设一道腰桁架时,最佳位置是在离建筑顶端0.455H高度。第22页，共51页，2023年，2月20日，星期一

在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系，这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40至60层的

高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿

服务性面积（如楼梯间、电梯间

和卫生间）周围设置，就形成框

架多筒体结构体系。这种结构体

系在各个方向都具有较大的抗侧

力刚度，成为主要的抗侧力构件，

承担大部分水平荷载，钢框架主

要承受竖向荷载。3.框架剪力墙结构体系第23页，共51页，2023年，2月20日，星期一剪力墙钢筋混凝土剪力墙钢筋混凝土带缝剪力墙钢板剪力墙刚度较大,地震时易发生应力集中,导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设置框架结构竖缝。这样墙体成了许多并列的壁柱,在风载和小震下处于弹性阶段,确保结构的使用功能。在强震时进入塑性阶段,能吸收大量地震能量,各壁柱继续保持其承载能力,以防止建筑物倒塌。以厚约8～lOmm的钢板做成剪力墙,与钢框架组合,起到刚性构件的作用。第24页，共51页，2023年，2月20日，星期一

将框架-剪力墙结构体系中的剪力墙结构设置于内筒的四周形成封闭的核心筒体，而外围钢框架柱柱网较密，形成框架-核心筒体系。中心筒体既可采用钢结构亦可采用钢筋混凝土结构,核心筒体承担全部或大部分水平力及扭转力。楼面多采用钢梁、压型钢板与现浇混凝土组成的组合结构，与内外筒均有较好的连接，水平荷载将通过刚性楼面传递到核心筒。钢与钢筋混凝土筒体结构的水平刚度取决于核心筒的高宽比。

4.框架-核心筒结构体系第25页，共51页，2023年，2月20日，星期一5.筒体结构

由内外两个筒体（筒中筒）或多个筒体结构（束筒体系）组合而成，共同抵抗水平力，具有很好的空间作用，适用于90层左右的钢结构建筑。第26页，共51页，2023年，2月20日，星期一6.悬挂结构第27页，共51页，2023年，2月20日，星期一第28页，共51页，2023年，2月20日，星期一1.确定合理的结构形式和节点的连接（形式）方法；2.选择结构和连接的材料并提出相应的技术性能指标；3.维护结构的选择（从结构上考虑）；4.构件的形式并初步估算截面尺寸；5.荷载汇集及荷载组合；6.地震作用计算；7.结构变形及内力计算；8.内力组合及构件截面验算；9.连接的设计计算；10.维护结构的设计计算；11.基础设计；12.其他。三、结构设计的一般步骤第29页，共51页，2023年，2月20日，星期一§3-2多高层钢结构的计算特点一、结构的荷载种类竖向荷载：永久荷载（自重和使用荷载）水平荷载：风荷载地震作用：水平和竖向二、荷载计算1.风荷载2.地震作用计算第30页，共51页，2023年，2月20日，星期一三、计算的一般原则1.多高层建筑钢结构的内力与位移一般采用弹性方法计算。对有抗震设防要求的结构，除进行多遇地震作用下的弹性效应计算外，还应考虑在罕遇地震作用下结构可能进入弹塑性状态，采用弹塑性方法进行分析。2.高层建筑钢结构通常采用现浇组合楼盖，一般可假定楼面在自身平面内为绝对刚性。但在设计中应采取保证楼面整体刚度的构造措施，如加设梁抗剪件、非刚性楼面加整浇层等。对整体性较差、或楼面有大开孔、有较长外伸段或相邻层刚度有突变的楼面，当不能保证楼面的整体刚度时，宜采用楼板平面内的实际刚度。第31页，共51页，2023年，2月20日，星期一3.由于楼板与钢梁连接在一起，当进行多高层钢结构的弹性分析时，宜考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作，此时应保证楼板与钢梁间有可靠连接。当进行弹塑性分析对，楼板可能严重开裂．因此，不宜考虑楼板与钢梁的共同工作。4.多高层钢结构的计算模型应视具体结构形式和计算内容规定。一般情况下可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元或为简单结构时，应采用空间结构计算模型。第32页，共51页，2023年，2月20日，星期一5.高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，在计算结构的内力和位移时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的轴向变形外，尚应考虑梁、柱的剪切变形。由于梁的轴力很小，一般不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计入轴力的影响。6.钢框架一剪力墙体系中，现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙的计算应计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形。当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。第33页，共51页，2023年，2月20日，星期一7.柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连接计算，其端部连接的刚度通过支撑构件的计算长度加以考虑。若采用偏心支撑，由于耗能梁段在大震时将首先屈服，计算时应取为单独单元。第34页，共51页，2023年，2月20日，星期一四、梁、柱的截面形式第35页，共51页，2023年，2月20日，星期一(一)PKPM系列——钢结构CAD软件STS(二)STAAD/CHINA2000钢结构设计与绘图软件

(三)ANSYS

(四)芬兰Xsteel中文版智能钢结构详图设计系统

(五)StruCad三维钢结构详图系统

(六)SCIA钢结构CAE/CAD/CIM一体化软件

(七)PS2000门式刚架轻型房屋设计CAD系统

(八)门式刚架轻型房屋钢结构软件GFCAD

(九)PDSOFTSteelWorks三维钢结构设计与分析计算软件

(十)同济大学空间钢结构软件3D3S

(十一)多高层钢结构设计系统M&TSteel

(十二)广厦建筑钢结构CAD系统五、内力与位移计算1.钢结构的静、动力分析一般应借助计算机完成。第36页，共51页，2023年，2月20日，星期一2.人工计算内力和位移（初步设计时截面的预估）(1)地震作用、风荷载作用下，采用D值法。(2)竖向荷载作用下，采用分层法、或弯矩二次分配法3.结构内力分析时，应注意的问题(1)节点板域剪切变形的影响节点域剪切变形对高层钢结构水平位移影响一般可达10%～20％。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期一（2）P－Δ效应影响

竖向荷载作用下，因水平位移而产生的内力与位移增大的现象，即P－Δ效应。a.一阶弹性分析

第一阶段设计采用线弹性计算方法，竖向荷载作用下与水平荷载作用下的内力和位移是彼此独立的，两者的内力与位移可以直接相加。b.二阶弹性分析（非线性分析）50层左右的高层钢结构P－Δ效应产生的二阶内力和位移可达15％以上。

地震作用下，抗震设计规范规定：当结构地震作用下的重力附加弯矩大于初始弯矩的10％时，应计入重力二阶效应。第38页，共51页，2023年，2月20日，星期一六、位移限制1.高层建筑钢结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/600，质心层间侧移不宜超过楼层高度1/400。结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.2倍2.高层建筑钢结构的第一阶段抗震设计，其层间侧移标准值不得超过结构层高的1/250。3.高层建筑钢结构的第二阶段抗震设计，其结构层间侧移不得超过层高的1/70，结构层间侧移延性比不大于下表的规定。第39页，共51页，2023年，2月20日，星期一§3－3压型钢板组合楼（屋盖）结构一、在确定楼盖结构方案时，应考虑以下要求：

①保证楼盖有足够的平面整体刚度；

②减轻结构的自重及减小结构层的高度；③有利于现场安装方便及快速施工；

④较好的防火、隔音性能，并使于管线的敷设。

高层建筑钢结构的最常用的做法为在钢梁上铺设压型钢板，再烧注整体钢筋混凝土板，形成组合楼板。第40页，共51页，2023年，2月20日，星期一钢与混凝土组合楼（屋）盖第41页，共51页，2023年，2月20日，星期一二、组合楼板的设计要求1.组合楼盖常用的压型钢板一般由厚0.8一1.0mm的热镀锌薄板成型，长度为8～12m。各块压型钢板之间应用紧固件将其连成整体。安装时，压型钢板表面的油污应清除，避免长期暴露而生锈。对处于较严重腐蚀环境下的建筑，不宜采用压型钢板组合楼盖体系。2.设计楼盖结构时，压型钢板可以有三种形式:①压型钢板只作为永久性模板使用；②压型钢板既是模板又作为底面受拉配筋；即组合楼板；③压型钢板承受全部楼板活荷载。

仅作为永久性模板使用时，压型钢板承受施工荷载和混凝土的重量。

对同时兼作模板和受拉配筋的压型钢板组合楼板的设计，应分阶段验算，即施工阶段和使用阶段。第42页，共51页，2023年，2月20日，星期一三、组合梁的设计要求组合梁由钢筋混凝土翼板、抗剪连接件和钢梁组成1.组合梁翼板的有效宽度第43页，共51页，2023年，2月20日，星期一2.组合梁的截面设计

组合梁截面高度一般为跨度的1/15~1/16，钢梁截面高度不宜小于组合梁截面总高度的1/2.5。截面设计计算方法：弹性分析方法塑性分析方法3.组合梁连接件设计（1〕形式（2）作用第44页，共51页，2023年，2月20日，星期一§3-4构件及其连接设计特点一、梁的设计1.强度2.整体稳定3.局部稳定4.刚度第45页，共51页，2023年，2月20日，星期一二、柱的设计1、强度和稳定2、板件宽厚比3.长细比7度及7度以上设防，6度和非抗震设防，第46页，共51页，2023年，2月20日，星期一三、抗侧力结构设计1.中心支撑内力计算特点

①垂直支撑作为竖向桁架的斜杆，主要承受水平荷载（风荷载或多遇地震作用）引起的剪力。但由于高层建筑在水平荷载下变形较大．在重力和水平力下，还承受水平位移和重力荷载产生的附加弯曲效应。水平位移主要由两部分引起，即楼层安装初始倾斜率和荷载作用下楼层的侧移