不同类型高层钢筋结构的优缺点

./高层钢结构各种类型的优缺点分析前言随着我国在大中城市住宅建筑中禁止使用黏土砖,且混凝土结构施工复杂周期长。钢结构受到了工程界的青睐,已成为较有竞争力的民用建筑结构体系之一。与传统的住宅建筑结构体系相比,钢结构不仅具有环保、节能、产业化等特征,而且还具有强度高、自重轻、节约能源、抗震性能好等优点。国家建筑钢结构产业"十二五"计划和2020年发展纲要<草案>提出,"十二五"期间应以多高层钢结构房屋为突破点。1.纯框架结构体系纯框架结构是指沿房屋的纵、横两个方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构件所组成的结构体系。框架结构可以分为半刚接框架和全刚接框架两种,框架结构的梁柱宜采用刚性连接。与其他的结构体系相比,框架结构体系可以使建筑的使用空间增大,适用于多类型使用功能的建筑。其结构各部分的刚度比较均匀,构件易于标准化和定型化,构造简单,易于施工,常用于不超过30层的高层建筑。但该结构体系的弹性刚度较差且属于单一抗侧力体系,抗震能力较弱。图1纯钢框架结构三维模型图1.1组成及其特点典型的框架体系多层轻钢住宅由基础、H型或箱形框架梁柱、节点、轻质墙体、屋面板、楼层次梁、压型钢板楼盖等组成,常见柱距为5m~8m。具有下列优势:〔1它是一种延性体系;〔2在建筑设计和平面布置上具有很大的灵活性;〔3各部分刚度比较均匀,构造简单,易于施工;〔4自重周期较长,自重轻,对地震作用不敏感。1.2设计原则及注意问题1>强柱弱梁的设计原则。这个设计原则是为了保证结构在最终破坏的时候具有较好的延性及耗能效果,保证结构的安全性,使塑性铰出现在梁端而不是发生在柱端。2>框架节点域的验算。节点域是钢结构框架体系的关键,其强度及刚度都要根据规要求进行保证。主要是通过验算保证腹板厚度,防止在非线性剪切变形下发生局部失稳。同时对柱设置加劲肋保证其翼缘不发生失稳。3>稳定验算和二阶效应。钢结构构件强度一般都可以满足,在设计中主要是保证其稳定性。钢框架结构属于柔性结构,侧移变形较大,竖向荷载所产生的二阶效应有时就不能忽视,因此当结构的重力附加弯矩大于结构初始弯矩的10%时就应该考虑重力的二阶效应。1.3基本结论在多层轻钢结构住宅的设计中,应注意三个设计原则:柱截面采用箱型截面,可以充分发挥截面特性;实现大柱网布置,相对较好地控制了用钢量;合理的柱网尺寸取为6m×8m左右,能够体现出轻钢结构住宅部大空间灵活布置的优势,达到建筑使用功能与结构布置较好的统一。2.框架-支撑结构体系框架-支撑结构体系是指以楼房的框架体系为基础,沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑所组成的结构体系。其结构体系如图2所示。图2框架-支撑结构体系2.1框架———支撑结构的具体原理框架———支撑结构体系是在框架体系中部分框架柱之间设置竖向支撑,形成支撑框架,属于双重抗侧力结构体系,支撑框架是第一道防线,框架是第二道防线,支撑框架中的竖向支撑产生屈曲或破坏后,由于支撑斜杆一般不承担竖向荷载,所以不影响结构承担竖向荷载的能力,不致危及结构的基本安全要求。支撑承受水平力和提供侧向刚度,它一方面作为支撑构件可以防止框架柱的失稳,另一方面它还要承担风力、地震力等其它水平荷载。在这种体系中,框架的布置原则和柱网尺寸,基本上与框架体系相同,支撑大多数沿楼面中心部位服务面积的周围布置,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。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构,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。支撑在水平荷载作用下所产生的位移主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或压缩变形引起的,与框架侧移是由于杆件弯、剪变形所引起的情况相比较,其量值要小的多,表明竖向支撑的抗推刚度要比框架大的多。支撑侧移主要是由水平荷载倾覆力矩作用时支撑整体弯曲产生的,支撑的一侧拉伸、一侧压缩,导致楼面倾斜转动,由下层到上层逐层积累,使支撑侧移曲线的层间侧移角由下而上逐层增大。采用框架－支撑体系的建筑,框架和支撑由于水平刚度很大的各层楼盖的联系和协调不再能自由的单独变形,两者的侧向变形趋于一致。各层刚性楼盖协调的结果使框架一支撑体系具有一条共同的侧移曲线,从而使框架下部和支撑上部的较大层间侧移角均得以较大幅度的减小。另外,采用人字支撑等还可以起到减小梁跨度的作用,从而减小梁的截面。支撑要在适当位置设置,以便与建筑设计相协调。此结构体系虽然在国外己经有较长的应用历史,技术和规也很成熟,但是在我国却是一种新型的结构体系。2.2中心支撑框架结构中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点,它包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑或+形支撑,以及,形支撑等类型。中心支撑具有较大的侧向刚度,构造相对简单,能减小结构的水平位移,改善结构的力分布。但在水平地震荷载作用下,中心支撑容易产生屈曲,造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降,直接影响结构的整体性能,因此,在地震区应用时应当慎重。图3中心支撑的常见类型2.3偏心支撑框架结构偏心支撑框架是近年来发展起来的抗震结构,其支撑斜杆与梁、柱的轴线不是交汇于一点,而是偏心连接,以形成一个先于支撑斜杆屈服的"耗能梁段"。在中小地震时,结构处于弹性阶段,在强震时耗能梁段进入塑性,利用梁的塑性变形来吸收能量,而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能不匹配问题,兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点。图4所示为常见的几种偏心支撑的类型和耗能梁段的构成。图4偏心支撑的常见类型〔1.框架柱；2.支撑；3.耗能梁段；4.框架梁对于偏心支撑来讲,耗能梁段的设计最为关键,它直接关系到偏心支撑框架整体的承载能力和延性。因此,偏心支撑框架的设计首先应当合理地选择耗能梁段的几何尺寸,并对耗能梁段进行细部设计,以保证偏心支撑框架的整体延性水平,然后,进行柱的设计、支撑设计、连接以及加劲肋的设计。设计时必须保证在耗能梁段完全屈服和应变硬化后,其他构件在此荷载作用下仍具有一定的弹性。为确保截面是腹板受剪屈服,耗能梁段最有效的截面通常是①满足最小受剪面积；②满足腹板高厚比的要求；③耗能梁段剪力简化计算满足翼缘宽厚比的要求。耗能梁段须根据偏心支撑框架抗剪需要的腹板面积最小来选择截面。2.4消能支撑框架结构消能支撑框架结构是将框架—支撑结构中的支撑杆设计成消能杆件,以吸收和耗散地震能量来减小结构地震反应的一种新型抗震结构。在风和小地震作用下消能支撑能增加结构的水平刚度,减小结构的侧移；在中震和大震下其刚度变小,能减小结构的水平地震作用,同时消耗大量输入结构的地震能量,使结构的地震反应大大衰减。消能支撑〔如图5所示可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉杆支撑、斜杆支撑、3型支撑以及4型和节点屈服型支撑等。图5消能支撑2.5基本结论钢框架—支撑结构体系作为理想的抗侧力体系在多层和中高层钢结构住宅中占有相当的比例。偏心支撑框架结构采用耗能梁段,兼顾了抗弯框架和中心支撑框架的优点,具有极好的耗能能力。而消能支撑框架结构在风荷载和中小地震作用下,具有较强的抗侧刚度；在大震作用下,其消能装置可以有效地耗散地震能量。消能支撑框架结构不仅可以用于新建建筑,还可以用于现有建筑的抗震加固,是一种新颖且经济有效的结构体系。3.钢框架-剪力墙结构体系在框架结构中设置剪力墙,将框架和剪力墙二者结合起来共同抵抗水平荷载,就组成了框架-剪力墙结构体系。采用该结构体系,建筑的竖向荷载全部由钢框架承担,水平荷载引起的水平剪力由钢框架和墙板共同承担。图6水平力作用下的剪力墙受弯型和框架的剪切型该结构体系的结构自重较轻,可以减轻地震的作用力;占用建筑面积小,能增大建筑物的使用空间;墙板具有较强的抗推刚度和受剪承载力,适用于超过40层的高层建筑。但该结构体系在受力初期,由于其剪力墙刚度较高,地震时易产生应力集中现象,从而导致建筑物出现斜向裂缝。3.1钢板剪力墙结构钢板剪力墙结构〔steelplateshearwall,简称SPSW由钢框架及钢剪力墙板构成,周边的钢框架主要承担竖向荷载和绝大部分倾覆力矩,剪力墙板承担绝大部分水平荷载,提供较大的抗侧刚度,但已有试验研究发现刚接节点仍易发生断裂破坏。将半刚性连接引入至钢板剪力墙结构中,既可避开结构对刚性节点转动能力的要求,避免了节点的脆性断裂,又降低了节点造价,方便施工。目前对钢框架钢板剪力墙的研究表明：〔１钢板剪力墙结构的滞回性能具有双重特征,当周边钢框架较强时,其滞回曲线较为饱满,滞回特征趋于钢框架结构；当周边钢框架较弱时,其滞回曲线较为捏缩,滞回特征趋于填剪力墙板。〔２梁柱连接的抗弯承载力对SPSW结构的滞回特征有显著影响,无论周边采用强框架的SPSW结构还是弱框架的SPSW结构,均随着节点抗弯承载力的增加,滞回曲线趋于饱满,耗能能力增强。〔３随着节点抗弯承载力的增加,钢框架自身的承载能力增大,同时对填剪力墙板的约束效应增强,SPSW结构的水平承载力呈增大趋势；但对强框架SPSW结构影响程度较大,而对弱框架SPSW结构的影响程度相对较小。〔４节点抗弯承载力对强框架SPSW结构的抗侧刚度影响较大,而对弱框架SPSW结构的抗侧刚度影响相对较小。4.钢框架-混凝土核心筒结构体系钢框架-混凝土核心筒结构体系是指由钢筋混凝土芯筒与外圈的刚接或铰接钢框架共同组成的混合结构体系。混凝土芯筒是结构体系中主要的抗侧力竖向构件。当楼面外圈为刚接框架时,芯筒承担着绝大部分作用于建筑物的水平荷载,一小部分则由钢框架承担;当楼面外圈为铰接框架时,芯筒则承担建筑物的全部水平荷载。该结构体系在我国的应用极为广泛,目前新建的高层、超高层建筑几乎均采用这种结构体系。混凝土筒体的抗侧力效果较好,具有节约钢材、降低造价、施工方便等优点,但缺点是核心筒与钢外框架的延性、刚度不匹配,在强震作用下,作为第1道防线的核心筒很容易被破坏,而作为第2道防线的钢框架基本上也不具有抵抗地震作用的能力。4.1力学性能分析框架一核心筒结构的变形和受力特点与框架一剪力墙结构体系的相似。框架一核心筒结构具有双重抗侧力能力,是采用剪切型的框架和弯曲型的核心筒两种不同属性构件组成的结构体系。两种构件通过各层楼板的联系进行协同工作,这将显著减小结构的顶点侧移和下部各楼层的最大层间侧移。单独的框架,水平侧力作用下的变形曲线属于剪切型,即层间侧移角自上而下逐渐增大,越接近结构顶部,水平位移增长越慢;单独的核心筒受到平面的水平侧力作用时,其变形曲线属于弯曲型,层间侧移是自下而上逐层增大,与框架层间侧移角的增长方向相反。框架一核心筒结构中的框架和核心筒,因受到各层楼盖的约束,不能像单独框架和单独核心筒那样自由的变形,各层楼盖因其巨大的水平刚度迫使框架和核心筒的变形协调一致,框架和剪力墙联合工作时,各根连杆要将这两种变形协调为一种变形,如图7,在框架一核心筒的上部,框架的侧移值较小,剪力墙的侧移值大,要是两者侧移值相互靠拢,上部各根连杆产生拉力;在框架一核心筒的下部,框架和剪力墙各自的侧移值,正好与上部相反,框架大,剪力墙小,因而框架一核心筒下部各根连杆产生压力。图7水平荷载作用下结构的受力情况外周框架和居于中心的筒体发生协调工作以后,从框架的受力角度来说,上部拉杆的拉力与水平荷载方向一致,这样增大了框架上部的水平剪力;下部连杆的压力与水平荷载方向相反,又减小了框架下部的水平剪力。按刚度分配的原则,框架所得到的水平荷载产生的水平剪力是上部小,下部大。由于连杆的作用和框架剪力进行叠加,使框架所承受的水平剪力上下分布趋于均匀,框架的梁、柱截面从结构底部到上部可以均匀过度。从框架的受力角度讲,上部的连杆的拉力,与水平荷载的方向相反,作用位置比较高,引起的反向弯矩使剪力墙下部的最大弯矩得以较大幅度地减小,因而有利于剪力墙底部截面的配筋量的减小以及裂缝开展的推迟。5.交错桁架结构体系交错桁架结构体系是美国麻省理工大学在20世纪60年代发展起来的一种新型结构体系。该体系主要由柱子、楼板和桁架组成。桁架的高度等于建筑的层高,跨度等于建筑全宽。桁架的两端支撑在结构外围的纵列柱子上,不需在结构中间部位设置柱子。在单榀框架上桁架沿高度方向隔层设置,而在相邻框架上,桁架隔层交错布置。楼板一端支撑在桁架的上弦,另一端支撑在相邻桁架的下弦。整体结构如图所示。其建筑外观规整统一,结构受力明确合理,经济性能好,标准化程度高。在国外的研究和应用已经比较成熟,被广泛应用于公寓、教学楼、办公楼等结构规整的建筑形体,但在国,交错桁架结构还是一个较新的课题。图8交错桁架体系结构简图5.1交错桁架结构体系的受力特点交错桁架体系具有合理的传力途径,如图9所示。在交错桁架体系中水平荷载作用在楼板一侧,楼板犹如一刚性隔板将侧向荷载传递到桁架上弦,剪力由桁架腹杆传至下一层楼板,由于该柱列的桁架错层,水平力不能再直接往下传,必须通过楼板传到相邻柱列的桁架上弦,如此层层往下传递累积直至基础。图9交错桁架的传力机理交错桁架结构体系在竖向荷载作用下,荷载由楼板传到支撑桁架的上下弦,再传到外围的柱子上,柱中的弯矩很小,主要承受轴力。在水平荷载作用下,横向荷载严格地通过桁架和楼板传递,在柱中也基本上不出现弯矩。整个结构象一个悬臂梁,所有柱子布置在周边,其作用如梁的翼缘,而在柱间跨越房屋全宽的桁架起着悬臂梁腹板的作用。各跳层布置的桁架将这些截面很大的外柱刚劲地连接起来,提供了很大的刚度,使得建筑物能抵抗很大的侧向荷载。另外,这种结构体系在横向受风载时,外柱很大的垂直荷载常常足以平衡风荷载引起的柱拔力,且能调动整个建筑物的重量来抵抗倾覆力矩。5.2交错桁架结构体系的静力性能分析错列桁架在横向荷载作用时,由于刚性楼板的联系作用,相邻框架间的空间协同工作将非常显著。所以平面分析时,不能够简单地以单榀框架作为计算模型,而要考虑楼板的组合作用。虽然错列桁架体系由空间分析转化到平面分析的难度较大,但是近30年来,为获得一个可靠的、简单的、可以代替空间分析的平面分析方法,各国学者为此付出了很大的努力,相继提出了一些可供平面分析使用的二维分析模型,同时也获得了一些结论。目前,采用较多的是平面协同分析模型,见图10。即将体系中相同形式的各榀框架分别合并在一起,中间用刚性链杆连接而成。图10平面协同分析模型将简化模型分析所得结果与有限元分析的结果比较分析后,可以发现交错桁架结构有以下静力特性：1>柱子主要承受轴力,弯矩很小;2>结构整体变形呈弯曲形;3>结构各层中桁架侧移刚度很大,柱子及竖向腹杆侧移刚度很小;4>柱中分配的剪力较小,水平荷载主要由桁架承受,桁架承受的剪力通过斜腹杆传到两侧的柱子上,使柱子承受较大的轴力;5>两榀桁架间依靠楼板传递剪力,楼板所受剪力从上至下逐渐增大;6>桁架层空腹节间及相邻节间中弦杆的弯矩较大,其他各节间中弦杆的弯矩较小6.结语6.1钢结构建筑体系的优点6.1.1优越的环保性能<1>钢结构的施工方式为干式施工,避免了湿式施工所造成的环境污染。此外,钢结构材料可以夜间运送,可缓解在建建筑周围地区的交通压力。<2>混凝土结构建筑拆除后,混凝土只能作为废料处理。而钢结构建筑拆除后,钢构件仍可以直接利用或冶炼后利用,对环境的污染很小。6.1.2优越的结构性能<1>在梁高相等的情况下,钢结构建筑的开间为混凝土结构建筑开间的1.5倍。<2>由于钢结构的延性比混凝土结构的延性好,因而钢结构比钢筋混凝土结构的抗震性能好。<3>自重轻,易于采用TMD、TLD等结构振动控制措施,以提高结构的抗风、抗震能力。<4>钢结构的构件由工厂加工制作而成,其加工精度高、质量有保证,与混凝土结构的现场施工相比,更符合结构设计的要求。此外,在高层建筑建造过程中,经常会发生设计的变更,采用钢结构更容易满足设计变更的需要。优越的经济性<1>自重轻。高层钢结构的自重一般为高层混凝土结构的1/2~3/5。由于其结构自重的降低,可以减轻地震的作用力,从而减小结构设计力,降低工程造价。<2>强度高。与混凝土结构相比,钢结构柱的截面面积小,可以增大建筑的使用面积。<3>施工速度快对于一般的高层混凝土结构,平均每6d完成1层,而高层钢结构平均每4d完成1层,可以缩短结构的施工周期。<4>高层建筑中的管道较多,采用钢结构可以在梁上开孔用以穿越管道。因此,在楼层净高相等的情况下,钢结构的楼层高度低于混凝土结构的楼层高度,因而可以减小外围护墙的面积,降低建筑的维护费、使用费。6.2应用前景通过对钢结构住宅的分析可以看出,钢结构住宅体系是我国高层建筑发展的必然趋势。由于其特有的结构优势和自身的经济价值,在未来的建筑行业中,钢结构必将占