高层钢结构房屋结构体系

高层钢结构房屋21.1概述21．2钢结构构件的性能21．3高层建筑钢结构的结构体系2.1．1世界高层建筑钢结构的发展钢结构是世界早期高层建筑中最先使用的一种结构类型，将其应用到实际工程中已有几百年历史。19世纪末，西方就开始尝试用钢铁材料制作的框架承重体系，例如美国在1883年建造的11层的保险公司大楼就是采用生钢柱和熟铁梁所构成的框架来承担全部荷载，外围砖墙仅是自承重墙，这栋楼被认为是近代高楼的始祖。

计算机和结构计算理论也的飞跃性发展。这些进步使得高层建筑的结构体系呈现出先进、新型、高效和多样化的局面，同时带来了设计技术的革新，增加了高层建筑的适用性和使用功能，也降低了建筑的造价。1）国外的发展高层钢结构在国内外的发展形成期西方工业革命时期，铁钢开始用于建筑1872年法国巴黎Menier巧克力厂采用了钢框架结构发展期20世纪初，技术进步加速，电梯技术的完善。1931年纽约建成381m(102层)的帝国大厦，钢框架结构，206Kg/m2,雄踞世界第一高40多年。Empirestatebuilding繁荣期1945年二次大战后，高层在美欧等西方国家快速发展，其中以美国最具代表性芝加哥Sears大厦，109层443米，用钢量161Kg/m2，1974年建成。SearsTower成束筒体系。Sears2）国内的发展解放前高层钢结构建筑甚少，最高的是1934年在上海建成的上海国际饭店，22层，高82.5米。中国大陆自20世纪80年代中期起步修建高层钢结构，先后在上海、北京、深圳、广州、大连、厦门、沈阳、天津等地建造了数10幢高层钢结构建筑。国内目前最高的为上海环球金融中心主楼建筑面积：25.3万m2。总用钢量：65000t。建筑规模：主体建筑物高492米,地上101层，地下3层。结构形式为同时采用三种体系：a、巨型柱、巨型斜撑和带状桁架组成的巨型结构；b、钢筋混凝土的核心筒；c、构成核心筒和巨型柱之间相互作用的伸臂桁架。投资单位：日本森海外株式会社日本森大楼公司主导兴建2008年8月竣工上海中心大厦

大厦的主楼为127层，总高为632米，结构高度为565.5米，这两个高度均超过了上海环球金融中心，从而成为“上海第一高”。

“上海中心”建筑外观呈螺旋式上升，建筑表面的开口由底部旋转贯穿至顶部，从天空向下俯瞰，“上海中心”非对称的顶部卷折状造型，将进一步丰富上海的城市天际线。

“上海中心”总投入将达148亿元，2014年竣工交付使用。项目的开发建设和运营由上海中心大厦建设发展有限公司负责。国内在建或已建完的其他著名高层钢结构详细信息1）高钢的优缺点优点承载能力高，自重轻，与钢筋混凝土结构相比要轻30％-50％，结构所占面积和空间小，另外钢结构断面小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8％左右，抗震性能好，工厂化程度高，建设周期短，钢材可回收，对环境污染小。缺点钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。2）高层钢结构的适用范围公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。特别适用于40层以上的超高层建筑，烈度为8度及以上地震区的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形式喜人。21．2钢结构构件的性能钢是具有较好的延性材料。但是由钢材制造成的钢结构构件，在竖向和水平荷载作用下并不一定总是延性破坏。在钢结构构件中，其脆性破坏主要是失稳和脆性断裂。构件截面因宽厚比较大而产生局部压屈，柱和斜撑因长细比较大而挠屈失稳以及梁、柱构件的侧向扭屈等属于失稳破坏。螺栓或铆钉连接的净断面拉坏，焊缝应力集中断裂等为脆性断裂破坏。

因此，避免钢结构构件的脆性破坏，是搞好钢结构设计的重要问题。21．2．1钢梁

1．单调荷载下的性能H形截面梁在均布弯矩作用下的弯矩-转角关系、依赖于横向无支长度对绕截面弱轴的回转半径之比，示于图21．2．1对曲线A，小，受弯承载力保持在时有大的转角，值为：式中，是塑性的截面模量，是钢材屈服强度。对曲线B,略大于A的值。在达到足够的转角之前因横向压屈使承载下降。如果更大，在达到受弯承载力之前横向压屈，如曲线C.。2．反复荷载下的性能钢梁在往复荷载作用下的性能与单调荷载作用下基本一致，其滞回环在小的转角幅度下是稳定的，其反复荷载作用下的转角能力随的变化低于单调荷载。循环荷载作用下的滞回曲线如图21．22所示；21．2．2钢柱1．单调荷载下的性能宽翼板的柱在固定轴力和单调弯矩作用下的弯矩—曲率关系如图21．2．3，其中是轴力为零时的全塑性弯矩，是轴力为零时的屈服曲率。如果不出现局部压屈，随曲率的增加，弯矩可达到值并保持不变。除了弯曲屈服破坏外，细长的柱因压弯和局部压屈可能在平面内失稳。

2．反础复荷峡载下菠的性幕能横向撇被梁龙支承薪的框的架柱质在固缘瑞定轴暖向和托反复脊水平越荷载进作用俩下的补滞回两曲线疮如图21．2，4所示男。21．2．3支撑议构件图21．2．5给出昆了斜葬杆在捐反复摇荷载腔下的他滞回葵性能橡，其侵中P和分别就是斜柜杆内慢的轴洗向力分和相侦应的艇伸长变度，H和分别缝是斜钟杆承体受的假水平盯荷载垄和框挽架的闸水平并位移。殿由于司每根只斜杆作只承族受拉卖力，倒如图21．2．5b、c，斜生杆承球担的辱总水雀平荷症载是亏各杆扑力的寇水平岭分量爷之和芒，如狐图21．2．5d。d中的缎滞回雅环表糕示斜风杆只砍在发枝展新首的塑演性伸牌长度谣时才供消耗浩能量挂。斜朋杆如类果在窑固定彻位移椅幅度罢的反音复荷麻载作奥用下愈，则旺不消摆耗能概量，秀如图21．2．5e；这故就是业说．欲一般怕地斜植杆的氏能量大消耗美能力朗小于肢抗弯费框架择。21．2．4连接致节点焊接窜的刚棵性梁乔柱连抛接处晋的破柳坏可斑能是凭局部额高应咱力导携致的置屈服卡或断散裂，窑如图21划.2．6b，也继可能燥发生接节点气板剪享切屈招服，剥如图21．2．6a；梁殿翼板选传来悦的压昌力和劫拉力宿形成凯的局令部应遍力可往能带奔来两青类破佛坏：〔1穷)梁受承压翼遥板传键来的颈压力鸟使柱众腹板袋翘曲(2昌)梁受通拉翼蠢板传帅来的开拉力凭使柱焦的翼诞板与悦相邻许腹板消处的犹焊缝撤断裂瞎导致悔柱翼饱板过膏大的事挠曲废。21．3高层节建筑亏钢结遍构的凶结构耽体系目前妄，高孝层建棚筑钢肠结构六的主副要结地构体窗系有钢框贪架、可钢框挽架—抗剪仿结构震、带论水平恢加强感层的施钢框壶架—支撑赔桁架胃结构根、巨肉型结狠构、迟筒体无结构茄等结厚构体泄系，下面羡就这姿些结属构体敲系的兆不同塌特点献来分鲜别讨鹊论。21．3．1钢框锯架结声构体远系框架项结构晋体系是指午，沿掘房屋详的纵禾向和编横向洒均采轧用框扛架作腾为承坟重和今抵抗作侧向增力的早主要窗构件匙所构弦成的票结构描体系某。由于货框架插体系彩能够筐提供垄较大搞的内蔑部使夏用空情间，叛因而鸭建筑际布置吐灵活假。此鸡外，砌框架孝的杆敌件类博型少社，构票造简绿单，笼施工雅周期梢短。够所以传，对脾层数锦不太讨多的卷高层瓶结构狸来说唉，框斗架体较系是贷一种乖应用视比较逆广泛需的结皆构体齐系。这种索结构燥形式香的抗纸例移胳刚度秆主要恩取决酱于组享成框纹架的蛇柱和叼粱的榆抗弯眼刚度少，侧垄向刚蛇度较励小，龄主要杜适用权于30层以寻下的订建筑敲。纯框这架结阀构的庙抗侧狐移能絮力主崇要决杯定于妇柱和纷梁的伟抗弯克能力，当币楼层浪数较毛多时赖要提绸高结剑构的叶抗侧剩移刚衣度只僻有加怨大梁引和柱悲相的残截面柿。截续面过裂大，埋就会调使框年架失纺去其冶经济久合理焰性。21．3．2钢框跃架—抗剪召结构汪体系由于鄙纯框熄架结恰构是梨靠梁利柱的木抗弯伞刚度盐来低摆抗水歉平力趟，当瞧建筑阳物超炮过30层或暮纯框祸架结棚构在滋风荷慰载或距地震疼作用读下的帮侧移砖不符帖合要采求时望，往就往在局纯框芳架结眼构中腐再加营上抗歪侧移答构件盾，即础构成松了钢姜框架—抗剪箩结构淋体系怠。根据钉抗侧言移构蠢件的美不同谅，这区种体耐系又颤可分烧为框架仗剪力揉墙和响框架—支撑逗桁架挽结构私体系1．框短架—剪力桥墙结忍构体汁系这里办的剪宣力墙肆包括钢筋玻混凝裁土剪泛力墙添、带毒缝剪味力墙慰和钢痒板剪仔力墙等。在钢斯框架—剪力茂墙结将构体艰系中丹，剪减力墙纷刚度嫩较大视，在号大震福作用阿下易解发应抓力力螺集中毅现象扛。导校致出友现大夹的斜待向裂蹦缝而丽引起只脆性鲜破坏匪。为围了避叶免这陪种现屋象发继生，穷采用奴一种黑带缝剪拖力墙，这寄种剪歌力墙掘在风驾荷载荒和小李震作绍用下视处于兔弹性隔，刚情度较僵大；焦在大蛾震作轨用下蝴即进眠入塑具性状保态、变能吸袖收大炒量的希地震惰能量孤并保配证其过承载斧力。品这种情带缝收剪力抱墙，抢是在赔钢筋稳混凝废土墙场板中隆按一轨定间杆距设钞置竖违缝形善成的艘，在冶竖缝嗓中设姻置了浑两块方重叠盯的石肾棉纤泻维做糖隔板姥，既春不妨大碍竖停缝剪购切变坏形，料还能忍起到水隔音良等作胶用。带竖缸缝剪塔力墙胖板的宝框架钢板属剪力庙墙板2．框携架—支撑赌框架捉结构弃体系框架—支撑修框架展结构亚就是羞在框浙架的废一跨巡寿或几谨跨沿奔竖向世布置吨支撑德而构关成，勤其中队支撑医桁架蒙部分虑起着抖类似漂于框伏架—剪力肝墙结巨构中擦剪力挡墙的翅作用处。在恢水平茫作用遇下，判支撑液桁架翅部分蚁中支鲜撑构颈件只睛承受罚拉、幕压轴悲向力浴，这窝种结准构形杆式无焦论是擦从承款载力筋或变汁形的心角度楼看，纹都是心十分亭有效脂的。杠与纯舒框架茫结构勺相比拴，这芳种结翻构形敏式大善大提奔高了疮结构偿的抗明侧力锁刚度赞。支撑弦在水毫平荷扒载作侧用下伏所产备生的马侧移底，主水要是热由其储杆件盘的轴火向拉坝伸或赢压缩希变形赌引起遇的。灯与杆夸件的谷剪弯趣刚度己相比狗较，筒杆件乡丰的轴款向变扔形刚绝度要古大得禽多。宫也就京是说汽，支仪撑的露抗侧语力刚枣度相惠对于押框架文的抗关侧力膛刚度愈要大标得多犯。就钢渗支撑碎的布退置而侧言．腰可分匆为中心艺支撑(C的BF总)和偏墓心支疤撑(E般BF侍)两大猎类。在框虎架—支撑颤体系挑中的华中心觉支撑罗是指屠支撑蜓的两垮端都辆直接蛙连接仗在梁驾柱节层点上锤，而伯偏心法支撑榨就是储支撑暗至少溜有一亡端偏纺离了破梁柱该节点末，而禾是直懒接连可在梁零上，水则支勾撑与漏柱之刘问的奔一段粗梁即回为耗能赢连梁。中心折支撑踩框架葬体系在大滑震作携用下弟支撑忠易屈诉曲失滑稳，伤但抗烈侧移扔刚度友很大妹，构篇造相钉对简灶单。偏心皮支撑型框架较好穿地结家合了登纯框牢架相瓶中心奖支撑待框架挖两者骨的长艘处，的与纯苗框架桌相比拼，它猴每层焦加有办支撑毕，具强有更售大的中抗侧摆移刚沃度及锐极限滴承载稿力，态与中越心支棉撑框绣架相辩比，阶它在声支撑灾的一湖端有股耗能砖连梁宪，在痒大震亡作用才下，庄耗能络连梁刊在巨颈大剪问力作旦用下真，先菌发生泛剪切赠屈服晚，从熟而保柜证支帜撑的榆稳定捧，滞涝回环去稳定尚，具捷有良矛好的戴变形翠和耗杠能能岭力。中心得支撑因的类刷型(支撑设框架)偏心啊支撑滩的类努型(偏心尖支撑邪框架)在框稍架—支撑肺体系坑中，业因受贪到体厚系中生其它衰构件倡的制倾约，傲框架裁和支暮撑的扑变形炸状态像均发展生变罗化．芹其特臭点是协：(1搜)水平守荷载米是作啦用于客结构暴体系港之上(图21．3．1a纪)，而启不是渣分别职单独拿作用辆于框肚架和禽支撑鼓之上嗓，框誓架和话支撑婶作为御体系填中的惭分离乡丰体所拴受到赶的水屑平荷板载的僻大小分，是臣按照栗两者帅抗侧寻力刚寺度的挤大小馋比例啊分配涉的。(2还)在框佛架—支撑莫体系秃中，月框架蓄和支啦撑之爪间，站不仅丝式有连会系梁减，更筹重要胶的是敲有各押楼盖值将他镜们连相为一旷体。辅因为窗各层息楼盖亏沿水到平方者向的炭刚度啊很大链，框询架和日支撑唇不再巩能自益由地煌单独印变形丝式，两逆者的虏侧移配曲线泻由各音层楼耻盖将路其协醒调一叉致，窄变成兔一条玩共同颈的侧次移曲喜线(图21．3．1b茧)(3削)各层烦楼盖冷协调称的结公果，危使框重架—支撑腿体系龙的侧屑移曲拳线，姻介于敬单独开框架片和单朱独支讯撑的夜侧移桥曲线神之间邻。从特而使吸支撑竿的顶巷点侧妇移和捕顶点裳最大协层间欧侧移禁角得垄以减榆小；壶同时煤也使酱得框劈燕架下躺部的舅最大喉层间铁侧移亚角减叙小(图21．3．1b乖)。3．带水非平加血强层叔的钢冬框架—支撑夸结构纹体系带水脑平加赚强层阻的钢益框架—支撑起框架陡结构荡体系就是拣通过熊在技促术层(设备宽层、秆避难富层)设置街刚度肥较大匆的加亲强层宪，进垦一步醒加强谊内芯霜与周水边框肠架柱锹的联象系，腹充分蛇利用易周边坟框架票柱的管轴向薄刚度壮而形给成的振反弯努矩来全减少之内筒筒体的扑倾覆垄力矩塘，从垮而达坦到减返少结秒构在穴水平筹荷载远作用抗下的召侧移趁。由于或外围篇框架悬梁的霉竖向碗刚度现有限颤，不兽足以戚让未般与水歌平加寻强层出直接咳相连障的其煎它周固边柱聚参与奔结构逐的整盐体抗咏弯，绑一般滩在与占水平乡丰加强宁层的地楼层谜沿结鹅构周忆边外汤圈还龟要设侵置周宿边环升行桁舒架。21．3．3巨型溉结构见体系巨型折结构被体系是一灯种新唱型的争超高耀层建奔筑结弹构体慎系．扇是由申梁式落转换衣楼层鉴结构派发展吼而形搭成的榨巨型客结构嗽又称芽超级化结构偶体系血，是马由不招同于喉通常翅梁柱押概念截的大叉型构寒件—巨型蜜梁、赏巨型妹柱组得成的絮简单骗而巨陆型的村主结武构和回由常冤规结默构构意件组钥成的延次结壶构共各向工怜作的码一种赶结构看体系揭。巨型杂钢结病构按基其主触要受辜力体闻系可催分为诊：巨型陕桁架(包括斩简体)、巨役型框冠架、冒巨型见悬挂侮结构希和巨幕型分削离式步筒体等四俗种基御个类乏型。途由上伶述四蛙种基熟本类猜型和伐其它饼常规曲体系病还可吐以组续合出肿许多卡其他乖性能灰优越傲的体慰型刚择结构板体系笋。21．3．4筒体述结构管体系筒体姥结构沃体系白是在傍超高参层建久筑体的系中莲应用江较多便的一疯种种糊，按显筒体千的位辅置、偏数量要等分控为钢框有架—核心增筒体摧结构惩体系孟、外越框架来筒结饱构体赚系、黎筒中正筒结容构体脏系和晒束筒睡结构事体系巨。1．钢灶框架—核心追筒结冰构体网系钢框蜓架—核心括筒结集构体沸系将验抗剪纪结构邻作成耳四周昂封闭谋的核教心筒茶，用盏以承颤受全肌部或场部分桶水平万荷载斧和扭拘转荷盟载。外围括框架幅可以骡是铰龄接钢被结构副或钢摸骨混凉凝土泼结构冻，主样要求孟受自换身的忽重力惨荷载境，也眯可设刊计成蚊抗弯虾框架狭，承曾担一赶部分汗水平扑荷载逮；核心锋筒的蔽布置称随建酸筑的埋面积但和用绵途不漆同而牙有很早大的锣变化搬。它茫可以穗是位腾于建究筑物谎核心宏的单叨筒，醋也可蓝以是谅几个现独立信的筒挥位于阿不同村的位凭置上遥。它塘的材旗料可堂以是啄钢的盯、钢徒筋混遇凝土吴的或犁两者错组合效的。央若采猾用钢挡筋混锤凝图爬核心屠筒时疯，筒胃与钢砌框架打可以掩交替星施工和，有深利于罩加快横施工磨速度墙，这种当结构猫形式乏在国考外采碎用的蓬不太与多，厦而在仍我国转近年音来被蹄大量开的高死层建多筑钢集结构粒工程驴采用隔，如腐上海总希尔骗顿酒旷店、室金茂覆大厦冲等。上海季金贸兵大厦僚，88层，衔高42凡1米2．外框栋架筒小结构惧体系外框育架筒设结构此体系窃就是算将具毙有很昏大刚殖度的宜外围烈框架钢作成静自地催面伸帜出的令、封努闭的轻空心淘箱形客悬臂左梁，挣用以属抵抗够水平糠力。冰内部兄则取汤消了益剪力久墙或禁支撑赛桁架踩等抗裂侧力嗓结构唇，其少肉量的寄中间碌柱只学承受针重力里荷载烛、劲剂性楼蛮板则永作为痰隔板橡起将颈水平叹力分克布到行周边谊结构胜上的扰作用田。这种园结构突的外捧框筒次，通棍常由盖围绕玩房屋减周边洞并与策窗间删梁连境接在别一起拜的密欲排柱杆子组志成的片。可虑形成幼很大膏的空庄间结数构。躺大大依提高关了体妹系的膝抗侧洒移刚滨度和坟抗扭越性能校。在水倒平力纲作用卵下，撒结构剃基本佛上仅晌发生肢整体饮弯曲学。即且各框哭架柱愚仅发埋生轴殖向变碗形。督然而沟外框贴筒个状是实跟体，猜易形撇成正趣应力造两侧呀大、道中间互小的勿剪力熟滞后示现象域，导抗致角谅柱要尿比中粱间柱辉承受这更大舞的轴究力。耀结构侍的侧嫩向挠舰度将有呈明谷显的早剪切形型变概形。纽约11盟0层41推5m高的醒世界且贸易抱中心快就是亭采用越了这清种结桂构形水式。这是20养01年10月11日，躺在美备国发吉生“9·夺11肠”事件突一个谊月后耀，黎奴明的浇曙光爪照亮永了纽骆约世炉贸中厨心的附废墟竿。这是20招02年3月7日，遥美国零纽约色世贸挑大楼冷被炸跃废墟抵清理待工作名继续合进行铁，世斩贸大泥楼地补表层婚已经银基本乞被清击理干民净。3．筒差中筒俯结构险体系筒中抗筒结起构体展系就怨是集滑外围杰框筒粗和核订心筒绑为一炊体的迎结构材形式洁，共宜外围棉多为叶密柱杂深梁剥的钢勒框筒舞，核己心为轻钢结复构或椅钢筋蹦混凝拦土构著成的嚷筒体醉。内、堪外筒臭通过提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