第三章-多、高层房屋钢结构

多、高层房屋结构3.1多、高层房屋的结构体系3.2高层钢结构的计算特点3.3压型钢板组合楼（屋）盖设计3.4钢构件及连接的设计特点基本概念高层建筑混凝土结构技术规程规定，10层和10层以上或房屋高度超过28m的建筑为高层建筑。民用建筑设计通则规定，以高度为24米、100米的住宅和公共建筑分别列为高层及超高层建筑，其防火要求不同。实际上结构没有确切的划分低层、中层和高层的界限，对于结构设计而言影响设计的重要因素—水平荷载及其效应是随高度而渐变的。低层、中层和高层建筑都要承受竖向荷载和水平荷载（风荷载及地震作用），其结构设计原理基本相同，但控制结构设计的因素不同；竖向荷载作用下的基底轴力与结构高度成正比，水平荷载产生的基底剪力与结构高度成正比；但水平荷载产生的总体倾覆力矩与结构高度平方成正比，而顶点侧移与结构高度四次方成正比。低层建筑由竖向荷载控制，高层建筑一般由水平荷载控制。WHN221qHMEIqHu84高层建筑结构受力简图HWq内力或位移=f(H4)M=f(H2)N=f(H)H结构内力、位移与高度H的关系第一节多、高层房屋的结构体系一、多、高层钢结构的特点1、结构自重轻（8-15KN/m2大约为砼结构的60%）2、抗震性能好3、减少结构所占建筑面积，能充分利用建筑空间。（砼7%——钢3%）4、施工周期短（1.5倍于砼结构）5、耐火性能差二、多、高层钢结构的结构体系根据不同建筑高度、不同抗侧力结构对水平荷载效应的适应性，分为：纯框架结构体系框架-抗震墙结构体系框架-支撑结构体系框架-核心筒结构体系筒体结构体系1、纯框架结构体系由水平杆件和竖向构件正交或非正交连接而成。优点——框架柱网可大可小，建筑平面布置灵活。延性大、耗能能力强的延性框架结构，具有较好的抗震性能。缺点——刚度小，侧移大，使用高度最低。图8-1框架结构体系a）结构平面b）结构剖面a）b）工程实例：北京长富宫中心（教材307页）建于1987年，旅馆，地下2层，地上26层，房屋高度96m，标准层层高3.3m。建筑平面25.8m×48m，主要柱网尺寸8m×9.8m。框架柱为焊接箱形截面，尺寸450mm×450mm。框架梁为焊接工字形截面，650mm×200mm～250mm。次梁采用轧制H型钢。4.05.86.25.84.04.05X8.04.0焊接箱形柱焊接工字形钢梁轧制H型钢图8-2北京长富宫中心标准层结构平面图2、框架-抗震墙结构体系优点——兼有框架结构布置灵活、延性好和剪力墙结构刚度大、承载力大的特点。水平荷载由钢框架和抗震墙共同承担。抗震墙：钢筋砼抗震墙钢筋砼带缝抗震墙钢板抗震墙。A-AAA钢梁钢柱图8-3带竖缝钢筋混凝土抗震墙钢梁钢柱横向加劲肋纵向加劲肋图8-4带加劲肋钢板抗震墙钢筋砼抗震墙—刚度大但有应力集中问题—解决办法：带缝钢板抗震墙—钢板厚度8-10mm,抗震设防烈度不小于7度时应设置加劲肋，周边与钢框架采用高强度螺栓连接。工程实例：北京京广中心大厦主楼图8-5北京京广中心大厦a)标准层结构平面b)墙板布置平面c)结构横剖面b)c)焊接工字钢梁RC带竖缝墙板（6~52层）方钢管柱750×750×60RC带竖缝墙板（6~37层）钢框架23层钢支撑38层RC带竖缝墙板208.00196.00a)天井北京京广中心大厦主楼为综合性多用途建筑，地下3层，地上51层，总高度208m，平面为扇形，结构采用框架-抗震墙体系。地面以上框架柱采用焊接方管，框架梁采用焊接工字钢，抗震墙采用预制钢筋混凝土带竖缝墙板。a）b）钢框架钢支撑钢支撑钢框架框架+竖向支撑桁架3、框架-支撑结构体系竖向支撑桁架作用同抗震墙，一般沿两个方向在同一竖向柱距内连续布置。不考虑抗震时，根据立面要求也可以交错布置。支撑体系布置在中部时，外围柱不考虑参加抵抗水平力。支撑桁架类型：图8-8中心支撑类型a）交叉形斜杆b）单斜杆c）人字形斜杆d）V形斜杆e）K形斜杆a）b）c）d）e）b）c）d）e）a）aaaaaaaaa图8-9偏心支撑类型a）单斜杆式b）V字形式c）人字形式d）门架式1e）门架式2注：粗线a为消能梁段Ｋ型斜杆支撑在地震区不得采用，因斜杆易反复压曲而降低承载力【工程实例8-3】第一中心银行大厦（见图8-10）美国印第安纳波尼斯的一幢52层的钢结构办公大楼，高度为190m，标准层平面尺寸为58m×37m。大楼的抗侧力结构采用框架—支撑体系，周边为钢框架，内部为支撑。支撑系统由两片翼缘支撑和两片腹板支撑组成。翼缘支撑为抵抗倾覆力矩提供了最大的力臂，同时将楼面核心区的重力荷载传递至外柱。图8-10第一中心银行大厦的框架-支撑体系a）结构平面b）抗侧力体系a）b）122003×10670=3200012200117001170011700钢框架翼缘支撑腹板支撑腹板支撑翼缘支撑翼缘支撑4、框架-核心筒结构体系核心筒侧向刚度有限，设防烈度8度以上地震区不宜采用这种结构。工程实例：加拿大国家银行大厦a）b）跨层偏心支撑1.25m21.6551.051.021.65跨层偏心支撑钢框架柱5、筒体结构体系外框架筒体系筒中筒体系束筒体系外支撑桁架筒体系(1)外框架筒体系外筒：密柱深梁；柱距3-4.5m；梁高0.9-1.5m;承担全部水平荷载和按荷载面积比例分配的楼层重力荷载；内部框架:只承担重力荷载。梁柱节点可以采用铰接。工程实例：芝加哥标准石油公司大厦该大厦建于1973年，地下5层、地上82层的办公大楼，建筑高度342m，标准层层高3.86m。建筑平面尺寸为59.15m×59.15m，内部承重框架平面尺寸为28.96m×28.96m。外筒钢柱柱距3.05m，柱截面采用人字形，深梁截面高度1.68m。图8-13芝加哥标准石油大厦a)结构平面b)框筒柱截面a)b)3050人字形截面柱钢框筒角柱2896059150等边角钢1520翼缘厚33~63翼缘厚16~32承重框架760(2)筒中筒体系内框筒：采用钢结构或钢砼结构外框筒：多采用密柱深梁的钢框筒工程实例：上海国际贸易中心该大厦建筑平面为矩形，在四个角部有局部收进，地下2层、地上35层，建筑总高度140m。建筑平面尺寸为40.4m×50m，内筒宽度为25.6m×16m，内、外筒柱距均为3.2m，内外筒之间的跨度为12.2m，钢柱采用箱形截面，梁采用轧制H型钢，楼板采用压型钢板上浇钢筋混凝土板，厚度90mm，压型钢板仅作模板使用。b)a)外框筒内框筒H型钢箱形截面柱500×50040.42.611×3.2=35.22.62.614×3.2=44.82.650.0AA129.55A—A外框筒内框筒上海国际贸易中心（３）束筒体系工程实例：西尔斯大厦3×5×4570=685503×5×4570=68550密柱深梁腹板框架焊接H型钢柱平面形状50层35层90层110层66层周边桁架框筒周边桁架钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度(m)结构种类结构体系非抗震设计抗震设防烈度6、7度8度9度钢结构框架框架-支撑(剪力墙板)各类筒体1102603601102203009020026050140180有混凝土剪力墙的钢结构钢框架-混凝土剪力墙钢框架-混凝土核心筒32018010070钢框筒-混凝土核心筒22018018070高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。钢结构高宽比的限值结构种类结构体系非抗震设计抗震设防烈度6、7度8度9度钢结构框架框架-支撑(剪力墙板)各类筒体566.5566455345有混凝土剪力墙的钢结构钢框架-混凝土剪力墙钢框架-混凝土核心筒55554444钢框筒-混凝土核心筒6554最大适用高度是经验性的规定，突破高度限制的建筑已经建成，当积累了更多的经验以后在修订规程时适用的最大高度也会改变。高宽比限制值更是一个经验性的规定，符合高宽比限制值要求的建筑比较容易满足侧移限制，而侧移限制才是最根本的要求，如果各方面都能满足规范要求，突破高宽比限制值是可能的。第二节多、高层钢结构的计算特点一、荷载1、竖向荷载自重、楼面和屋面活荷载、雪荷载多层结构：活荷载不利布置高层结构：各跨满载，当活荷载较大时，可将简化后框架梁的弯矩适当加大。注意施工阶段的验算。2、风荷载计算主要承重结构和抗侧力构件时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值为：0wwzszk式中ωk—风荷载标准值(kN/m2)；βz—顺风向高度z处的风振系数；μs—风荷载体型系数；μz—风压的高度变化系数；ωo—基本风压(kN/㎡)。基本风压ωo：风荷载基准压力，以当地比较空旷平坦地面上，离地面10米高度处，10分钟平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，计算确定的风压。注意：建筑物的重要性不同，其风压值的重现期不同。对于高层建筑重现期为100年，但对于高层建筑的维护结构，重现期仍为50年。对于高层建筑和高耸结构，上述的风压应乘以1.1对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高层结构，应乘以1.20wwzszk（8-1）风压的高度变化系数μz：根据地面类别查表，必要时应修正。风荷载体型系数μs：1、对单独高层建筑：按《高钢规程》附录一采用。2、对城市建成区内新建高层建筑，应考虑周围已有高层建筑，特别是邻近已有高层建筑的影响。增加一个相互干扰增大系数：见表8-13、验算墙面构件及其连接时，对风吸力区应采用表8-2规定的局部体型系数。封闭式建筑物的内表面，应按外表面的风压情况取±0.2方向d/Bd/H地面粗糙度风向角θ0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°顺风向≤3.5≤0.7A、B类1.151.351.451.50～1.801.45～1.751.401.401.301.251.15C、D类1.101.151.251.30～1.551.25～1.501.201.201.101.101.10≥7.5≥1.5A、B类C、D类1.00横风向≤2.25≤0.45A、B类1.30～1.50C、D类1.10～1.30≥7.5≥1.5A、B类C、D类1.00表8-1建筑群体风荷载体型系数的增大系数BF注：1.θ为风向与相邻建筑物平面形心之间连线夹角，d为两建筑物之间的距离，B、H分别为所讨论建筑物迎风面宽度和高度。2.d/B或d/H为上表中间值时，采用插值法确定。3.表中同一格有两个数时，低值适用于两个高层建筑，高值适用于两个以上高层建筑。部位局部体型系数外墙构件、玻璃幕墙墙面一般位置-1.0墙角、屋面周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位1-1.5檐口、雨蓬、遮阳板、阳台-2.0注：1作用宽度为房屋总高度的0.1，但不小于1.5m。表8-2风吸力区的局部体型系数顺风向高度z处的风振系数βz考虑范围：房屋结构H30m&H/B1.5高耸结构T10.25s考虑方法：zzz1脉动增大系数地面类别结构类型),,(210Tf脉动影响系数地面粗糙类别等),/,(BHHf振型系数振型等),,(Hzfz等截面钢结构高层建筑顺风向βz简化表格见表8-4在主体结构的顶部有小体型建筑时，应计入鞭稍效应，可根据小体型建筑作为独立体时的基本自振周期Ｔｕ与主体建筑的基本自振周期Ｔ１的比例，分别按下列规定处理：一、当Ｔｕ≤Ｔ１/３时，可假定主体建筑的高度延伸至小体型建筑的顶部，对于沿高度等截面的高层建筑钢结构，顺风向风振系数应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》采用。二、当Ｔｕ＞Ｔ１/３时，其风振系数宜按风振理论进行计算3、地震作用（1）计算原则高层建筑根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目标，采用两阶段设计方法：第一阶段设计按多遇地震计算地震作用，验算构件的承载力和稳定以及结构的层间侧移；第二阶段按罕遇地震计算地震作用，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。两阶段设计阶段目标烈度地震作用性质受力状态作用效应组合第一阶段小震不坏（隐含中震可修）多遇地震作用对应的烈度（小震）可变作用弹性（部分弹塑性）承载力验算采用基本组合(多层、高层钢筋混凝土房屋层间弹性位移计算，采用短期效应组