1、幻灯片 1第八章第八章 高层钢结构高层钢结构8.1 概述 高层钢结构通常由型钢、钢管及钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各个构件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接。 应用范围：大跨重型、轻型工业厂房，大型及超高公共建筑，特种高耸结构及其它土木结构中。 特点：与混凝土高层相比： 自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面积大，与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑外形。 施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率 抗震性能较好，利于向高层、超高层发展。 绿色环保、可持续发展 1218 层的高层钢结构造价可达到与混凝土持平，综合造价可望超过混凝土。 幻灯片 2H 型钢型钢T 型
2、钢型钢彩钢板彩钢板幻灯片 3架桥机幻灯片 4南通体育会展中心-开合结构（网架体系）幻灯片 5北京奥运会主会场-鸟巢幻灯片 6香港汇丰银行（框支悬挂体系）幻灯片 7轻钢结构住宅幻灯片 8轻钢结构住宅幻灯片 9斜拉结构幻灯片 10平面刚架结构 幻灯片 11幻灯片 12平板网架网壳结构幻灯片 138.2 高层钢结构的设计原则高层钢结构的设计原则一、体形设计1.平面设计采用钢结构的高层建筑，高度一般在 100m 以上，所受的风荷载很大，为了控制结构的侧移和风震加速度，建筑平面尽量采用方形、矩形、圆形、正六边形、正八边形和椭圆形等双轴对称简单的平面形状。楼层平面形状不对称，在风荷载作用下会发生扭转振动，
3、大风作用下，建筑物的摇晃使居住者感觉不适。幻灯片 14 2.立面设计立面设计位于地震区的钢结构高层建筑，其立面形状也应该采用矩形，梯形或三角形等沿高度位于地震区的钢结构高层建筑，其立面形状也应该采用矩形，梯形或三角形等沿高度均匀变化的简单几何图形。均匀变化的简单几何图形。避免采用楼层平面尺寸剧烈变化的阶梯形立面，更不能采用倒梯形建筑。避免采用楼层平面尺寸剧烈变化的阶梯形立面，更不能采用倒梯形建筑。突变部位会因剧烈振动或塑性变形集中效应而破坏程度加重。突变部位会因剧烈振动或塑性变形集中效应而破坏程度加重。3.房屋的高宽比房屋的高宽比房屋总高度与房屋底部顺风（地震）向宽度的比值。它的数值的大小直接
4、影响到结构的抗推刚度、风震加速度和抗倾覆能力。因此，房屋的高宽比应得到控制。幻灯片 15高层建筑高宽比的适宜限制高层建筑高宽比的适宜限制幻灯片 16结二、结构的布置构1.抗侧力构件的选用（水平荷载和地震荷载将成为控制因素）在高层钢结构中可根据具体情况选用轴交支撑、偏交支撑、型钢混凝土墙板、钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙等主要抗侧力构件，以提高构件的抗推刚度。轴交支撑：一般用于抗风结构，也可用于设防烈度较低的抗震结构。偏交支撑和竖缝墙板：适宜于较高设防烈度的抗侧力构件。对于框架芯筒体系、筒中筒体系以及沿楼面核心去周边布置竖向支撑或抗剪墙板的框撑体系和框墙体系，宜在顶层及每隔若干层沿纵、横向设置刚臂
5、，减轻外框筒的剪力滞后效应，增加整个结构的抗侧力的刚度和承载力。幻灯片 17体系应使各楼层抗推中心与楼层水平剪力中心相重合，以减少结构的扭转振动效应；框筒、墙筒、支撑筒等抗推刚度较大的芯筒，在平面上应居中或对称布置；具有较大受剪承载力的预制钢筋混凝土墙板，应尽可能由楼层平面中心部位移至楼层平面周边，以提高整个结构的抗倾覆和抗扭转能力；建筑的开间，进深尽量统一，以减少构件规格，便于制作和安装；构件的布置和柱网尺寸的确定，应避免钢柱的截面尺寸过大、过厚，焊接困难。钢板厚度不宜超过 100mm。幻灯片 18非抗3 抗侧力构件的竖向布置震各抗侧力构件所负担的楼层质量沿高度方向无剧烈变化；沿高度方向，各
6、抗侧力构件是连续的，并位于同一直线上；由上而下，各抗侧力构件的抗推刚度和承载力逐渐加大，并与各构件所负担的水平剪力、弯矩和轴力成比例地增大。1.避开不利建筑场地应避开可能发生崩塌、滑坡、地陷、泥石流等对建筑抗震危险的地段。要防止在地震时可液化土（饱和松散的沙土和粉土）和软土可能发生较大的沉陷和不均匀沉陷。2.隔震方法的采用隔振设计是利用隔振装置来控制和阻隔地震对结构的作用，从而大幅度地减小结构所受到的地震力，并使地震力大致定量在某一水平上，是一种以柔克刚的主动抗震方法。幻灯片 20抗震8.3 高层建筑钢结构体系抗震高层建筑钢结构的体系和布置要求设二、框撑结构体系2.抗侧力构件的平面布置为使各构
7、件受力均匀，获得抵抗水平荷载的最大承载力，抗侧力构件沿平面纵、横方向的布置，应符合下列基本要求。幻灯片 19设计三、场地选择1.应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 2.宜有避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力的多道设防；3.应具备必要的刚度和承载力、良好的变形能力和耗能能力； 4.宜具有均匀的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取加强措施。 5.宜积极采用轻质高强材料。 幻灯片 21计一、框架结构体系烈度钢框架结构体系指沿房屋的纵向和横向采用钢梁和钢柱组成的框架结构来作为承重和抵抗侧力结构体系
8、。优点：能提供较大的内部使用空间，建筑平面灵活布置，适应多种类型的使用功能；结构简单，易于标准化和定型化；施工速度快；对 30 层左右的高层结构，框架体系是一种比较经济合理。幻灯片 22当纯框架体系在风、地震作用下侧移不符合要求时，可以采用带支撑的框架。框撑结构体系在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向均布置一定数量的支撑，形成框架支撑结构体系。幻灯片 23 框撑结构体系中，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。 框撑结构体系，框架是剪切型构件，底部层间位移三、框筒结构体系 框筒结构体系对
9、钢结构来说，衍生出采用密排钢柱和较大截面高度的窗裙钢梁而形成的框架筒体。框筒结构的布置：要求框架柱的间距尽可能小，框架梁具有较大的截面刚度，使框筒的抗侧力性能基本上等同实墙筒体，具有较大的抗推刚度和强度。框筒的钢柱，在框架平面内需要具有较大的杆件剪弯刚度。幻灯片 251.美国芝加哥的 100 层322m 高的汉考克大厦，建筑外形为一个矩形截锥体，采用是支撑框筒体系。2.底层平面79.2m48.7m，顶层平面为48.6m30.4m，最大柱距 13.2m。3.沿框筒周圈布置了大型交叉支撑，框架的剪力滞后效应基本上被消除。61.上海国际贸易中心大楼，常用是筒中筒体系，建筑面积90000m，高度140
10、m,39 层。2.内外柱距3.2m。地下室为型钢混凝土，其中钢柱采用两个工字钢拼焊成的十字型截面，地9巨型梁度巨型柱较大，支撑为弯曲型，底部层间位移较小，两者并联，可以明显减少建筑物下部的层间位移。幻灯片 24汉考克大厦幻灯片 26度上为全钢结构，方管柱、工字形截面框架梁焊接。上海国际贸易中心大楼（筒中筒结构）幻灯片 298西尔斯大厦（束筒结构）西尔斯大厦采用的束筒，底部尺寸为68.6m68.6m,纵横两道密排柱框架，将一个大框筒分隔成 9 个截面尺寸为22.9m22.9m 的子框筒，从 51 层时减去对角线的两个框筒单元，第 66 层汉考克大厦幻灯片 27、7四、筒中筒结构体系度筒中筒结构体
11、系由内外设置的几个筒体，通过有效的连接组成一个共同的骨架体系。这种体系利用建筑中心部分服务竖井的可封闭性，将结构的核心部分做成密排柱框架内筒，并与外筒通过各楼层梁板的联系形成一个共同受力的空间筒状骨架，结构的刚度很大，能承受很大的侧向力。时再减去另一对角线的两个框筒单元，到 99 层时，仅保留两个框筒单元。幻灯片 30度六、巨型框架为了模拟自然，改善内部办公条件，有效地利用较大内部空间，需要在建筑内部每隔若干层设置一个庭院。这样的建筑布置使以往的结构体系不再适应，需要采用能够提供特大空间的巨型框架体系。巨型框架与普通框架不同之处在于它的梁和柱是格构式立体复合构件。巨型框架“柱” ，一般布置在房屋的四角，多余四根时，除角柱外，五、束筒结构体系将几个筒体并列组合在一起形成的结构整体称为束筒结构体系幻灯片 28其余柱沿房屋四周布置。巨型框架“梁” ，一般每隔 1215个楼层设置一根，中间的楼层仅承受重力荷载的一般小框架。由于巨型框架体系“柱”是布置在房屋四角，比多根柱沿周圈布置的框筒体系具有更大的抗倾覆能力。钢结构 框架 5 5 4 3框撑、框墙6 6 5 4各类筒体 6.5 6 5 5混凝土钢结构混凝土墙钢框架混凝土芯筒钢框架5 5 混凝土芯筒钢框筒6 5 5 型钢混凝土结构框架 5 5 4 3框墙 5.5 5 5 4各类筒体 6 6 5 5
