第四章 多高层钢结构设计

Companyname第四章多、高层钢结构设计本章目录4.1多、高层钢结构的特点与结构体系4.2多、高层钢结构的计算特点4.3多层多跨框架设计4.4组合楼盖设计4.5设计实例（自学）24.1多、高层钢结构的特点与结构体系4.1.1多、高层钢结构的特点4.1.2多、高层钢结构的结构体系本节目录34.1.1多、高层钢结构的特点高层建筑是一种它的“高”“层”强烈地影响其规划、设计、建造和使用的建筑。高度和层数是一幢建筑是否为高层建筑的两个主要评判指标。《规范》：10层及10层以上的居住建筑；高度超过24m的公共建筑为高层建筑。国际上，通常将高度超过100m或层数超过30层的建筑物称为超高层建筑。何谓高层建筑结构？44.1.1多、高层钢结构的特点高层建筑结构可以简化成为支承在地基上的竖向悬臂构件。相对于多层建筑以承受竖向荷载为主，在高层建筑中，抵抗水平力成为设计的主要矛盾。多层到高层，是一个水平荷载起作用由小到大的量变过程。量变的积累给高层建筑的受力带来质的变化。高层建筑结构有何特点？54.1.1多、高层钢结构的特点随高度的增加，内力和变形呈非线性增长。从结构的观点看，凡是水平荷载起主要作用的建筑就可认为进入了高层建筑结构的范畴。随层数的增加，材料用量呈非线性增长。设法减少为抵抗侧向力所需增加的材料用量是衡量一个结构设计师能力好坏的主要标准之一。64.1.1多、高层钢结构的特点高层建筑不仅是人类财富和技术实力的表现，还代表人类的精神追求和创造愿望。人类的建筑历史就是一部不断追求新的建筑高度的历史。74.1.1多、高层钢结构的特点应县木塔（1056年）比萨斜塔（1173年）埃菲尔铁塔（1889年）84.1.1多、高层钢结构的特点1885年，芝加哥家庭保险公司大楼（HomeInsuranceBuilding）在美国建成，10层42米高，下面6层采用“铸铁柱－熟铁梁”框架，上面4层采用钢框架，这标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构体系的诞生，一般被认为是第一幢现代高层建筑。家庭保险公司大楼于1931年拆除，但由此开启的现代高层建筑的蓬勃发展却一直延续至今。94.1.1多、高层钢结构的特点芝加哥家庭保险公司大楼104.1.1多、高层钢结构的特点1931年，纽约的帝国大厦（EmpireStateBuilding）建成，纽约州别名为“帝国州”，故名。大厦底部面积为130×60平方米，向上逐渐收缩。85层以下为普通使用楼层，85层以上缩小为一个直径10米、高61米的尖塔。塔本身相当于17层，因此帝国大厦号称102层，塔顶距地面381米。这是人类历史上第一幢超越埃菲尔铁塔的现代高层建筑，也是世界上第一座超过100层的大楼。它保持世界最高建筑的记录达41年之久，是高层建筑发展史上的一个里程碑。114.1.1多、高层钢结构的特点帝国大厦124.1.1多、高层钢结构的特点1968年，芝加哥JohnHancock大厦建成。100层332米高，立面为上小下大的矩形截锥形，底面的平面尺寸为79.9m×46.9m，顶面的平面尺寸为48.6m×30.4m，底层最大柱距13.2m，立面上的巨大的X形支撑特别引人注目，用钢量仅146kg/m2，相当于40层钢框架结构的用钢量。134.1.1多、高层钢结构的特点14JohnHancock大厦4.1.1多、高层钢结构的特点15JohnHancock大厦4.1.1多、高层钢结构的特点1972年，纽约世界贸易中心（WorldTradeCenter）双塔建成。该工程在规模和技术上的创新是前所未有的，如首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔板，首次采用黏弹性阻尼器进行风振效应控制等，对以后高层建筑的设计和建造具有重要的参考价值。161718双塔北楼高417m，南楼高415m，均为110层，是世界上第一次高度超过400米的大楼。4.1.1多、高层钢结构的特点19首次采用钢框筒结构，平面尺寸为63.5m×63.5m，柱距1.02m，设置在平面中央的47根钢柱仅承受竖向荷载，用钢量仅186kg/m2。20底部的台柱式转换，新颖而独特，使它看起来更像是两棵秀丽挺拔的参天大树。4.1.1多、高层钢结构的特点4.1.1多、高层钢结构的特点214.1.1多、高层钢结构的特点222001年9月11日，世界贸易中心突遭恐怖分子毁灭性袭击，造成两座大楼先后竖向倒塌，对全世界高层建筑的发展产生了很大的影响。4.1.1多、高层钢结构的特点232425264.1.1多、高层钢结构的特点1974年，西尔斯大厦(SearsTower)在芝加哥建成，110层442.5m，第一次采用束筒结构，用钢量161kg/m2，1998年前一直是世界最高的建筑。274.1.1多、高层钢结构的特点50层以下为9个框筒组成的束筒，51～66层是7个框筒，67～90层为5个框筒，91层以上是2个框筒。在第29～31层、第66层和第90层。沿周边各设一道水平带状桁架，起到增加刚度的作用。Khan解释水平带状桁架的作用说：“用橡皮筋将一把铅笔箍起来。”28294.1.1多、高层钢结构的特点西尔斯大厦30马来西亚吉隆坡双子星石油大厦PetronasTowers：1998年在马来西亚首都吉隆坡建成，88层，高452米，西萨.佩里事务所的代表作品，（1998年-2004）为世界第一高楼。4.1.1多、高层钢结构的特点314.1.1多、高层钢结构的特点哈利法塔BurjKhalifa：2004年9月21日开始动工，2010年1月4日竣工启用，它是21世纪的帝国州大厦，160层和828米的高度另其它建筑望尘莫及，它会被谁超越，现在不得而知，但它必定会是21世纪最引人注目的建筑之一。32334.1.1多、高层钢结构的特点3435为了使迪拜塔保持世界最高建筑物的称号，从700米的高度开始，它设计了一种螺旋管钢结构体，从建筑物内部一直延伸到顶端，这个螺旋管可以用液压千斤顶提升，作为增加建筑物高度的支柱。4.1.1多、高层钢结构的特点上海金茂大厦88层，421m；香港中环广场78层，374m；香港中国银行70层，369m；台湾高雄银行85层，348m；深圳地王大厦81层，325m；广州中天广场80层，320m；深圳赛格广场65层，300m；香港皇后大道中心69层，292m；香港ChengKong中心64层，283m。4.1.1多、高层钢结构的特点我国现代高层建筑钢结构自80年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为43层、高165m的深圳发展中心大厦（1990年）。此后，较具代表性有：36台北101是位于台北市信义区的一栋摩天大楼，楼高509.2m，总楼层共地上101层、地下5层，于1999年动工、2004年12月31日完工启用。曾于2004年12月31日至2010年1月4日间拥有“世界第一高楼”的纪录。4.1.1多、高层钢结构的特点374.1.1多、高层钢结构的特点3839金茂大厦的每边设置2根钢筋混凝土巨柱，巨柱的底部截面尺寸为1.5m×4.88m，88层，主体结构高372.1m，总高420.5m，在第24～26层、第5l～53层、第85～87层设置了3道钢伸臂桁架。4.1.1多、高层钢结构的特点40RC核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱(三重结构体系)，101层，高492m，7度抗震设防4.1.1多、高层钢结构的特点4142“上海中心”我国第一高楼，其主体建筑结构高度为580米，塔冠最高点632米。大楼于2008年11月开工，建成后最多可容纳3万人同时办公。4.1.1多、高层钢结构的特点434.1.1多、高层钢结构的特点444.1.1多、高层钢结构的特点454.1.1多、高层钢结构的特点606米的武汉绿地国际金融城518米的东北第一高楼——大连·绿地中心464.1.1多、高层钢结构的特点646m平安国际金融中心47510米北京第一高楼“中国尊”48天津117大厦苏州东方之门4.1.1多、高层钢结构的特点自重轻——采用钢结构承重骨架，比钢筋混凝土结构减轻自重1/3以上。抗震性能好——钢材良好的弹塑性性能，可使承重骨架及节点等在地震作用下具有良好的延性。钢结构自重轻也可显著减少地震作用，地震作用可减少40％左右。有效使用面积高——与同类钢筋混凝土高层结构相比，可相应增加建筑使用面积约4％。建造速度快——与同类钢筋混凝土高层结构相比，一般可缩短建设周期1/4—1/3。防火性能差——不加耐火防护的钢结构构件，其平均耐火时限15min左右，明显低于钢筋混凝土结构。494.1.1多、高层钢结构的特点（1）水平荷载成为决定因素50高层建筑钢结构的设计特点高层建筑结构用钢量随层数的变化风荷载作用下的5跨钢框架各分项用钢量随房屋层数而变化的示意图，从中可见水平荷载的影响远远大于竖向荷载的影响，而且随着房屋层数的增加而急剧增加。wHN221qHM231qHM4.1.1多、高层钢结构的特点（2）结构侧移可能成为控制指标51高层建筑钢结构的设计特点结构顶点侧移△与结构总高度H的四次方成正比。这说明，随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形速率增大。因此，与较低房屋相比，结构侧移已上升为高层建筑结构设计的关键因素，可能成为结构设计的控制指标。EIqH84EIqH1201144.1.1多、高层钢结构的特点（3）轴向变形不容忽视52高层建筑钢结构的设计特点框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，这种轴向压缩差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。（4）减轻结构自重具有重要意义高层建筑结构设计要求尽可能采用轻质、高强且性能良好的材料，一方面减小重力荷载，进一步减小基础压力和造价；另一方面因结构所受动力荷载大小直接与质量有关，减小质量有助于减小结构动力荷载。（a）结构倾覆（b）结构整体弯曲或剪切破坏（c）结构侧向变现过大4.1.2多、高层钢结构的结构体系对于多高层建筑，需要承受的荷载主要有：（1）由建筑物本身及其内部人员、设施引起的重力；（2）由风或地震引起的侧力。在重力作用下，结构的水平构件（楼板或梁）不发生破坏；结构整体不发生失稳。在侧向力作用下，结构不倾覆；结构不发生整体弯曲或剪切破坏；结构侧向变形不能过大，以致影响建筑或结构的功能要求。（a）水平构件破坏（b）结构整体失稳由结构的功能要求可知，多高层钢结构的结构体系应区分抗重力结构体系和抗侧力结构体系，多高层建筑钢结构是通过楼盖体系抵抗重力的。多高层建筑钢结构除需承受重力引起的竖向荷载外，更重要的是需要承受由风或地震引起的水平荷载，因此多高层钢结构建筑一般根据其抗侧力体系的特点进行结构体系分类。53结构类型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）（0.20g）（0.30g）框架11090907050框架-中心支撑220200180150120筒体（框筒，筒中筒，桁架筒，束筒）和巨型框架3002802602401804.1.2多、高层钢结构的结构体系烈度6、789最大高宽比6.56.05.5钢结构民用房屋的结构类型和最大高度应符合表4.1的规定，平面和竖面均不规则的钢结构，适用的最大高度应适当降低。房屋的高宽比限值不宜超过表4.2的规定。54钢结构房屋适用的最大高度(m)钢结构民用房屋适用的最大高宽比4.1.2多、高层钢结构的结构体系框架-支撑结构框架-剪力墙结构筒体结构巨型框架结构框架结构框架-核心筒结构多、高层结构554.1.2多、高层钢结构的结构体系纯框架结构一般适用于层数不超过30层的高层钢结构。指沿房屋的纵向和横向均采用钢框架作为主要承重构件和抗侧力构件所构成的结构体系。其钢框架是由水平杆件（钢梁）和竖向杆件（钢柱）正交连接形成。56纯框架结构57优点建筑平面布置灵活，可用隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间。