多高层建筑钢结构设计

多高层建筑钢结构设计
小组成员：傅星宇 马稳 潘正宇 王友明 吴灵枢
多高层建筑钢结构设计
一、多高层钢结构的特点 二、多高层框架钢结构体系 三、多层钢结构房屋 四、高层建筑钢结构抗侧力体系 五、设计方法 六、节点设计
七、组合板设计
八、钢与混凝土组合梁
重点和难点
1、多层钢框架结构体系的组成和设计方法 2、组合梁、楼板、节点设计
2．设计特点
(1)荷载的特点:多、高层建筑随着高度的增加，结构上的控制荷载由竖向 荷载变为水平荷载；地震区的地震作用比风荷载大得多。
(2)内力特点:多、高层建筑，随着高度的增加，结构上的控制内力，由轴 力起控制作用到弯矩起控制作用；结构的侧移随高度增加而迅速增加 ,故 结构侧移成为重要的控制因素。
框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）
适用的建筑高度可超过90层（因横向刚度较大） 结构特点： 当钢筋混凝土墙沿服务性面积（如楼梯间、电梯间 和卫生间）周围设置,就形成框架筒体结构体系 这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度。
结构受力 1）内部设置剪力墙式的内筒，与钢框架竖向构件 主要承受竖向荷载； 2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚 接，形成一个悬臂筒，以承受侧向荷载； 3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。
抗震设防烈度 8 90 200 260 9 70 140 180
钢结构
框架-支撑（剪力墙板） 各类筒体
D、在水平力作用下，抗侧力刚度小，顶层位移大 顶层水平位移 层间水平位移
层间水平位移
由柱弯曲剪 切变形引起
由梁引起
框架弯曲变形引起
δ ic
柱弯曲、剪切变形引起层间位移δi c
δ ig 1/2hiθ i
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。
二.框剪结构组成 框架结构上设置适当的支撑或剪力墙
亦可二者皆设置
侧向位移模式

在侧向荷载的作用下，
纯框架结构：
剪切变形模式 抗剪结构： 弯曲变形模式 二者组合（框剪结构）：
显著减少了纯框架结构的侧向位移
SM50A SS41 F10T
力学性能
伸长率 % 24 22 19 20 26 19 17 冷弯试验 试件厚度 1.0a 1.5a 1.5a 1.5a 1.5a 2.0a 2.0a 钢 种
低碳钢 低合金钢 低合金钢 低合金钢 低碳钢 低碳钢 低合金钢
构件截面 柱 框架梁
焊接箱型截面 焊接H型截面 450
θ i
θ i -1
反弯点
1/2hiθ i-1
梁弯曲、剪切变形引起层间位移
δ
ig
δ if
框架弯曲变 形引起δ if
if
边柱拉伸变形
边柱压缩变形
3、实例
长富宫中 心 北京 地 上 25 层 ， 地 下 2 层 , 94m 1987年建成 2层以下和地下室为型钢 砼结构 , 以上全部为钢 框架结构
单榀支撑桁架的弯曲变形、剪切变形及组合变形
撑系框架
抗弯框架
相互作用力
(a)
(b)
撑系框架与无支撑框架间的相互作用 (b)由于相互作用产生的剪力变化 (a)特性变形形状
框架
楼板钢板
独立支撑框架
框架--支撑体系
独立框架 框架支撑体系的协同工作
3 、分类（两种分类方法）
按支撑杆的设置方法
轴交支撑
支撑杆一端位于梁柱节点，另一端 与另一支撑杆相交于框架梁或节点 上 支撑杆端点与梁柱节点之间 （或）两支撑杆端点之间 耗能梁段 存在
剪力滞后

在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为 剪力滞后。
为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，通常可采

取两个措施：
1）控制框筒平面的长宽比不宜过大 2）加大框筒梁和柱的线刚度之比
束筒结构
由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结
构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应)
可将各筒体在不同的高度中止 可较灵活地组成平面形式
C、应用于30 — 60层的高层建筑
D、抗侧力刚度比钢框架大
结构种类
结构体系
非抗震 设 防 110 260 360 6、7 110 220 300
抗震设防烈度 8 90 200 260 9 70 140 180
钢框架 钢结构 框架-支撑（剪力墙板） 各类筒体
抗弯钢架
剪切形
弯曲型
(a)
( )
( )
支撑框架体系
结构体系的选择，不仅要从满足使用功能节约等考虑，更要取决于建筑 的高度。建筑层数越多，高度越高，风力或地震力引起的侧向力就越大， 建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此，随着建筑层数的不断增加， 结构体系也就需要不断的发展。支撑框架体系又可分为框支结构和框剪框 筒结构
一.框支结构体系： 在框架体系中，沿结构的纵横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体 系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿
为提高内外筒的整体性能以及缓解剪力滞后，可设置 帽桁架和腰桁架； 腰桁架一般布置于设备层； 帽桁架和腰桁架一般是由相互正交的两组桁架构成， 等距满布于建筑物的横(纵)向。


基础埋深的考虑 室外地面标高至基础底面的距离

敷设地下室；（补偿基础、增大结构抗侧倾能力）
有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采 用局部地下室；
框剪结构的特点

这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布 置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于四十至 六十层的高层钢结构；剪力墙数量应使框剪结构顶点位移满 足规范限值。与剪力墙相连的梁端受力大，易产生塑性铰， 可将梁刚度乘折减系数。 用于地震区时，具有双重设防的优 点 钢筋混凝土结构:需采取构造措施 剪力墙： 钢板结构 (8～9mm厚钢板) 研究表明，在 侧向刚度相同时，钢板剪力墙的 框剪结构比框架结构用钢量少。
纽约市贸中心大厦外筒中心梁柱安装单元
筒
( 支撑桁架 + 框架 )
筒
( 钢砼剪力墙 )
钢框架 或 钢筒
基本单元的组合
钢框架
钢框架 钢框架体系
支撑桁架
支撑桁架
筒
筒
基本单元的组合
钢框架
钢框架
支撑桁架
支撑桁架
钢框架—支撑体系
筒
筒
基本单元的组合
钢框架
钢框架
支撑桁架
支撑桁架
筒
筒
钢框架—筒体系
基本单元的组合
密柱深梁的钢结构筒体 筒体
钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)
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）
抗震设防烈度
结构种类
结构体系
非抗震设防 6, 7
8 90 200 9 50 140
框架 钢结构
110 260
110 220
框架-支撑（剪力墙板）
各类筒体 钢框架-混凝土剪力墙
360
300
(3)结构特点:随着高度增加，结构的抗侧力体系应改进和加强。
二、结构体系

常见类型：框架结构、框剪结构、筒体结构
框架结构

最早用于高层建筑


柱距宜控制在6～9m范围内
次梁间距一般以3～4m为宜
纯框结构体系的特点:
1.钢框架结构采用钢骨架和轻质围护结构自重轻,对地质条件要 求低。 2.结构构件标准,工厂化生产,现场安装,湿作业少施工占用场地 少，速度快。 3.用于住宅建筑可发挥钢结构延性好,塑性变形能力强抗震性好 等优点,提高了住宅安全 4.与传统钢混结构相比,能更好地满足大开间,灵活分隔的要求 提高了建筑的使用面积率。 5.结构各部分刚度分布比较均匀，构造简单框架结构的侧向刚 度小，侧向位移大
抵抗
水平力
高度大
抗侧力体系
结构体系的主要部分
基本组成单元 抗侧力体系 分类
做法
水平变形特点 应用范围 实例
各类抗侧力体系
一、抗侧力体系基本单元
高层建筑钢结构 （包括钢—砼组合结构） 钢框架 支撑桁架
基本组成单元
筒
钢框架
支撑桁架
密柱深梁 筒 支撑桁架 + 框架
钢砼剪力墙
筒 （密柱深梁）
1-450×450外筒柱子 2-450×450内柱 3-带高强度螺栓的裙梁
大型支撑体系
支撑—筒体系
筒 中 筒体系
筒 束 体系
二、钢框架体系
1、做法
把梁柱刚接成整体，形成空间杆系结构
是最早出现、也是最基本的抗侧力体系
2、特点
A、平面布置比较灵活，可以获得大空间 B、安装简单方便，造价相对较低 C、应用于30层以内的高层建筑
结构种类
结构体系 钢框架
非抗震 设 防 110 260 360 6、7 110 220 300
框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50％； 内外筒之间的进深一般控制在10～16m之间； 内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层 楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；
框筒结构布置时的注意事项（续）

控制角柱截面积为非角柱的1.5～2.0倍；

外框筒为矩形平面时，宜将其作成切角矩形；（以削 减角柱应力）
260
180
有混凝土剪力 墙的钢结构
钢框架-混凝土核心筒 钢框筒-混凝土核心筒
220
180
100
70
220
180
150
70
芯筒体系
亦称悬挂结构； 打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏； 实现优势互补（充分发挥钢结构抗
拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性 能好的优势）；
通常设置一些称为帽桁架和腰桁架
钢框架
钢框架
支撑桁架
支撑桁架
大型支撑体系
筒
筒
基本单元的组合
钢框架
钢框架
支撑桁架
支撑桁架
筒
筒
支撑—筒体系
基本单元的组合
钢框架
钢框架
支撑桁架
支撑桁架 筒 束 体系
筒
筒 筒 中 筒体系
钢框架体系 钢框架—支撑体系 钢框架—筒体系 抗侧力体系
大型支撑体系
支撑—筒体系
筒 中 筒体系
筒 束 体系
钢框架体系 钢框架—支撑体系 钢框架—筒体系 抗侧力体系
偏交支撑
轴交支撑
十字交叉斜杆 梁元 柱元 字形杆元 单斜杆 人字形杆元 字形杆元
轴力杆元
(a)
(b)
(c)
(d)
轴交支撑特点
用于抗风或不太强的地震力
当有强震作用时，会有如下严重后果 A、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈,支撑抗侧力刚度降低 B、支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑 的端点实际构造做法并非铰接，而导致支撑产生较大的附加 内力及应力 C、往复的地震作用 结构受冲击作用 支撑斜杆会从受压的压屈状态 受拉的拉伸状态
一、多高层建筑钢结构的特点
1、结构的特点
(1)自重轻:钢材材质均匀，强度高，因而结构构件截面小、自重轻，比钢筋 混凝土结构可减轻自重1/3 以上，从而减小地基基础的荷载和运输、吊装 的费用。 (2)抗震性能好:钢结构具有良好的延性和韧性，一般情况下，地震作用可减 少40％左右。 (3)增加建筑有效使用面积 :钢结构构件截面小，可减结构占用空间面积，达 到降低层高，增加使用面积的效果，比混凝土结构可增加建筑使用面积 3 ％~4％。 (4)建造速度快 :钢结构构件，一般为T)--制作，现场安装，实施立体交叉作 业，加快施工进度，比一般建设工期可缩短约1/4～1/3。 (5)防火性能差:钢构件表面应做专门的防火涂料防护层。
基础埋深： （从室外地坪或通长采光井底面到承台底部 或基础底部的深度） 1）采用天然地基时，不宜小于H／15 2）采用桩基时，不宜小于H／20

H ：室外地坪至屋顶檐口的高度

当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。
抵抗 四、高层建筑钢结构之抗侧力体系 高层建筑钢结构 结构体系
抗重力体系
抗侧力体系
竖向重力
╳
4பைடு நூலகம்0
厚度 42 — 19 宽度200 — 250
梁高650
翼缘板厚度 32 — 19 腹板厚度 12
次梁 楼板
轧制H型钢
1.2mm压型钢板上浇混凝土楼板
压型钢板支承于跨度小于3m的钢梁上
三、钢框架 — 支撑体系
1、做法
把钢框架和支撑桁架共同组合， 作为抗侧力体系
2、特点
A、平面布置比较灵活，不能获得大空间 B、安装较为简单方便
结构钢材 (日本钢材)
柱及主梁: 次梁及压型钢板: 高强度螺栓:
国名 标准号 钢号 SM41 SM50 日本 JIS3106 （1975） SM53 SM58 SS41 SS50 SS55 屈服点 (MPa) 245 323 363 460 245 284 401 抗拉强度 (MPa) 401~510 490~608 520~637 568~715 401~510 490~608 ≥540
的水平桁架。
支撑框筒结构或桁架筒体结构
支撑系统覆盖了整个建筑 物表面； 是较框筒结构更为优越的 抗侧力体系。
抗侧力结构位置
框筒结构布置时的注意事项

框筒结构高宽比不宜小于 4；（更好地发挥框筒的立体作用） 内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1/3；


框筒柱距一般为1.5～3.0m，且不宜大于层高；
支撑斜杆、节点、相邻构件中将产生很大附加应力 D、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈后不能恢复（拉直）
偏交支撑