1、现代建筑结构技术 第二章 钢结构体系,主讲：李嘉林 副教授E_mail：,西南科技大学城规硕士研究生系列课程,第一节 钢结构的特点,一、概述随着经济的发展、技术的进步，钢结构高层建筑的优点日益显露出来。尽管同钢筋砼结构相比，钢结构的用钢量较大，耐火性能差，但它具有面积利用系数大，抗震性能好，结构自重轻，基础费用少，施工工期短等优势。从多方面的综合效益来看，在高层建筑领域，钢结构与钢筋砼结构的差距正在缩小，在不远的将来，钢结构将在高层建筑中占有更大的份额。高层建筑钢结构根据制作的材料不同，可分为钢结构、钢砼混合结构、型钢砼结构和钢管砼结构。,二、钢-砼混合结构,钢结构具有截面小、工期短、使用空间
2、大，钢筋砼结构具有刚度大、用钢量小、造价低、防火性能好。钢-砼混合结构一般是指由钢筋砼筒体或剪力墙以及钢框架组成抗侧力体系，以刚度很大的钢筋砼部分承受风力和地震作用，钢框架主要承受竖向荷载，这样可以充分发挥两种结构材料各自的优势，达到良好的技术经济效果。同钢结构相比，钢-砼混合结构用钢量省，造价较低，更适合我国国情。,三、型钢砼结构,型钢砼结构，是指梁、柱、墙等杆件和构件，以型钢为骨架，外包钢筋砼所形成的组合结构。此类构件的特点是： 钢筋砼与型钢形成整体，共同受力； 与全钢结构相比较，可节约钢材 1 / 3 左右； 包裹在型钢外面的钢筋砼，不仅在刚度和强度上发挥作用，而且可以取代型钢外的防火和
3、防锈材料，更加耐久，并可节约维护费用； 可加快施工进度。其施工速度比钢筋砼结构快，比全钢结构稍慢。,四、钢管砼结构,钢管砼通常用于柱，即在钢管（方管或圆管）中灌注砼，形成两种材料的组合构件。钢管通常采用圆管最为有效。它的主要受力机制是： 利用钢管对砼的约束作用，使其中的砼处于三向受压状态，从而大大提高其抗压强度和变形能力； 借助内填砼来增强薄壁钢管的抗屈曲强度和稳定性。钢管砼柱有良好的力学经济性能，同一般型钢砼柱比较，在同等条件下，钢管砼柱可节约 30 的用钢量。同钢筋砼柱比较，可节省水泥 70 % ，节约钢材 10 % ，节省模板 100 % ，而造价大致相等。就世界范围而言，钢管混凝土结构
4、在高层建筑中的应用比例将日益增大。,五、钢结构的特点1,同钢筋砼结构体系相比，钢结构具有如下特点： 1 节约结构面积,五、钢结构的特点2,2 减轻自重、降低基础工程造价 钢结构具有自重轻的特点。一般的钢筋砼高楼，典型楼层的自重约为1218kN/；而钢结构高层建筑典型楼层的自重约为810kN/。后者约比前者减轻自重 30 以上。,五、钢结构的特点3,3 缩短施工周期在高层建筑中，建造工期的长短，也是确定结构方案的一个十分重要的因素。钢结构的施工速度通常可快于钢筋砼结构约 20 一 30 。由于国外钢结构技术比国内成熟先进，其钢结构高层建筑的施工速度更快。如美国芝加哥西尔斯大厦，共 109 层，高
5、 443m ，结构用钢量为 76000t ，仅用 15 个月，主体结构就全部完工，充分体现了钢结构的高速度。,五、钢结构的特点4,4 抗震性能好相对于钢材来说，砼的抗拉和抗剪强度均较低，延性也差，砼构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低。钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，更重要的是它具有良好的延性。在地震作用下，钢结构因有良好的延性，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力。所以，钢结构特别适合用于地震区的高层建筑。,五、钢结构的特点5,5、用钢量较大一般来讲，钢结构高层建筑的用钢量比较高，不包括基础及地下室，上部高层钢结构的造价一般为
6、同样高度钢筋砼结构造价的1.52.0倍，从而增加了投资。然而，由于建筑技术的进步、钢材性能的提高、结构体系的改进及计算理论的发展，钢结构高层建筑的用钢量有逐年下降的趋势。,六、钢结构的特点6,6 耐火性能差钢结构是不耐火的结构，钢结构在火灾烈焰下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350及500时，其强度可分别下降 30及50。至600时，结构完全丧失承载能力，变形迅速增大，导致结构倒塌。因此，高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）规定，对钢结构中的梁、柱、支撑及作承重用的压型钢板等要采用喷涂防火涂料保护。,六、钢结构体系的发展演化,1883
7、年美国芝加哥采用钢框架建成世界上第一幢现代高层建筑10层的家庭生命保险公司大楼以后，钢结构高层建筑得到了较快的发展。 1931年美国纽约又建成当时世界上最高的帝国大厦，102层，高381m。 二次世界大战以后，高层钢结构发展更为迅速。 1968年在芝加哥建成了100层、高334m的汉考克大厦； 1973年在纽约建成110层、高412m 的世界贸易中心； 1974年又在芝加哥建成西尔斯大厦，109层，高443m 。,六、钢结构体系的发展演化,正是由于高层建筑的兴起与发展形势的需要，促进了多种高层钢结构体系的衍生和进步。随着高层建筑的发展，新的钢结构体系不断涌现。框架体系在沿用多年之后，由于结构自
8、身力学特性的局限，对于30以上的高层建筑，就显得不再经济有效。于是，出现了框架-支撑体系。即在框架体系中增设支撑，水平荷载主要由支撑来承担，从而能用于 30 层以上的高层建筑。,六、钢结构体系的发展演化,然而，当建筑层数增多时，由于支撑的高、宽比值超过一定限度，水平荷载倾覆力矩引起的支撑柱的轴压应力很大，结构侧移也较大，不能符合要求。于是，又衍生出支撑-刚臂体系，利用外柱来提高结构体系的抗倾覆能力。由于高层建筑发展的需要、工程实践经验的积累以及新的设计概念的出现，立体构件在高楼结构体系中得到实际应用，从而出现了以立体构件为主的框筒体系、支撑框筒体系、筒中筒体系和框筒束体系。,第二节 钢结构体系
9、,一、框架体系 1 体系构成框架体系是指沿建筑的纵向和横向，均采用框架作为主要构件所构成的结构体系。框架既是承重构件，也是抵抗侧力的构件。地震区的高层钢框架结构，其框架梁柱的连接，一般均采取刚性连接。其他的一些次要结构可采用铰接，以减小构件尺寸和简化连接构造。,2 受力特点和适用范围,钢框架结构抵抗侧力的水平不强。当水平荷载较大时，为提供足够的抗弯刚度，梁柱截面会变得很大，以至超出经济的范围。所以钢框架结构高层建筑的高度受到一定的限制。,采用钢框架结构的高层建筑，框架底层往往出现塑性变形集中现象。这是因为建筑地面以下基础部分的抗推刚度很大，相对而言，建筑底层的抗推刚度就很小，形成刚度突变。在遭
10、遇地震时，建筑容易因框架底层的塑性变形集中而导致破坏。如果在框架的地上一二层采用型钢砼，可以减小该处刚度的突变。,由于框架体系能够提供较大的内部使用空间，因而建筑布置灵活，能适应多种建筑功能的需要。此外，框架体系的杆件类型少，构造简单，施工周期短。所以，对层数不太多的高层建筑来说，框架体系是一种应用比较广泛的结构体系。从技术经济的角度考虑，钢框架结构体系一般仅用于 30 层以下的高层建筑。,3 工程实例北京长富宫中心,北京长富宫中心为地下两层、地上 25 层，高 91m 的旅馆建筑，平面尺寸为 48m x 25 . 8m 。标准层层高 3 . 3m ，采用钢框架结构体系，二层以下（包括地下室）
11、为型钢砼结构，三层以上为钢结构。,北京长富宫中心,二、框-撑体系,1 体系构成在框架体系中的部分框架柱之间，沿结构的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑，所形成的结构体系称为框架-支撑体系，简称框-撑体系。考虑到建筑造型和立面的要求，以及建筑底部的通行需要，支撑大多布置在平面中心部位的服务区域周围。,支撑类型的选择与建筑的抗震要求、建筑的层高、柱距以及建筑的使用要求有关，通常可将支撑分为轴交支撑、跨层支撑、偏交支撑和嵌人式墙板等几种：（1）轴交支撑：是指其中水平杆、竖杆和斜杆的轴心线交汇于一点的支撑。轴交支撑是传统的和最常用的方式。（2）偏交支撑：是指其中水平杆、竖杆和斜杆的轴心线并非交汇于
12、一点的支撑。偏交支撑同轴交支撑相比，具有可增加结构延性，节约用钢量，降低造价等优点。,（3）跨层支撑：是指节间高度跨越两个以上楼层的支撑。它可减少杆件和节点的数量，并可提高支撑的功效，符合超高层建筑中支撑大型化的发展趋势（4）嵌入式墙板：由于以上三种支撑的截面尺寸受杆件长细比的限制，其截面尺寸较大，受压时也容易失稳。所以可采用嵌入式墙板作为支撑来承担结构的水平剪力。常见的种类有钢板剪力墙墙板、内藏钢板支撑的砼剪力墙墙板和带竖缝的砼剪力墙墙板。,2 受力特点和适用范围在水平荷载作用下，钢框架梁柱主要以剪弯变形为主；而支撑的变形主要是轴向拉伸或压缩。因此，在同等杆件截面和同级水平荷载作用下，支撑的
13、侧移值要比框架的侧移值小得多；即表明支撑的抗推刚度比框架大很多。又由于支撑和框架之间良好的协同工作性能，所以与框架体系相比，框一撑体系有更大的抗推刚度，能用于更高的高层建筑。在框一撑体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，因此它也具有平面布置灵活的特点，适用于多种建筑功能的需要。由于框一撑体系的抗推刚度比框架体系要大，一般而言，框一撑体系可用于地震区 40 层以下的高层建筑。,3 工程实例 ( l ）加拿大蒙特利尔贝尔公司和国家银行大厦，见图 1 一 4 一 5 。加拿大蒙特利尔贝尔公司和国家银行大厦，地上 38 层，高 1 27m , 七层以上为钢结构，采用框一撑体系。支撑沿
14、建筑中心的服务竖井四周布置，但人字形支撑的每一个节间跨越了三个楼层。由于支撑的节间长，宽度大，同一方向仅需布置一列支撑，既方便了施工，又提高了抗侧力的有效性。,( 2 ）北京京广中心大厦，见图 l 一 4 一 6 、图 l 一 4 一 7 。北京京广中心大厦建筑平面为 900 夹角的扇梯形平面，地下 3 层，地上 52 层，高 1 96m 。该建筑为多功能大厦，上部公寓，中部办公，下部旅馆，采用框一撑结构体系。竖向支撑均布置在核心区柱间内，并在核心区两端形成三角形支撑小筒体，使该结构的抗推刚度又大为提高。竖向支撑主要采用带竖缝的预制墙板。地下部分采用型钢砼框架和砼剪力墙。,（三）支撑一刚臂体系
15、,1 体系构成 该体系由框一撑体系演化而来，即沿建筑的纵横双向，在建筑顶层以及每隔 15 层左右，从支撑向外伸出一榻一层楼高的析架，形成一道道刚臂，与外柱相悠并在该楼层沿外圈框架设置一层楼高的析架，形成一道道环梁，使外圈框架柱与内部支撑连为一个整体，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩，见图 1 一 4 一 8 。,2 受力特点与适用范围,在框一撑体系中，支撑是主要的抗弯构件，通常设置在建筑平面中，全服务竖井周边。而服务竖井的面积较小（般为标准层面积的 1 。左石），因此支撑的宽度较小；又由于支撑抗推能力的大小与支撑的高、宽比值成反比，所以框一撑体系的高度受到限制。在支撑刚臂体系中，由于刚臂的加人减
16、少了结构的侧移，并使外柱参与结构整体抗弯，加大 J 抗侧力体系的高、宽比值，从而提高了该体系的抗推效能，增加了该体系的适用建筑高度。一般来说， 60 层以卜的高层建筑采用该体系是可能的。,3 工程实例 北京京城大厦,北京京城大厦，地下 4 层，地上： 48 层，高 1 73m 。该建筑为多功能大厦，上部公寓，卜部办公。主楼平面为带锯街边的正方形，柱网沿楼面对角线力向布置，柱距为 4 . 8m ，采用全钢的支撑刚臂体系。支撑是采用外包砼：内藏人字形钢板支撑的预制混凝仁墙板。为了进步增强高楼的抗推刚度，在第四八层和第二卜七层各没置 8 榻伸臂俯架，与外框架柱相连，同时在该两个楼层伸臂衍架的外圈设置
17、腰衍架和帽析架。,（四）框筒体系,1 体系构成 1 亥体系又称为外筒体系。其外圈由密柱、深梁和框架围成框筒，它具有很大的抗推刚度，几乎承担了所有的水平荷载。在建筑内部仅设一般框架，承受竖向重力荷载，构造简单，而且可以采用较大跨度，为建筑提供大空间。为了保证框筒体系密柱、深梁的实现，减少剪力滞后效应的影响，并考虑到建筑功能的需要，钢框筒的外立面开洞率般控制在 30 左右。,2 受力特点与适用范围,筒体结构体系和前述框架、框一撑、支撑一刚臂体系相比，具有如下特点： 抗侧力构件由建筑平面中自移向周边，加大了抗侧力体系的宽度，减小了其高、宽比。 用立体构件替代平面构件，提高厂抗侧力体系的效能。 抗侧力
18、构件与承重构件二者合一，加大了抗侧力构件所承担的重力荷载，并避免了抗侧力竖向构件出现过人拉力。框筒体系就是在上述条件和思路的指导卜，将建筑外圈框架加以改进（密柱深梁），演化而来。它不仅使建筑向更高的高度发展成为可能（一般来说， 100 层以内的高层建筑采用框筒体系是合理的），而且为高层建筑内部提供了类似框架体系的灵活大空间。 框筒体系用于方形、圆形、正多边形等具有双对称轴的平面最为有效。但是，该体系用钢量较大，外圈框架密柱、深梁，柱距较小，立面开洞率受到限制，这是在建筑设计中必须考虑到的。,3 工程实例 美国纽约世界贸易中心,美国纽约世界贸易中心由两幢 110 层高的方形塔楼及 4 幢裙房组成
19、。其中，塔楼地下 6 层，地上 110 层。楼层平面尺寸为 63 . sm / 63 . sm 。楼面核心服务区尺寸为 42m x 42m 。两幢塔楼均采用框筒体系。外圈为密柱、深梁型钢框筒，由 240 根钢柱组成。柱距为 1 . 02m , 窗裙梁高为 1 . 32m ，承担全部水平荷载。楼面核心区采用一般框架，仅承担重力荷载。建筑外立面开洞率为 24 。为了增强框筒的竖向抗剪刚度，减小框筒的剪力滞后效应，利用每隔 32 层所布置的设备层，沿框筒设置一道 7m 高的钢板圈梁。,（五）筒中简体系,1 体系构成筒中筒体系由两个及两个以上的内、外框筒组成。它与框筒体系的不同之处就是将原来的承重框架
20、换成由密柱、深梁组成的内框筒，与外框筒协同工作。为了进一步提高结构抵抗水平荷载的能力，通常还在内框筒中设置支撑。由于外筒的侧向刚度比内筒大很多，所以外筒是主要的抗侧力结构，而内筒将承担较大的水平剪力。,2 受力特点与适用范围,筒中筒体系进一步提高了结构的抗推刚度，减小了结构顶点位移。还可以利用建筑的顶层和设备层、避难层等设置内外框筒之间的伸臂析架，提高结构的整体抗弯能力。可以说，筒中筒体系是一个比框筒体系更强、更有效的抗侧力体系，它完全可以抵御强烈的地震。即使用于高烈度区，其高度也可达 100 层左右。但同框筒体系一样，它所适用的平面形状、外圈框筒柱的柱距及外立面的开洞率也受到一定的限制，亦对
21、建筑设计提出了一定的要求。,3 工程实例 中国国际贸易中心主楼,北京中国国际贸易中心主楼，地下两层，地上 39 层，高 155m 。结构主体采用钢结构筒中筒体系。地下室为钢筋砼结构，地面以上 l 一 3 层，采用型钢砼结构， 4 层以上为钢结构。内、外框筒的平面尺寸分别为 2 lm x Zlm 和 45m x 45m ，柱距均为 3m 。内、外框筒之间用跨度为 12m 的钢梁连接。为进一步提高结构体系抵抗水平力的能力，在内框筒四个面的两端边柱列内设置支撑。此外，还在第二十层和第三 t 一八层的设备层内，沿内外框筒各设置一圈高 5 . 4m 的钢析架，形成两道钢圈梁。支撑和析架的布置，有利于减小
22、剪力滞后效应，减轻内框筒角柱的应力集中，提高内框筒的整体抗弯能力。,（六）框筒束体系,1 体系构成框筒束体系是由两个及两个以上框筒并置连接在一起的结构体系。 或者说，框筒束体系是由一个外筒在其内部增设一榻或数榻腹板框架 相连而成。腹板框架可以是由密柱、深梁形成的框架，也可以是支撑，或者是两者的组合体。框筒束中的每一个框筒单元，可以是圆形、方形、矩形、三角形、梯形、弧形或其他任何形状（图 1 今 20 ) ，而且 每一个单筒都可以根据实际需要，在任何高度处终！卜，而不影响整个 结构体系的完整性。,2 受力特点与适用范围,由于在纵横双向上，框筒束体系均有多棍腹板框架，使剪力滞后现象大有改善。同时，
23、腹板框架的存在提高了外筒的整体抗弯刚度和抗弯能力，也提高了结构的抗剪能力。所以，相比框筒体系，它在抗弯能力、抗剪能力和侧向刚度方面均得到较大提高。和框筒体系相比，框筒束体系更加灵活多变，应用范围也更广。一方一面，它适用于各种平面形式，而框筒体系要求平面形状具有双对称轴，所以平面形状以圆形、方形、正多边形为多。另方面，它对形体的制约也较少，例如在框筒体系中，矩形平面长边和短边之比应镇 1 . 5 ，并且边长镇 4 , m ，而框筒束体系则没有此限制，而且它的立面开洞率比框筒体系要大，这就为建筑造型创造了更好的条件。一般来说，框筒束体系可用于高烈度区 110 层以下的高层建筑。,3 工程实例 美国
24、芝加哥西尔斯大厦,美国芝加哥西尔斯大厦， 109 层，高 443m 。建筑底层平面尺寸为 68 6m X 68 . 6m ，高、宽比为 6 . , ，采用钢框筒束体系。该建筑所采用的框筒束体系的构成是：在外圈大框筒的内部，按井字形，沿纵、横两个方向各设置两榻密柱型框架，将一个大框筒分隔成 9 个并联的户框简，侮个子框简的平面尺寸均为 22 . 9m x 22 . 9m , 内、外框架的柱距均采用 4 . 57m 。按照各楼层使用面积向上逐渐减少的要求，到第五一层时，减去对角线上的两个 r 框筒；到第六七层时，再减去另一对角线上的两个子框筒；第九十一层以上，再减去 3 个子框筒，仅保留 2 个子
25、框筒到顶。为了进一步减小框筒的剪力滞后效应，利用第三十五层、六十六层、九一层三个设备层和避难层，沿内、外框架各设置一层楼高的衍架，形成三道圈梁，来提高框筒抵抗竖向变形的能力。,（七）巨型支撑筒体系（巨型析架体系）,1 体系构成巨型支撑筒体系又称为巨型衍架体系，是由大型立体支撑、平面内小框架及内部钢框架所组成。在体系中，大型立体支撑是主构件，承担着整座大楼的绝大部分竖向荷载和水平荷载；支撑平面内的小框架及内部钢框架是次构件，担负着将若干楼层竖向荷载和局部水平荷载向主构件传递的任务。大型立体支撑的主要组成部分是沿建筑物周边布置的大型支撑，支撑的每一个面都是横跨整个边长的单列支撑，各个面的支撑杆件在
26、建筑物的转角处交汇，并共用一根竖杆件。在建筑物内部，有时也沿对角线方向布置支撑，其作用是将建筑物内部的竖向荷载传递至外圈支撑的角柱，以加大角柱的竖向压力，避免支撑的角柱在水平荷载引起的倾覆力矩作用下出现拉应力。,2 受力特点与适用范围,山于巨型支撑筒体系中的抗推竖向构件由楼面中间部位向楼面周边转移，并向四角集中，所以该体系可以获得构件抗力矩的最大力臂，形成一种新型的高效抗侧力体系。其特点为： 大型支撑的斜杆将水平剪力转换成斜向轴力，不仅使结构的刚度大为提高，还可充分发挥材料的性能，减少结构断面尺寸，节约材料； 大型支撑布置在建筑周边，并交汇于 4 个角柱，加大了抗力矩的力偶臂，简化了基础施工；
27、 次构件的柱可用吊杆替代，以充分发挥钢材的抗拉强度，可节约钢材 40 % ； 各内柱可以上、下不对齐，并根据各层空间的不同需要加以变更，因而设计更加灵活。该体系适用于建筑内部需要大空间，并能灵活分隔的高层建筑，适用于强风、高烈度地区的 140 层以下的高层建筑。,3 . 工程实例 美国芝加哥汉考克大厦,美国芝加哥汉考克大厦， 100 层，高 332m ，是一幢集办公、公寓、停车和商场于一体的多功能建筑物。其在卜部各层设置商业和办公空间，在中 , lJl 各层设置停车库，上面各层为公寓，顶层为豪华公寓。由于公寓的进深不能太大，所以大厦采用下大上小的矩形截锥体。底层平面尺寸为 79 . Zm x 48 . 7m ，顶层平面尺寸为 48 . 6m x 30 . 4m 。结构采用钢支撑筒体系，由于沿框筒周圈设置了大型交叉支撑，外圈框,
