高层钢结构房屋高层钢结构房屋21.1概述212 钢结构构件的性能213 高层建筑钢结构的结构体系 高层钢结构结构体系 2.11 世界高层建筑钢结构的发展世界高层建筑钢结构的发展 钢结构是世界早期高层建筑中最先使用的一种结构类型，将其应用到实际工程中已有几百年历史。19世纪末，西方就开始尝试用钢铁材料制作的框架承重体系，例如美国在1883年建造的11层的保险公司大楼就是采用生钢柱和熟铁梁所构成的框架来承担全部荷载，外围砖墙仅是自承重墙，这栋楼被认为是近代高楼的始祖。 计算机和结构计算理论也的飞跃性发展。这些进步使得高层建筑的结构体系呈现出先进、新型、高效和多样化的局面，同时带来了设计技术的革新，增加了高层建筑的适用性和使用功能，也降低了建筑的造价。高层钢结构结构体系1）国外的发展高层钢结构在国内外的发展高层钢结构在国内外的发展 形成期 西方工业革命时期，铁钢开始用于建筑 1872年法国巴黎Menier巧克力厂采用了钢框架结构 高层钢结构结构体系发展期 20世纪初，技术进步加速，电梯技术的完善。 1931年纽约建成381m(102层)的帝国大厦，钢框架结构，206Kg/m2, 雄踞世界第一高40多年。Empire state building高层钢结构结构体系繁荣期 1945年二次大战后，高层在美欧等西方国家快速发展，其中以美国最具代表性 芝加哥Sears大厦，109层443米，用钢量161Kg/m2，1974年建成。Sears Tower 成束筒体系。Sears高层钢结构结构体系2）国内的发展解放前高层钢结构建筑甚少，最高的是1934年在上海建成的上海国际饭店，22层，高82.5米。中国大陆自20世纪80年代中期起步修建高层钢结构，先后在上海、北京、深圳、广州、大连、厦门、沈阳、天津等地建造了数10幢高层钢结构建筑。高层钢结构结构体系国内目前最高的为上海环球金融中心主楼建筑面积：25.3万m2。总用钢量：65000t。建筑规模：主体建筑物高492米,地上101层，地下3层。结构形式为同时采用三种体系： a、巨型柱、巨型斜撑和带状桁架组成的巨型结构； b、钢筋混凝土的核心筒； c、构成核心筒和巨型柱之间相互作用的伸臂桁架。投资单位：日本森海外株式会社日本森大楼公司主导兴建2008年8月竣工高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系上海中心大厦 大厦的主楼为127层，总高为632米，结构高度为565.5米，这两个高度均超过了上海环球金融中心，从而成为“上海第一高”。 “上海中心”建筑外观呈螺旋式上升，建筑表面的开口由底部旋转贯穿至顶部，从天空向下俯瞰，“上海中心”非对称的顶部卷折状造型，将进一步丰富上海的城市天际线。 “上海中心”总投入将达148亿元，2014年竣工交付使用。项目的开发建设和运营由上海中心大厦建设发展有限公司负责。 高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系国内在建或已建完的其他著名高层钢结构详细信息高层钢结构结构体系1）高钢的优缺点 优点 承载能力高，自重轻，与钢筋混凝土结构相比要轻 30-50，结构所占面积和空间小，另外钢结构断面小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8左右，抗震性能好，工厂化程度高，建设周期短，钢材可回收，对环境污染小。 缺点 钢材的抗火性能差，用钢量稍大，造价偏高。高层钢结构结构体系2）高层钢结构的适用范围）高层钢结构的适用范围公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。公共建筑，商业建筑，多层工业建筑，住宅等。特别适用于特别适用于40层以上的超高层建筑，烈度为层以上的超高层建筑，烈度为8度及以度及以上地震区的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。上地震区的高层建筑和软弱地基上的高层建筑。近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形式近年来多层和小高层住宅也已开始采用钢结构，形式喜人。喜人。高层钢结构结构体系l212 钢结构构件的性能 钢是具有较好的延性材料。但是由钢材制造成的钢结构构件，在竖向和水平荷载作用下并不一定总是延性破坏。 在钢结构构件中，其脆性破坏主要是失稳和脆性断裂。 构件截面因宽厚比较大而产生局部压屈，柱和斜撑因长细比较大而挠屈失稳以及梁、柱构件的侧向扭屈等属于失稳破坏。 螺栓或铆钉连接的净断面拉坏，焊缝应力集中断裂等为脆性断裂破坏。 因此，避免钢结构构件的脆性破坏，是搞好钢结构设计的重要问题。高层钢结构结构体系2121 钢梁钢梁1单调荷载下的性能 H形截面梁在均布弯矩作用下的弯矩-转角关系、依赖于横向无支长度 对绕截面弱轴的回转半径 之比，示于图2121对曲线A， 小，受弯承载力保持在 时有大的转角， 值为：式中， 是塑性的截面模量， 是钢材屈服强度 。对曲线B, 略大于A的值。在达到足够的转角之前因横向压屈使承载下降。如果 更大，在达到受弯承载力 之前横向压屈，如曲线C.。高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系2反复荷载下的性能 钢梁在往复荷载作用下的性能与单调荷载作用下基本一致，其滞回环在小的转角幅度下是稳定的，其反复荷载作用下的转角能力随 的变化低于单调荷载。循环荷载作用下的滞回曲线如图2122所示； 高层钢结构结构体系 2122 钢柱 1单调荷载下的性能 宽翼板的柱在固定轴力和单调弯矩作用下的弯矩曲率关系如图2123，其中 是轴力为零时的全塑性弯矩， 是轴力为零时的屈服曲率。如果不出现局部压屈，随曲率的增加，弯矩可达到 值并保持不变。 除了弯曲屈服破坏外，细长的柱因压弯和局部压屈可能在平面内失稳。 高层钢结构结构体系2反复荷载下的性能 横向被梁支承的框架柱在固定轴向和反复水平荷载作用下的滞回曲线如图212，4所示。高层钢结构结构体系 2123 支撑构件 图2125给出了斜杆在反复荷载下的滞回性能，其中P和 分别是斜杆内的轴向力和相应的伸长度，H和 分别是斜杆承受的水平荷载和框架的水平位移。由于每根斜杆只承受拉力，如图2125b、c，斜杆承担的总水平荷载是各杆力的水平分量之和，如图2125d。d中的滞回环表示斜杆只在发展新的塑性伸长度时才消耗能量。斜杆如果在固定位移幅度的反复荷载作用下，则不消耗能量，如图2125e；这就是说一般地斜杆的能量消耗能力小于抗弯框架。高层钢结构结构体系2124 连接节点 焊接的刚性梁柱连接处的破坏可能是局部高应力导致的屈服或断裂，如图21.26b，也可能发生节点板剪切屈服，如图2126a；梁翼板传来的压力和拉力形成的局部应力可能带来两类破坏： 1)梁受压翼板传来的压力使柱腹板翘曲 (2)梁受拉翼板传来的拉力使柱的翼板与相邻腹板处的焊缝断裂导致柱翼板过大的挠曲。高层钢结构结构体系213 高层建筑钢结构的结构体系 目前，高层建筑钢结构的主要结构体系有钢框架、钢框架抗剪结构、带水平加强层的钢框架支撑桁架结构、巨型结构、筒体结构等结构体系，下面就这些结构体系的不同特点来分别讨论。高层钢结构结构体系 2131 钢框架结构体系 框架结构体系是指，沿房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧向力的主要构件所构成的结构体系。 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。此外，框架的杆件类型少，构造简单，施工周期短。所以，对层数不太多的高层结构来说，框架体系是一种应用比较广泛的结构体系。 这种结构形式的抗例移刚度主要取决于组成框架的柱和粱的抗弯刚度，侧向刚度较小，主要适用于30层以下的建筑。 纯框架结构的抗侧移能力主要决定于柱和梁的抗弯能力，当楼层数较多时要提高结构的抗侧移刚度只有加大梁和柱相的截面。截面过大，就会使框架失去其经济合理性。 高层钢结构结构体系2132 钢框架抗剪结构体系 由于纯框架结构是靠梁柱的抗弯刚度来低抗水平力，当建筑物超过30层或纯框架结构在风荷载或地震作用下的侧移不符合要求时，往往在纯框架结构中再加上抗侧移构件，即构成了钢框架抗剪结构体系。 根据抗侧移构件的不同，这种体系又可分为框架剪力墙和框架支撑桁架结构体系高层钢结构结构体系1框架剪力墙结构体系 这里的剪力墙包括钢筋混凝土剪力墙、带缝剪力墙和钢板剪力墙等。 在钢框架剪力墙结构体系中，剪力墙刚度较大，在大震作用下易发应力力集中现象。导致出现大的斜向裂缝而引起脆性破坏。为了避免这种现象发生，采用一种带缝剪力墙，这种剪力墙在风荷载和小震作用下处于弹性，刚度较大；在大震作用下即进入塑性状态、能吸收大量的地震能量并保证其承载力。这种带缝剪力墙，是在钢筋混凝土墙板中按一定间距设置竖缝形成的，在竖缝中设置了两块重叠的石棉纤维做隔板，既不妨碍竖缝剪切变形，还能起到隔音等作用。高层钢结构结构体系带竖缝剪力墙板的框架高层钢结构结构体系 钢板剪力墙板高层钢结构结构体系 2框架支撑框架结构体系 框架支撑框架结构就是在框架的一跨或几跨沿竖向布置支撑而构成，其中支撑桁架部分起着类似于框架剪力墙结构中剪力墙的作用。在水平作用下，支撑桁架部分中支撑构件只承受拉、压轴向力，这种结构形式无论是从承载力或变形的角度看，都是十分有效的。与纯框架结构相比，这种结构形式大大提高了结构的抗侧力刚度。 支撑在水平荷载作用下所产生的侧移，主要是由其杆件的轴向拉伸或压缩变形引起的。与杆件的剪弯刚度相比较，杆件的轴向变形刚度要大得多。也就是说，支撑的抗侧力刚度相对于框架的抗侧力刚度要大得多。 就钢支撑的布置而言可分为中心支撑(CBF)和偏心支撑(EBF)两大类。 高层钢结构结构体系 在框架支撑体系中的中心支撑是指支撑的两端都直接连接在梁柱节点上，而偏心支撑就是支撑至少有一端偏离了梁柱节点，而是直接连在梁上，则支撑与柱之问的一段梁即为耗能连梁。 中心支撑框架体系在大震作用下支撑易屈曲失稳，但抗侧移刚度很大，构造相对简单。 偏心支撑框架较好地结合了纯框架相中心支撑框架两者的长处，与纯框架相比，它每层加有支撑，具有更大的抗侧移刚度及极限承载力，与中心支撑框架相比，它在支撑的一端有耗能连梁，在大震作用下，耗能连梁在巨大剪力作用下，先发生剪切屈服，从而保证支撑的稳定，滞回环稳定，具有良好的变形和耗能能力。高层钢结构结构体系 中心支撑的类型(支撑框架)高层钢结构结构体系 偏心支撑的类型(偏心支撑框架)高层钢结构结构体系 在框架支撑体系中，因受到体系中其它构件的制约，框架和支撑的变形状态均发生变化其特点是： (1)水平荷载是作用于结构体系之上(图2131a)，而不是分别单独作用于框架和支撑之上，框架和支撑作为体系中的分离体所受到的水平荷载的大小，是按照两者抗侧力刚度的大小比例分配的。高层钢结构结构体系 (2)在框架支撑体系中，框架和支撑之间，不仅有连系梁，更重要的是有各楼盖将他们连为一体。因为各层楼盖沿水平方向的刚度很大，框架和支撑不再能自由地单独变形，两者的侧移曲线由各层楼盖将其协调一致，变成一条共同的侧移曲线(图213 1b) (3)各层楼盖协调的结果，使框架支撑体系的侧移曲线，介于单独框架和单独支撑的侧移曲线之间。从而使支撑的顶点侧移和顶点最大层间侧移角得以减小；同时也使得框架下部的最大层间侧移角减小(图2131b)。 高层钢结构结构体系 3带水平加强层的钢框架带水平加强层的钢框架支撑结构体系支撑结构体系 带水平加强层的钢框架支撑框架结构体系就是通过在技术层(设备层、避难层)设置刚度较大的加强层，进一步加强内芯与周边框架柱的联系，充分利用周边框架柱的轴向刚度而形成的反弯矩来减少内筒体的倾覆力矩，从而达到减少结构在水平荷载作用下的侧移。 由于外围框架梁的竖向刚度有限，不足以让未与水平加强层直接相连的其它周边柱参与结构的整体抗弯，一般在与水平加强层的楼层沿结构周边外圈还要设置周边环行桁架。高层钢结构结构体系2133 巨型结构体系 巨型结构体系是一种新型的超高层建筑结构体系是由梁式转换楼层结构发展而形成的巨型结构又称超级结构体系，是由不同于通常梁柱概念的大型构件巨型梁、巨型柱组成的简单而巨型的主结构和由常规结构构件组成的次结构共向工作的一种结构体系。 巨型钢结构按其主要受力体系可分为：巨型桁架(包括简体)、巨型框架、巨型悬挂结构和巨型分离式筒体等四种基个类型。由上述四种基本类型和其它常规体系还可以组合出许多其他性能优越的体型刚结构体系。高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系 2134 筒体结构体系筒体结构体系 筒体结构体系是在超高层建筑体系中应用较多的一种种，按筒体的位置、数量等分为钢框架核心筒体结构体系、外框架筒结构体系、筒中筒结构体系和束筒结构体系。高层钢结构结构体系 1钢框架核心筒结构体系 钢框架核心筒结构体系将抗剪结构作成四周封闭的核心筒，用以承受全部或部分水平荷载和扭转荷载。 外围框架可以是铰接钢结构或钢骨混凝土结构，主要求受自身的重力荷载，也可设计成抗弯框架，承担一部分水平荷载； 核心筒的布置随建筑的面积和用途不同而有很大的变化。它可以是位于建筑物核心的单筒，也可以是几个独立的筒位于不同的位置上。它的材料可以是钢的、钢筋混凝土的或两者组合的。若采用钢筋混凝图核心筒时，筒与钢框架可以交替施工，有利于加快施工速度， 这种结构形式在国外采用的不太多，而在我国近年来被大量的高层建筑钢结构工程采用，如上海希尔顿酒店、金茂大厦等。高层钢结构结构体系上海金贸大厦，88层，高421米高层钢结构结构体系 2外框架筒结构体系 外框架筒结构体系就是将具有很大刚度的外围框架作成自地面伸出的、封闭的空心箱形悬臂梁，用以抵抗水平力。内部则取消了剪力墙或支撑桁架等抗侧力结构，其少量的中间柱只承受重力荷载、劲性楼板则作为隔板起将水平力分布到周边结构上的作用。这种结构的外框筒，通常由围绕房屋周边并与窗间梁连接在一起的密排柱子组成的。可形成很大的空间结构。大大提高了体系的抗侧移刚度和抗扭性能。 高层钢结构结构体系 在水平力作用下，结构基本上仅发生整体弯曲。即各框架柱仅发生轴向变形。然而外框筒个是实体，易形成正应力两侧大、中间小的剪力滞后现象，导致角柱要比中间柱承受更大的轴力。结构的侧向挠度将呈明显的剪切型变形。 纽约110层415m高的世界贸易中心就是采用了这种结构形式。高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系这是2001年10月11日，在美国发生“911”事件一个月后，黎明的曙光照亮了纽约世贸中心的废墟。 高层钢结构结构体系这是2002年3月7日，美国纽约世贸大楼被炸废墟清理工作继续进行，世贸大楼地表层已经基本被清理干净。 高层钢结构结构体系高层钢结构结构体系 3筒中筒结构体系 筒中筒结构体系就是集外围框筒和核心筒为一体的结构形式，共外围多为密柱深梁的钢框筒，核心为钢结构或钢筋混凝土构成的筒体。内、外筒通过楼板而连接成一个整体，大大提高了结构的总体刚度，可以有效地抵抗水平外力。 与钢框架核心筒结构体系相比由于外围框架筒的存在，整体刚度远大于它；与外柜筒结构体系相比，由于核心内筒参于抵抗水平外力，不仅提高了结构抗侧移刚度，还可使得框筒结构的剪力滞后现象得到改善。这种结构体系在工程中应用较多。 我国1989年39层高155的北京国贸中心大厦就采用了全钢筒中筒结构体系。高层钢结构结构体系 筒中筒体系是由内外设置的几个筒体：通过楼盖系统连接组成的能共同工作的结构体系，如图所示。它具有很大的侧向刚度和抗侧力能力。高层钢结构结构体系北北京京国国贸贸大大厦厦 高层钢结构结构体系 4束筒结构体系 束筒结构就是将各个单元框架筒体相连在一起而组成的组合筒体，是一种抗侧刚度很大的结构形式。这些单元筒体本身就有很高的承载能力，可以在平面和立面上组合成各种形状，并且各个筒体可终止于不向高度，可使建筑物形成丰富的立面效果，而又不增加其结构的复杂性。 曾经是世界最高的建筑位于芝加哥的110层高442m的西尔斯大厦所采用的就是这种结构形式。高层钢结构结构体系如图所示，它是以外框筒为基础，在其内部沿纵横向设置多榀框架，减小了筒体的边长，从而大大减小了剪力滞后效应。高层钢结构结构体系西尔斯大厦高层钢结构结构体系5.桁架筒体系 在框筒体系中沿外框筒的四个面设置大型桁架(支撑)构成桁架筒体系，如图所示。由于设置了大型桁架(支撑)，一方面大大提高了结构的空间刚度和整体性；另一方面因剪力主要由桁架(支撑)斜杆承担，避免横梁受剪切变形，基本上消除了剪力滞后现象。高层钢结构结构体系