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第2章多层及高层房屋结构2.1多、高层房屋结构的组成2.2多、高层房屋结构的分析和设计计算2.3楼盖的设计2.4柱、支撑及节点柱脚设计2．1多、高层房屋结构的组成多层和高层房屋建筑之间并没有严格的界线。根据房屋建筑的荷载特点及其力学行为，尤其是对地震荷载的反应，大致可以12层(高度约40m)为界。P344（多层412层或高度不超过40m）高层与多层钢结构房屋的区别在于：高层钢结构房屋的水平荷载起主要作用，它引起的弯矩和侧移是与高度的二次方和四次方成正比。因此选择好的抗侧体系、平面和竖向布置规则的结构、风荷载较小的建筑外形以及地震作用较小的结构体系很重要。避免房屋的“先天”缺陷。因此，高层钢结构房屋更重视概念设计。一、多、高层房屋结构的类别钢结构房屋中，侧向荷载的影响显著。按抵抗侧向荷载作用的功效可分为：框架结构、框剪或框支结构、筒体结构。框架结构体系由于在柱子之间不设置支撑或墙板之类的构件，建筑平面布置灵活。体系的抗侧力能力依赖于梁柱构件及其节点的刚度与强度，梁柱节点必须做成可靠的刚接。结构刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，但侧向刚度小。柱距一般控制在6~9m范围内，次梁间距以3~4m为宜；地震区的钢框架结构房屋一般不超过12层。1.框架结构：2.钢框架-支撑（剪力墙板）体系在框架的一部分开间中设置支撑，支撑与梁、柱组成一竖向支撑桁架体系（如图），并通过楼盖与无支撑框架共同抵抗侧力，称为钢框架-支撑体系。若用钢板剪力墙代替钢支撑，嵌入钢框架，即为钢框架-剪力墙板体系。这种结构体系，钢框架的刚度小，承担的水平剪力小。竖向支撑桁架（剪力墙板）的刚度大，承担的水平剪力大。与混凝土框架-剪力墙结构相似，钢框架-支撑（剪力墙板）体系为双重抗侧力体系，其整体侧移曲线一般呈弯剪型。上海锦江饭店分馆，采用带支撑和钢板剪力墙的框剪结构。3.框-筒结构：钢框架-混凝土核心筒或钢框筒-混凝土核心筒体系，钢框架与钢框筒的区别是：钢框筒将框架柱加密(不超过3m)，用深梁将其相互刚性连接，使外层框架在侧向荷载的作用下，具有悬臂箱形梁的力学行为。内筒及其他竖向构件主要承受竖向荷载，刚性楼面作为框筒的横隔，增强筒的整体性。钢框架-混凝土核心筒或钢框筒-混凝土核心筒体系，核心混凝土筒体的抗侧刚度大于钢框架或钢框筒，核心混凝土筒体承担大部分水平力，但混凝土核心筒延性差。实际要求设计成双重抗侧体系，要求混凝土核心筒延性要好，地震水平力作用达到弹塑性变形限制时，还能承担不少于75%的水平力，钢框架或钢框筒作为二道防线承担不少于25%的水平力。为了避免剪力滞后造成角柱的轴力过大，可控制框筒平面的长宽比不宜过大(平面迎风面的长度超过45m时筒体效果降低)；加大框筒梁和柱的线刚度比。框筒结构横向刚度较大，可适用的建筑高度超过90层。P425剪力滞后:由于剪力作用产生变形的影响，柱内轴力不再是线性分布，角柱的轴力大于中部柱。高411m(110层)的原美国纽约世贸中心大厦是带有裙房的框筒结构，其平面尺寸为240根柱子组成的正方形，柱距1.02m；内筒由中央电梯井的47根柱子组成。阵风作用下实测到的屋顶最大横向位移仅为0.46m(不足计算值1．02m的50％)，约为其高度的1／950，证明框筒结构具有良好的抗侧力性能。马来西亚双塔楼：88层，450米，框—筒结构，2019年建成。框筒结构是筒体结构的一种，称为筒中筒结构。深圳发展中心大厦——主楼由钢筋混凝土剪力墙和钢结构组成。钢结构部分占主楼平面3/4，是地上43层、高165.30m的钢架结构。P425束筒结构是由各筒体间共用筒壁的一束筒状结构组成，是为了减缓框筒结构的剪力滞后效应而提出来的。利用第35、66、90三个设备层，设置一层楼高的桁架，提高框筒抵抗竖向变形的能力。束筒结构方案可灵活地组成平面形式，也可将各筒体在不同的高度中止，以获得丰富的立面造型。筒体可用密柱深梁的钢结构形成，也可采用钢筋混凝土筒体，不过常以内筒出现。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)第1.0.2条：根据地震设防烈度，对各类结构形式所适用的高度作出了规定，如下表。P426表7-1做了修改。框架、框—支、框—筒是多、高层房屋结构的最基本型式，由此可衍生出多种多样的型式。4.悬挂结构称芯筒体系或悬挂结构在内筒(通常是钢筋混凝土结构)具有足够的抗侧力刚度时，可把框—筒的外层框筒去掉，将整个建筑物悬挂在内筒上。它打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏，充分发挥钢结构抗拉强度高的优势及钢筋混凝土结构抗压性能好的长处，实现优势互补。5.巨型结构P421一般结构的梁、柱、支撑为一个楼层和一个开间内的构件。巨型结构是将梁、柱、支撑由数层和数个开间组成。特点：抗震性能和抗侧刚度较好，内部空间分隔较自由。巨型结构——上海证券大厦位于上海市浦东新区陆家嘴金融贸易，占地面积11871m2,总建筑面积为98061m2。建筑物地下三层,地上二十七层,第二十七层以上为三层设备层,建筑高度为120·9m;加上高耸的天线塔,最高达180·15m，是我国第一座结构暴露型建筑。结构有四大部分：第一部分：36m×21m的南、北两座，高27层,钢筋混凝土核芯筒体与钢结构框架组成的框筒体系结构的塔楼;第二部分：31m高(共8层),63m跨度的钢结构天桥,位于南、北两座塔楼之间的第19层至第27层处;第三部分：9层(局部10层)钢结构裙房,位于南、北两座塔楼之间首层至第十层处,其中包括一个3620m2的无柱证券交易大厅;第四部分：钢结构天线塔,位于南、北两座塔楼中间,从第十层裙房屋面穿过钢天桥直至180m高空。主框架次框架3次框架2次框架1上海信息枢纽大楼位于浦东陆家嘴金融贸易区，是一座具有高度智能化通讯信息枢纽的建筑。大楼地下3层、地上41层，建筑面积约87756m2，建筑高度达287m(到天线塔顶端)，在一侧塔楼的屋面上，耸立着一座高92m的钢结构天线塔，整个建筑雄伟壮观，在高楼林立的陆家嘴地区，仍不失为一大标志性建筑(见图1)。整幢建筑呈门型结构，左右两侧为钢框架与混凝土核心筒组成的混合结构塔楼，两塔楼相距43.2m，其间为架空的全钢结构框架(以下简称连廊)，连廊从7层开始一直到屋面(设备1层)。大楼结构上最大的特点表现在连廊部分，在连廊的7一11层、26~28层与40一PHI层设置了3道巨型钢桁架。桁架筒体系用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架布置在建筑物的周边，构成桁架筒体系，解决密柱深梁的问题。钢桁架筒体系的柱距大，支撑斜杆跨越建筑物一个立面的边长，沿竖向跨越数个楼层，形成平面巨形桁架，四片平面巨形桁架围成空间桁架筒，形成整体空间悬臂结构。钢桁架筒体系的侧向刚度大，比框筒结构更能充分利用材料，适合于建造更高的建筑。香港中国银行大楼高315m(70层)的香港中国银行大楼为大型支撑筒结构体系。八片支撑的平面位置图四根角柱是由H型钢与混凝土的组合结构。非抗震设防的多层(≤12层)钢结构房屋，可不设双重抗侧力体系，可采用单纯框架或斜撑(或剪力墙)结构体系。采用框架体系时，不一定把所有的梁都和柱刚性连接，只要侧向刚度够大，可以只取一部分柱参与抗侧力工作。采用斜撑体系时，只在少数柱间加设斜撑，梁和柱的连接都可做成铰支——柔性连接。少数柱参与抗侧力体系，和多跨门式刚架的中柱做成摇摆柱一样。梁柱刚性连接构造复杂，制作和工地安装工作量；抗侧力体系也可混合使用，如纵向用框架，横向用斜撑体系。有抗震要求时，可采用偏心支撑体系。纯框架具有很好的延性和耗能能力，但侧向刚度较弱。轴线交汇的支撑体系侧向刚度很好，但支撑设计的在强烈地震作用下不屈曲，则造成地震力过大，不经济、合理；若允许支撑屈曲，则屈曲后性能退化，影响它的耗能能力。中心支撑中心支撑框架中的支撑斜杆，在强烈地震的反复作用下，受压时容易发生屈曲，反向荷载作用下受压屈曲的支撑斜杆不能完全拉直，而另一方向的斜杆又可能受压屈曲，如此多次压屈，致使支撑框架的刚度和承载力降低。若支撑设计的在强烈地震作用下不屈曲，则造成地震力过大，不经济、合理；若允许支撑屈曲，则屈曲后性能退化，影响它的耗能能力。因此，中心支撑框架一般用于抗风结构，抗震设计时对于不超过12层的钢结构房屋亦可采用。(a)单向斜杆支撑、(b)十字交叉支撑、(c)人字支撑、(d)V形支撑、(e)K形支撑。K形支撑斜杆的尖点与柱相交，受拉杆屈服和受压杆屈曲会使柱产生较大的侧向变形，可能引起柱的压屈甚至整个结构倒塌，所以抗震设计时不宜采用K形支撑。偏心支撑偏心支撑框架是在梁上设置一较薄弱部位，如图10.1.3中的梁段l，称为消能梁段。结构在弹性阶段有较好的刚度，在强震作用下，消能梁段在支撑失稳之前进入了弹塑性阶段，具有很好的延性和耗能能力。试验研究表明，消能梁段腹板剪切屈服，通过腹板耗散地震能量，具有塑性变形大、屈服后承载力继续提高、滞回耗能稳定等特点。设置偏心支撑的开间内，构件之间的相互连接均为刚接。《建筑抗震设计规范》规定，超过12层的钢结构应采用偏心支撑框架，顶层可采用中心支撑；不超过12层的钢结构宜采用中心支撑，有条件时也可采用偏心支撑。框架-支撑体系中的竖向支撑通常是在框架的同一跨度内支撑沿竖向连续布置，如图（a）所示。在水平荷载作用下，支撑部分由于其宽度较小，整体弯曲变形所引起的顶部侧移较大，且柱脚受到很大的轴向拉（压）力，设计中难以处理。如将竖向支撑布置在两个边跨图b或根据结构侧向刚度上小下大的实际需要，上面几层布置在中跨，下面几层布置在两边跨图c，则其侧向刚度均比常规的沿中跨布置图a大得多，而且柱脚处的轴向拉（压）力亦相应减小。二、结构布置P3471.平面布置为了减少风压作用，应首选由光滑曲线构成的凸平面，减小风载体型系数。圆形或椭圆形平面比矩形平面能显著降低风压的整体作用；尽可能采用中心对称或双轴对称的平面，减小或避免在风荷载作用下的扭转振动；避免狭长形平面。（1）有抗震设防要求时，平面尺寸关系应符合《高层民用建筑钢结构技术规程》第3.2.1条如下列的要求。结构在水平荷载下是否会出现扭转，不仅和平面图上的外形有关，还和抗侧力构件设置部位有关。抗侧力刚度中心应和水平合力线尽量接近。偏心率是度量抗侧力构件布置状况的力学参量，任一楼层相应于x和y方向的偏心率x和y可由下式计算：x=ey/rexy=ex/reyex、ey——分别为x和y方向水平作用合力线到结构刚心的距离。rex、rey——分别为x和y方向的抗扭弹性半径；rex=（KT/Kx）1/2，rey=（KT/Ky）1/2KT=（Kxy2）+（Kyx2）KT——所计算楼层的扭转刚度；Kx、Ky——分别为所计算楼层各抗侧力构件在x和y方向的侧向刚度之和；x，y——以刚心为原点的抗侧力构件坐标。当任一层的偏心率＞0.15时，称平面不规则结构，结构绕刚心扭转。（2）平面不规则结构《建筑抗震设计规范》GB50011-2019第3.4.2条，教材P347大量建筑震害表明：防震缝设置不当导致高层建筑在地震时相互碰撞的破坏后果很严重的；高层建筑在发生地震时具有很大的侧向位移，防震缝的合理设置很困难的，一般不宜设置防震缝。对地震区多高层建筑应当建立精细的力学模型，作较精确的地震分析，并采取相应的措施提高其薄弱部位和构件的抗震能力。高层钢结构建筑，一般不设置温度缝，因为建筑的平面尺寸通常不会超过90m。2.竖向结构布置(1)竖向结构布置的原则：1）使结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心尽可能重合；2）各层的刚度中心应尽可能在同一竖直线上；3）建筑开间、进深的尺寸尽可能统一。(2)竖向结构布置应满足的要求：多高层房屋的横向刚度、风振加速度与其高宽比有关。一般认为高宽比超过8时，结构效能不佳。《建筑结构抗震规范》(GB50011)规定：对于钢结构的高层建筑，其高宽比不宜大于下表的限值。(3)竖向布置的不规则结构P347表6-2：3.楼层平面支撑布置P349保证其平面内有足够刚度，传递水平力。压型组合楼板、现浇或装配式楼板与楼面梁可靠连接时，可不设水平支撑。楼板开大洞口时，应在洞口周围的柱网区格设水