2024高层建筑钢结构选型

钢结构高层建筑选型问题1：为什么在高层建筑层数较高时，倾向用钢结构？40层以上的楼房，由于普通钢筋砼结构的构件截面尺寸较大，建筑的使用面积相对减少，单位使用面积的造价相应上升；钢筋砼具有较大的自重，使高层建筑的基础和地基处理复杂化，费用昂贵；钢筋砼结构的现场工作量大，施工周期比钢结构长．推迟了建筑的启用，减少了经济收益。如果建筑场地位于高烈度地层区，房屋层数愈多，竖向构件的轴压比值愈大，钢筋砼结构将因延性降低，而难于保证具有足够的抗震可靠度。问题2：对比钢筋混凝土高层，钢结构设计高层建筑会带来什么新问题？钢结构的构件截面小，虽然材料弹性模量大，但总的刚度偏低，层间位移和结构总体侧移较难满足问题3

国内影响钢结构高层设计的一个重要因素，是钢结构的投资较大，如何控制

用

钢

量？高层建筑结构不同于低层建筑结构的最主要一点就是，侧向荷载是结构受力的最主要因素，重力荷载退居为第二位。因而建筑中的抗侧力体系成为整个结构的最主要组成部分，决定着整个结构体系的选型。抗侧力体系合理与否，在很大程度上影响着钢材的耗用量。平面为5跨的钢结构房屋各种不同层数时的钢材耗用量。楼面结构的钢材耗用量几乎与房屋层数无关。柱、墙等竖向构件，用于承担重力荷载的钢

材耗用量虽随房屋层数的增加而逐步增长，但增长速度很慢；抵抗侧力的用钢量，不仅在总用钢量中占有很大比重，而且随房屋高度急剧增长。一般结构体系和优化结构体系的钢材耗用量。从对比数字可以看出，抗侧力的钢材耗用量，优化抗侧力体系比一般抗侧力体系，可以节约钢材40％。各种体系的适用高度我国《高钢规程》对高层建筑钢结构常用高度范围内的高度限值选定结构体系的因素有二：一是建筑的使用要求，二是结构体系的经济性。国外关于几种常用钢结构体系所适用的建筑层数．对于确定高层建筑经济有效的抗侧力体系，有着一定的参考价值。高层建筑层数各种型式结构体系在满足使用功能方面：高宽比高层结构的高宽比值不应大于8，需要指出，计算房屋的高宽比时，不应当笼统地都采用建筑物的总宽度，而应根据抗侧理体系的力学特性采取主体结构的有效宽度。我国《高钢规程》根据国内外的工程经验，对各种结构体系的高层建筑的高宽比限值分别作出规定。各种型式结构体系的平面使用效果杆系分类用于高层建筑中的抗侧力结构体系，按杆件受力性质可分为轴力杆系和弯曲杆系两大类。由水平构件和竖向构件正交连接所形成的结构体系，在风、地震等侧力作用下，所有杆件都承受剪力和弯矩，从而发生垂直于杆轴方向的变形，称为弯曲杆系。由水平、竖向和斜向杆件组成的几何不变体系，在侧力作用下，各杆件主要承受沿杆轴方向的拉力或压力，称之为轴力杆系。一般而言．在抵抗侧力方面，轴力杆系比弯曲杆系更有效，前者具有较大的刚度。框架体系钢框架体系是高层建筑中最早出现的结构体系。对于30层以下的楼房，它是经济合理的框—撑体系房屋超过30层,框架体系在风或地震作用下的侧移不符合要求，可以采用带支撑的框架。与杆件的抗弯刚度相比较，杆件的抗压或抗拉轴向变形刚度则要大得多。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，就能获得大得多的抗推刚度。在框—撑体系中，框架是剪切型构件，底部层间位移大支撑为弯曲型竖构件，底部层间位移小，两者并联，可以明显减小建筑物下层的层间位移竖向支撑的受力状态支撑框架及其中单一结构的侧移上海锦汇饭店分馆，地上43层，高153m。平面为方形采用框—撑体系，基本柱网为8m。内外柱均采用方管截面，外柱为700×700×80一20

mm，内柱为500×500×80一20mm。周边梁为700×300mm。梁柱节点为全焊接。塔楼核心部分的框架间设置竖向K形支撑和钢板剪力墙。结构用钢量约130kg／m2。纽约的35层索罗门大楼，沿房屋中央电梯井的四周设置竖向支撑。每片竖向支撑的宽度为两个开间，全宽为19．5m，沿房屋全高设置。电梯筒透空，或分隔墙跨层支撑竖向支撑的一般性做法如上例所示，是将一个楼层作为竖向支撑的一个节间，由于节间长度较短，每一列竖向支撑的宽度也比较小。沿房屋核心竖并布置的竖向交撑．每一个方向需要两列甚至三列支撑并联，以致支撑杆件及节点的数量均较多，不仅加工费用高，传力路线长，抗侧力效果差。加拿大国家银行办公大楼，为38层，7层以上为钢结构，高127m，均采用新型的框—撑体系。竖向支撑沿房居中心部分的服务竖井四周布置，加拿大国家银行典型楼层平面人字形竖向支撑的每一个节间，跨越三个楼层，由于支撑的节间长、宽度大，同方向仅需布置一列支撑。杆件及节点的数量大大减少，方便了施工，而且提高了抗侧力的有效性。大型竖向支撑加劲框—撑体系问题4：为何需要加劲框—撑体系？就抵抗水平荷载而言．竖向支撑因其整体变形性质而属于“弯曲型构件’．其水平承载能力和抗推刚度的大小，与支撑的高宽比值成反比关系。因为房屋中央服务竖井的平面尺寸较小，沿服务竖井四周布置的竖向支撑体系，其高宽比不可能做得很小，房屋很高时，由于支撑的高宽比值太大，抗侧力效果显著降低，而不能满足要求。体系的组成沿竖向支撑所在平面，在房屋顶层以及每隔12层左右，沿房屋纵向和横向全宽，设置一层楼高的加劲衍架——伸臂衍架和周边桁架，内部支撑与外围框架柱连为一体，使房屋外围柱参与结构体系的整体抗弯，以提高整个结构的抗推刚度和水平荷载承载能力。竖向支撑的加劲衍架变形特点伸臂桁架的作用框—撑体系的侧移和杆件变形状态。当仅在框架问设置竖向支撑作为主要抗侧力构件，由于竖向支撑与外柱之间的连系梁，跨度较大，抗弯刚度较弱，结构在侧力作用下，因连系梁产生较大的弯曲变形，外柱不能与竖向支撑共同形成一个整体抗弯构件，从而使竖向支撑几乎是独自抗弯。在顶层增设伸臂帽桁架，并每隔若干层，设置伸臂腰桁架，以加强竖向支撑与外柱连接的竖向抗弯刚度，使外柱参与水平荷裁作用下的结构整体弯曲．承担倾覆力矩引起的轴向压力或拉力。其效果相当于在一定程度下加大了竖向支撑的有效宽度．减小了它的有效高宽比，从而提高框—撑体系的抗侧力强度和刚度。外圈桁架的作用框—撑体系的外围柱距，一般在6m以上。外围框架梁的截面高度又不可能做得很大，因而竖向刚度有限，不足以让其与伸臂衍架直接相连的其它柱子，参与结构的整体弯曲。为了改善这一情况，提高框—撑体系的抗推刚度，在设置伸臂桁架的楼层，沿结构外围的框架平面，设置外围桁架。美国威斯康星州的41层第一威斯康星中心大楼东西向抗侧力体系第—威斯康星中心大楼的有无刚臂的竖向支撑，分别在水平荷载作用下的侧移。因中实线为有刚臂时的侧移曲线，虚线表示无刚臂时的侧移曲线。两相比较，可以看出，刚臂的效果是显著的，顶端侧移约减小25％。刚臂—芯筒体系偏交支撑框架体系问题5：轴交支撑有何缺点？常用的人字形、x形和华伦式支撑均属轴交支撑，即支撑斜杆和梁柱的轴心线都交汇于一点。这类轴交支撑用来抗风和抗震不太强的地区是有效的，但不宜用作高烈度区高层建筑的抗侧力构件，因为轴交支撑在强烈地震作用下，其中的斜杆容易发生屈曲。此种破坏现象，历次地震调查中时有发现。模型试验指出；①支撑在反复荷载作用下，杆件如果重复地屈曲，抗压能力将显著降低，短柱轴压承载力的降低值达50％，长柱降低的幅度更大；②压杆两端很小的轴向位移，都会导致压杆发生很大的侧向挠度，例如，压杆西端的轴向位移为1cm时，压杆的轴向挠度即达15cm；⑧反向荷载作用下，较细长的斜杆从弯曲状态拉直时，迅速获得的刚度，对支撑框架是一种撞击荷载，不仅产生局部振动效应，也促进斜杆本身特别是杆端的连接因产生超应力而破坏；④支撑中的斜杆一旦屈曲后，在反向荷载下不可能完全拉直，此外，在反向荷载下，另一根斜杆又将出现屈曲，楼层抗剪能力进一·步降低；⑤支撑杆件的局部屈曲，会导致翼缘钢板因出现裂缝而过早裂断。偏交支撑框架是近几年发展起来的适用于高烈度区建筑的一种新型抗侧力体系。偏交支撑的优越性新发展起来的偏交支撑，情况就大不—样。由于支撑斜杆的轴线偏离梁柱轴线的交点，或者两根斜杆轴线不再与梁轴线交汇于一点，而是离开一定距离，交点之间的一段梁称之为“耗能梁段”，它在往复荷载作用下的良好塑性变形能力，大大改善了支撑框的耐震性能。因为耗能梁段的塑性受剪能力是能够事先确定的，设计偏交支撑时，可以将斜杆的承载力设计成耗能梁段塑性受剪承载力的1．5倍。这样，当结构遭遇强烈地震时，支撑框架中称作耗能梁段的这一区段梁，发生塑性剪切变形，来消耗地震输入能量，达到抗震的目的。它一方面保护支撑斜杆不再因受压失稳而发生侧向挠曲，使斜杆始终保持平直状态，避免斜杆在反复荷载作用下重复地屈曲而引起的轴压承载能力的大幅度降低。另一方面也增加了支撑框架侧向变形的延性，从而进一步提高了整个结构体系的抗震可靠度。偏交支撑的类型及其在侧力作用下的杆件变形具有明显优势：①能够比较准确而有效地控制结构在水平地层作用下的变位；②减少地震作用下房屋的侧移．顶点最大侧移值约减小17％；②缩小各楼层层间侧移值的差别，使其变化趋向平稳；而轴交支撑框架各楼层的层间位移值大小悬殊，顶层与下层相差3倍，而变化无一定规律；④具有较大的结构延性；⑥具有良好的吸能特性，使“耗能梁段”在支撑屈曲前发生剪切屈服，能更多地消散地震能量；而轴交支撑框架，由于斜杆在强烈地震时会发生屈曲，所吸收的地震能量十分有限；⑥用钢量约节省18—30％；⑦具有较低的造价。偏交支撑是地震区高层建筑的一种良好抗侧力构件。框筒尽管在框—撑体系中增设加劲桁架后，竖向支撑内筒的抗侧力承裁力和刚度均得到较大程度的提高。然而，由于房屋核心部分的平面尺寸较小，从而限制了框—撑体系的适用高度。为了使超高层建筑的主体结构达到经济合理境地，最有效的途径是，使抵抗侧力的主体结构的尺寸，达到房屋的全宽。也就是使房屋外围的竖向构件成为抗推结构的主要组成部分。可以设想，如果沿房屋外因设置能够受力的实体的或密布着较小孔洞的墙体，由此形成的外筒将具有最大的面积，和最小的高宽比，从而具有最大的抗侧能力。对钢结构来说．采用沿外墙布置孔洞钢板墙形成筒体的结构方案是不可取的。但其衍生——密排柱形成的框架筒体，将能起到与密布孔筒体相同的效果、从而派生出适用于超高层建筑的框筒新体系。问题6：为什么世界贸易中心不算筒中筒？最著名的代表作是纽约的世界贸易中心塔楼。纽约的世界贸易中心双塔，在结构方面，房屋中央电梯井的17根钢柱，主要承重力荷载，并在施工过程中用来支承起重设备。房屋外围的240根密排柱，与具有较大截面高度的窗裙梁，共同形成外框筒，主要承担侧向荷载，从而最大限度地减小了抗侧力体系的高宽比。外围柱子采用450mm见方的管状截面，从上到下，截面外形尺寸不变．靠改变壁厚来适应不同的受力条件。为了加快组装进度，预先在工厂里将三根柱和三根梁拼合为一个吊装构件，即所谓的“树状柱”沿房高度每隔32层，设两层楼高的设备层。结构上，利用这些设备层，沿房员外围设两层楼高的腰梁，以提高框简的竖向刚度和整体性，减少框简的剪力滞后到目前为止，实测到的在阵风作用下的房屋顶点最大测移值为o．46m(估算值为1．02m)，仅及房屋高度的l／890，足以说明外框简抵抗侧力的有效性上等向实墙筒体，而具向的钢柱，在框架平面度，框筒的备层钢梁需如此，框筒在侧力作用就是说，各框架柱仅发密柱深梁要使框筒的抗侧力性能基本有最大的抗推刚度和强度，框内需要具有较大的杆件剪弯刚要只有极大的竖向剪弯刚度，下基本上仅发生整体弯曲，也生轴向变形；框架柱和梁，基本上保持平直状态，不发生在普通框架中所出现的杆件剪弯变形，从而做到，框筒的腹板框架中各钢柱的轴向压力或拉力、到中和轴的距离成正比，呈线件变化；冀缘框架中各钢柱的轴向压力或拉力大致相等。这就要求框架柱的间距尽可能地小，框架柱和梁在框架平面内具有较大的截面高度和截面惯性矩。世界贸易中心大楼所采用的钢框筒，柱的中心距为1．02m，柱截面为450

mm方管，梁截面高度为1320

mm。计算结果表明，此—·密排框筒结构的抗侧力性能，基本上达到了密布孔筒体的工程实例美国芝加哥的82层342m高的标准石油公司大楼，也都是框简体系的代表作。标准石油公司大楼外因结构采用框架简体，承担建筑全部侧向荷载；核心区结构采用一般框架，仅承担重力荷载。此建筑的框筒体系不同于世界贸易中心塔楼之处在于：框筒密排柱的中心柱距加大到3.05m，框筒柱采用厚钢板制成大尺寸人字形截面。柱截面的开口底边宽度为1．52m，钢板厚度由底层的63mm，逐渐变化到顶层的16mm。窗裙梁也是由厚钢板制成；截面高度为1．68m。标准石油公司的典型楼层平面框筒的吊装件框筒的人字形截面支撑框筒体系虽然框筒体系是超高层建筑的一种经济有效的抗侧力体系，然而，它的力学特性要求沿房屋周围布置间距不大于3m的密排柱。这要求对于某些建筑来说也许是不适宜的。由于建筑艺术处理和使用功能的需要，房屋外因结构应能创造出具有广阔视野和明朗效果的环境，这就要求外围框架采用大柱距和矮梁。由这种弱柱弱梁型框架组成的框筒，强烈的剪力滞后效应，将使它不可能成为有效的空间结构，而仅起到平面框架的作用。借鉴桁架的内力分布规律，在弱型框架上增设大型竖向支撑，形成支撑框筒体系，巧妙地克服了剪力滞后效应，实现了空间结构的特性。工程实例汉考克大厦的支撑框筒体系美国芝加哥的332m高的汉考克大厦，采用的就是这种新型结构体系。整幢建筑为矩形截锥体，底层平面为79．2×48．7m，顶层平面为48．6×30．4m。尽管外围框筒的柱距，最大尺寸达到13．2m，由于沿框筒周围布置了大型交叉支撑，框架的剪力滞后效应基本上被消除了，翼缘框架的各柱受力均匀，腹板框架各柱的轴力基本上呈线性分布，说明支撑框筒能够充分发挥简体的整体抗弯作用，是个良好的空间结构。受力特点支撑框简体系是在框简体系设计概念的基础上派生出来的结构体系。它是在外围框架上增设大型交叉支撑而形成的另一种型式的框简体系，其中斜杆的角度为45度。支撑框简的特点是：①整个结构具有严格的几何不变性；②框架柱距不必受密排柱框简的限制；⑧一般楼层框架梁的截面也不必做得很大。框筒在水平荷载作用下发生整体弯曲时，在翼缘框架和腹板框架各层梁中引起的竖向剪力，大部分由交叉斜杆所分担。由于框架梁不再因受竖向剪力引起的弯矩而发生竖向变形，基本上消除了剪力滞后现象，从而确保了框筒所应具备的刚度。支撑框筒的构成支撑框筒由“主体系”和“次体系”两部分所组成。主体系包括柱、斜杆和“主楼层”的窗裙梁，次体系由“主楼层”之间各楼层的窗裙梁组成。对于主体系，要求体系自身具有连续性，并要求各杆件具有传递轴力的能力。次体系中的各道窗裙梁，则由主体系支承，不参与抵抗侧向荷载，而仅需按重力荷载设计。由于支撑框筒具有极大的刚性，整个结构在侧向荷载作用下所产生的变形中，结构整体弯曲柱子拉伸和压缩所产生的侧移约占80％；而结构剪切变形即框架层间位移所产生的侧移约占20％。框筒筒体—框架（密排，支撑）【单一型】，『筒中筒』，【外筒—内框】钢结构的筒体—框架非剪力墙而是支撑框架形成的内筒走廊筒中筒体系筒中筒体系是框筒体系的一分支，力学特性基本相同。不同之处就是利用建筑中心部分服务竖井的可封闭性，将其周围的一般框架改做成密排柱的框架内筒。筒中筒体系与框筒体系相比较不仅仅是因为增加了一个内筒抗弯构件而提高了结构的总抗推刚度，而且有以下两方面的优点；①内筒的轮廓尺才比外筒小，剪力滞后效应弱，水平荷载作用下的构件侧移中，剪切变形与整体弯曲比例，内框筒比外框筒小得多，内框筒更接近于弯曲型构件，因此，建筑物下部各层的层间侧移，将因增设了内框筒而显著减小。②在顶层以及每隔若干层的设备层，沿内框筒的4个面设置伸臂桁架，加强内外简的连接，使外框筒翼缘框架柱发挥更大的作用，弥补外框筒剪力滞后效应所带来的不利影响，从而进一步提高整个结构的整体受弯能力。所以，有条件时应优先采用筒中筒体系。框筒束体系框筒束的构成芝加哥的西尔斯大厦，110层，高442m。是当今世界上最高的建筑。为了抵抗“风城’的大风，采取了框简束体系，这是框简体系又一新发展。为了保证房屋具有足够的抗推刚度，控制房屋主体结构的高宽比是必要的。然而，平面尺寸大了，外框筒的剪力滞后效应增大，框筒整体作用减弱。一般而言，当框筒结构中垂直于风力方向的翼缘框架的宽度大于45m时，筒体效果将显著降低。为了克服这一矛盾，美国SOM公司设计人员，提出框筒束的新概念。就是在房屋内部，沿纵向和横向各设置两道密排柱框架，将一个大框筒分隔成9个相连的小框筒。计算结果表明，剪力滞后效应降低到很小数值，提高了框筒的整体性。西尔斯塔楼束筒结构平面风载下束筒的轴力分布吊装组合件“树状拄”西尔斯塔所采用的框筒束，底部尺寸为68

.6×68.6m，按井字形分隔成9个22．9米见方的子框筒，即框筒单元。到第51层时，减去对角线的两个框简单元，到第66层时．再减去另一对角线上的两个框筒单元，到第91层以上时，则仅保留两个框筒单元西尔斯塔楼的结构体形建筑的高宽比为6．6。由于采用筒束体系，减少了框简翼缘框架的无支承宽度，框筒的整体刚性得到了保证。框筒束在设计风载下的计算层间侧移仅为7．6mm。塔楼的基本周期为7．8s，比世界贸易中心大楼(高412m)的基本周期(10

s)还短。框简体系也具有良好的经济指标，442m高的建筑，单位建筑面积的结构用钢量仅为16lkg／m2。工字柱腹板平行于框架需要指出的是，当框架采用工字形截面时，因为工字形截面在两个主轴方向的惯性矩大小悬殊，从提高框筒的刚度和承哉力出发，需要将工字形情的腹板，在框架所在的平面内。因为就抵抗水平荷载而言，框架筒体的作用相当于带孔薄墙筒体，不论是腹板框架还是翼缘框架．主要受力面部是沿着框架所在的平面，平面外很少受力．柱在平面外的稳定性也因各层楼板的横向支承而不成问题，所以，当框架柱不是采用方管截面，而是矩形管状截面或者工字形截面时，就应该将具有较大截面惯性矩的方向设置在框架平面内。加强层为进一步提高框简束的竖向剪切刚度，每隔若干楼层，利用大楼的设备层，沿各框架平面，设置带状的加劲衍架。因为帽衍架比腰桁架的作用更强，而设备层一般均能布置在每个框筒单元中止的顶层．在第66层和第90层布置的设备层。在这两层设置的加劲桁架．对中止的框简单元来说，就是帽桁架，其效果将优于设置在中间楼层的腰桁架。框筒束成功地用于复杂体形高层建筑的抗侧力体系。美国芝加哥的“宏伟里程“大厦，平面为狭长的L形，而且左、中、右三部分的高度相差很大．分别为57层、49层和22层。最后决定采用框筒束体系，从而妥善地解决了建筑外观、使用功能、结构受力、控制造价等问题。复杂体形建筑的框筒束体系联合银行塔楼，高296m，平面由两个1／4圆形框筒反对称组合而成．框简密排柱的间矩为4.6m。在每个1／4圆筒的中部，还布置一列竖向支撑，并每隔若干楼层设置伸臂桁架和外围桁架，加强内部竖向支撑与外围框筒的刚性连接，以提高竖向支撑与外框筒的共同工作，减小框筒的剪力滞后效应。框筒束与竖向支撑并用体系TURNING

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