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1、第4章 多高层钢结构 定义 高层钢结构一般是指六层以上（或30以上），主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架混凝土核心筒结构形式。后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事实上，它属于钢混凝土混合结构。应用范围现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业中心，如：北京国贸中心、环球金融大厦。星级饭店，旅馆，如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店商用写字楼，综合楼，办公楼如：长春光大银行、上海国际航运大厦。民用住宅，高层公寓。民用住宅的开发与试点正在进行。如：天津市梨园小区等。,主要材料型材：包括截面形式为：“”型钢，“十”字形钢、“口”字
2、型钢。目前我国莱钢、马钢、鞍钢一厂自行生产的100mm700mm的热轧“”型钢，上海大通生产的高频焊接轻型H型钢均已投放市场。钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的压型钢板发展、现状、前景高层钢结构在我国最早应用于工业建筑中，如矿井塔架、海洋平台等。民用高层钢结构的应用起步较晚，我国最早的高层钢结构建筑为上海国际饭店（1932年，22层，82米），进入八、九十年代以后，高层钢结构获得了较快的发展，国内也出现了一批高层钢结构建筑（八十年代有11幢，九十年代至今有25幢）。,八十年代的高层钢结构序号工程名称地点高度层数建筑面积(万平)总用钢量(万吨)结构形式1京广中心北京2083+5713.
3、71.9钢框架，带边框钢筋混凝土剪力墙2京城大厦北京1824+52111.2钢框架钢支撑（外包钢筋混凝土）3深圳发展中心深圳1652+485.60.9钢结构混凝土核心筒，外框钢结构4北京国贸中心北京155.22+398.61.2内外钢框架钢支撑筒体5上海锦江饭店上海1531+464.80.75钢框架钢支撑及钢板剪力墙6上海希尔顿饭店上海1441+435.20.4钢结构混凝土核心筒，外框钢结构7上海国贸中心上海1422+3791.074钢框架钢支撑8上海瑞金大厦上海1071+273.20.37钢结构混凝土核心筒，外框钢结构9长富宫饭店北京90.93+265.050.53纯钢框架及剪力墙10香格里
4、拉饭店北京82.72+245.60.53钢骨混凝土框架，钢框架梁、梁柱钢接体系11上海金沙江饭店上海41.41+141.60.11钢框架钢支撑合计73.35万平米8.964万吨,九十年代的高层钢结构序号工程名称地点高度层数建筑面积(万平)总用钢量(万吨)结构形式1环球金融大厦上海495460332.6钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及钢柱(停工）2金茂大厦上海38842028.91.4钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及钢柱3赛格广场深圳470278.615.81钢结构混凝土核心筒，外框钢管混凝土结构4地王大厦深圳367294.113.81.2钢结构混凝土核心筒，外框钢结构5世界贸易中心
5、天津364266101.6钢结构框架斜撑核心筒，外框钢结构6上海浦东国际金融大厦上海上海353230121.1钢结构混凝土核心筒，外框钢结构7大连云山大厦大连4522089.60.7钢结构混凝土核心筒，外框钢结构8上海东海广场上海352245100.34钢框架与钢混凝土中心筒9大连远洋大厦大连351200.870.5钢结构混凝土核心筒，外框钢结构10国际航运大厦上海348210100.95钢结构混凝土核心筒，外框钢结构11森茂大厦上海348198110.8钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土结构12长春光大银行长春3269930.4钢框架斜撑钢筋混凝土筒13世界金融大厦上海243166.58.3
6、0.33钢结构混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱14云项花园天津34316561.3钢结构混凝土核心筒，外框钢结构15期货大厦上海343157.78.50.65钢结构混凝土核心筒，外框钢结构16上海信息枢纽大楼上海441184.58.70.8钢结构混凝土筒体，巨型钢框架结构17中国保险大厦,4.1.1多高层结构的特点（1）结构自重轻（2）抗震性能良好（3）能更充分地利用建筑空间（4）建造速度快（5）防火性能差4.1.2结构荷载的特点-水平荷载是设计控制荷载。4.1.3.高层钢结构种类(1)框架结构体系（a）双向十字交叉框架；（b）踏步式平行内柱的平行框架；（c）平行的横向框架；（d）曲线网络上的横
7、向框架；（e）圆弧包络的径向框架；（f）双轴平行双向框架；（g）径向网络上的横向框架,(2)框架剪力墙结构体系（a）实体式剪力墙；（b）、（c）由交叉支撑组成的桁架式剪力墙(3)外筒式结构体系(4)筒中筒结构体系（a）筒中筒；（b）三重筒(5)筒束结构体系(6)钢混凝土组合结构体系 钢外框架钢筋混凝土核心筒体系、钢筋混凝土外框筒钢内框架体系、劲性钢筋混凝土梁和柱作为过渡段，3层以上则全是钢结构,4.1.3.高层钢结构的布置1结构平面布置 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中心与水平荷载合力中心重合，以减小结构受扭转的影响。建筑的开间、进深应尽量统一，以减少构件规格，利于制作
8、和安装。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。建筑物平面宜优先采用方形、圆形、矩形及其他对称平面。抗震设计的常用建筑平面和尺寸关系见图4-14。筒体结构多采用正方形、圆形、正多边形，当框筒结构采用矩形平面时，其长宽比不宜大于1.5：1。高层建筑宜选用风压较小的平面形状，并应考虑邻近高层房屋对该房屋风压的影响，在体型上应力求避免在风作用下的横向振动。,2结构竖向布置 抗震设计的高层建筑，在结构的竖向布置上具有下列情况之一者，为竖向不规则结构。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%；相邻楼层有效质量之比超过1.5，但轻屋盖与相邻楼层的有效质量
9、之比除外；竖向抗侧力构件不连续；任一楼层抗侧力构件的总抗剪承载力，小于其相邻上层的80%；立面收进部分的尺寸比值为：当L1/L0.75（图4-15），当收进位于0.15H范围内时，L1/L0.50（图4-16）。抗震设计的框架支撑结构中，支撑宜在竖向连续布置。除底部较高楼层、水平帽状桁架和带状桁架所在楼层及顶部不规则楼层外，支撑的形式和布置在竖向宜一致。,4.1.4高层钢结构的材料选用（1）钢号的选用 宜用的钢号 Q235等级B、C、D的碳素结构钢 Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢（2）主要承重结构钢材的力学性能保证项目 应保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯试验、冲击韧性等5项力
10、学性能。抗震结构对钢材的附加规定，强屈比fu/fy1.2（fu为抗拉强度，fy为屈服点）钢材应有良好的焊接性。（3）钢材的化学成分保证项目将碳、硫、磷等3项化学成分作为保证项目,4.1.4.5 设计时考虑的其他因素（1）关于高强度钢材的应用 高层建筑结构中的钢柱和竖向支撑用钢量很大，但这些构件受长细比影响，采用更高强度的钢材，经济效益不明显。高层建筑钢结构的侧向刚度较小，但由于各种钢号的钢材弹性模量几乎相等，如采用更高强度的钢材，有些构件的截面尺寸要减小，使结构的侧向刚度也相应减小，而且钢材的延性也会降低。高强度钢材在抗震高层钢结构中的应用，应持慎重态度。（2）对低温环境和外露结构要选用适宜的
11、钢材 对于冬季计算温度低于0的情况，应考虑适应负温的钢材等级。对外露结构件宜选用耐候钢。（3）慎重特厚钢板（4）对钢梁宜优先采用热轧H型钢,4.2 高层钢结构的荷载及效应组合,4.2.1 竖向荷载(1)高层建筑中，活荷载值与永久荷载值相比是不大的，因此计算时，对楼层和屋面活荷载一般可不作最不利布置工况的选择，而均采取满布活荷载的计算图形，以简化计算。(2)活荷载较大时，需将简化算得的框架梁的跨中弯矩计算值乘以系数1.11.2；梁端弯矩乘以系数1.051.1予以提高。(3)当计算侧向水平荷载与竖向荷载共同作用下结构产生的内力时，竖向荷载应按建筑结构荷载规范（GB500092001）的规定折减，但
12、在抗震计算时另行考虑。(4)施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力影响的起重机械或其他施工设备时，在结构设计中应用根据具体情况验算施工荷载的影响。,4.2.2 风荷载 作用在高层建筑任意高度处的风荷载应按下式计算：用于高层建筑的基本风压值乘以系数1.1采用。对于特别重要和有特殊要求的高层建筑则乘以系数1.2。风压高度变化系数的取值按建筑结构荷载规范（GB500092001）的规定采用。高层建筑风载体型系数可按下列规定采用P167：4.2.3.地震作用 高层建筑钢结构抗震设计时，第一阶段按多遇烈度地震作用，第二阶段按罕遇烈度地震计算地震作用。,（4-4）,第一阶段设计时的地震作用应考虑下列原则：,沿
13、结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震计算，各方向的水平地震作用部由该方向的抗侧力构件承担。当有斜交抗侧力构件时，宜分另考虑各侧力构件方向的水平地震作用。对按8度和8度以上抗震设防的、平面特别不规则的高层建筑钢结构，宜按双向水平地震同时作用进行抗震计算。计算时，可在主要方向按所规定地震作用的100%计算，在与其垂直的方向按所规定地震作用的30%计算。先各自按弹性振型分解反应谱法进行计算，然后再将两个方向求得的内力分别叠加。对按9度抗震设防的高层钢结构以及按8度和9度抗震设防结构中的大跨度和长悬臂构件，应考虑竖向地震作用。,地震作用的计算方法,底部剪力法 振型分解反应谱法 当采用空间协
14、同工作或空间结构计算空间振型时，振型分解反应谱法要求按下式计算振型质点的等效水平地震作用力，然后进行地震效应振型组合。时程分析法,4.2.3.4竖向地震作用,高层建筑中考虑竖向地震作用时，按下述方法确定等效地震力：,（4-20）,（4-21）,4.3 高层钢结构的内力与位移分析,4.3.1.一般原则及基本假定,无地震作用时,(4-24),有地震作用的第一阶段设计时,（4-25）,4.3.2.内力与位移的计算方法,4.3.2.1一般规定 高层建筑钢结构由于其功能复杂、体型多样，且高度较大，杆件较多，受力也比较复杂，因此，在进行结构的静、动力分析时，一般都应借助于电子计算机，采用专用设计计算软件进
15、行工程设计。对于结构布置不规则、体型复杂以及空间作用明显的结构，宜采用空间分析方法。此时，梁柱构件按空间杆件计算单元考虑，每端有6个自由度；剪力墙按薄壁空间杆件计算单元考虑，每端有7个自由度。,A.形状复杂的剪力墙可采用平面有限元法进行应力计算，所采用的平面单元应具有较高的精度，例如采用完全三次式位移函数的单元。B.沿竖向基本均匀的结构，可采用有限条法进行内力与位移分析。有限条的类型可根据结构类型决定。C.有必要并有条件时，可以将更复杂的高层建筑结构划分为各种单元的组合，采用更详细的计算机程序进行三维空间分析。D.在计算机弹性分析程序编制中宜采用子结构方法以节省内存。首先消去子结构中的内部自由
16、度后再形成总刚度矩阵，然后解方程，求得总体未知量再代回求了其他位移和相应的内力。,4.3.2.2高层建筑钢结构的近似分析法在实际工程中，对于高度小于60m的建筑或在方案设计阶段预估截面时，为了迅速有效地评价结构体系的性能及确定结构与构件的主要尺寸指标，也可以采用一些简化的计算模型乾地分析计算。（1）框架结构的简化计算纯框架结构在竖向荷载作用下框架内力可采用分层法进行简化计算，此时框架梁与上、下层柱组成基本计算单元，不考虑横梁的侧移，竖向荷载产生的梁固端弯矩只在本单元内进行弯矩分配，单元之间不传递。计算所得的梁弯矩作为最终弯矩，柱端弯矩取相邻单元对应柱端弯矩（即上、下两层计算所行弯矩）之和。柱中
17、轴力可通过梁端剪力和逐层叠加柱内的竖和荷载而求出。在水平荷载作用下框架的内力和位移可采用D值法进行简化计算。层数少于20层，斜撑或剪力墙较少的带斜撑或带嵌入剪力墙的钢框架结构，也可作为剪切型体系近似采用D值法计算。此时斜撑、剪力墙的等效D值可按下列方法计算。,（2）框架抗剪结构体系空间分析的近似方法 平面布置规则的框架抗剪结构体系（框支体系和框剪体系），在水平荷载作用下，可以简化为平面抗侧力体系进行分析.（3）高层钢柱架的底部剪力法 用底部剪力法估算高层钢框架结构的构件截面时，水平地震作用下倾覆力矩引起的柱轴力，对体型较规则的丙类建筑可考虑折减。折减系数的取值，根据所考虑截面的位置。对体型不规则或体型规则但基本周期的结构，倾覆力矩不折减。（4）筒体结构的近似计算法 筒体结构的计算方法应反映其空间工作特点，并考虑所有抗侧力构件的共同工作。平面为矩形或其他规则的筒体结构可采用等效角柱法、展开平面框架法、等效截面法等方法，转化为平面框架进行近似计算。,天津供用电大楼,泰国sv花园,外滩金融中心,
