巨型框架结构体系在钢结构高层建筑中的应用

第1页共9页巨型框架结构体系在钢结构高层建筑中的应用成小宝（西南交通大学成都610031）摘要：介绍了巨型框架结构体系的特征、结构类型及在钢结构建筑中的应用，和抗震设计、结构分析的基本方法。关键词：巨型框架钢结构高层建筑应用TheApplicationofhugeFramedStructuralSysteminSteelHigh-riseBuildingsChengXiaobao(South-westJiaoTongUniversityChengDu610031)ABSTRACTFeatures,structuraltypeandtheapplicationinsteelhigh-risebuildingsofhugeframedstructurearebriefedinthispaper,aseismaticdesignandbasicanalysismethodofhugeframedstructuralsystemarealsoinit.KEYWORDhugeframedstructuresteelstructurehigh-risebuildingsapplication1引言今天全球呼吁保护环境，充分利用资源和减少破坏臭氧层的二氧化碳排放。从建筑领域来讲，最理想的是着眼将来，建造有长远生命力的建筑物。由于钢结构强度高、自重轻、具有良好的延性、抗震性能好、施工速度快等优点以及随着我国钢材产量的大幅度提高和钢材价格的下降，另外由于近年来可持续性发展理论的提出、在政府的高度重视下，钢结构建筑在我国逐渐发展起来。而在高层建筑中应用钢结构由于其适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高、可以将设计、生产、施工、安装一体化，提高建筑产业化水平，更有着巨大的生命力。近几年，随着高层建筑的不断发展，传统的抗侧力结构形式（如框架结构、框架-剪力墙结构等）不能满足现代高层建筑多功能、综合用途的建筑空间要求，寻求新的抗侧力结构形式便成为工程设计人员所关注的问题。在一般的框架结构中，框架的各层柱需要承担其上所有楼层的竖向荷载，而且从第2页共9页上到下柱的截面尺寸是相同的，一般不变，柱子截面尺寸通常也比较大。因此，框架结构体系仅适用于顶层到底层使用性质大体相同的楼层，若楼房各楼层的使用功能有较大变化，某些楼层要求有较大的无柱空间时，就需要采用新的结构体系。大尺度的框架结构（巨型框架结构）体系是一种与传统框架不同的结构体系。(b)(a)主框架次框架(a)传统框架结构体系；(b)巨型框架结构体系图1巨型框架结构体系2钢结构巨型框架的特征巨型框架结构体系是把结构体系中的框架部分设计成主框架和次框架。主框架是一种大型的跨层框架，每隔6~10层设置一根大截面梁，每个3~4个开间设置一根大截面框架柱（如图1）。主框架大梁之间的几个楼层，则另设置柱网尺寸较小的次框架。此框架仅负担着几个楼层的竖向荷载，并将它传给主框架大梁，而这些楼层的水平荷载则通过各层楼盖直接传到框架上。因为此框架的柱距小、荷载小，又不承担水平荷载，因而梁、柱截面可以做的很小，以利于楼面的合理使用。主框架各大梁之间的各个次框架是相互独立的，因而柱网的形式和尺寸均可互不相同，某些楼层也可以按照使用空间的需要抽去一些柱子，扩大柱网。小框架的柱子甚至可以全部在其顶层楼盖处中止，从而形成一个扩大到整个楼面的无柱大空间，用作大会议室或展览厅。荷载由巨型框架结构集中承受，巨型柱或桁架梁承受很大的荷载，巨型框架构件比同规模框架构件大，板厚也较大。在钢筋混凝土巨型框架结构中，主框架的柱和梁通常采用实心截面。从经济、合理的角度考虑，梁、柱的截面尺寸又不能做的很大。因此，这种框架抵抗抵抗水平剪力的能力有限，用于强台风或较高烈度地震区的高层建筑时，必须与抗震墙或筒体相配合，组成类似于框架-剪力墙体系或内筒-外框架体第3页共9页系的巨型框架结构体系。钢结构巨型框架，是直斜杆等组合其中的巨型柱与巨型梁的大框架，无论对竖向荷载或水平荷载，巨型框架承受主要荷载，因此，巨型框架以外的部分，可形成比较自由的空间结构。其次，钢结构巨型框架结构与一般的高层建筑所使用的纯框架结构或框架-支撑结构相比，具有刚度大的特点。即使是宽度与长度之比较大的细长比例结构，在风和地震力作用下也很难摇晃。利用这些特征，可实现在标准层设置少柱的大办公室空间，不仅留出下层部立体人行道的空间，在上层也可设置大的中庭。3钢结构巨型框架结构类型及应用3.1组合式巨型钢结构框架将巨型框架结构应用于钢结构建筑，采用钢结构组合柱、钢桁架组合梁作为巨型钢结构的巨型梁和巨型柱，充分利用高强度高性能钢材，可显著提高巨型框架结构抗侧移刚度。在超高层建筑中采用有钢结构巨型框架结构，巨型组合柱和巨型桁架梁本身就可以提供足够的抗侧移刚度，无需再设置剪力墙或核心筒体结构以提高整体结构的抗衡抗震能力。钢结构巨型框架结构中，在何处配置构成框架的巨型柱以及巨型梁成为问题所在。利用巨型梁刚度与高度较大的特点，可作为机械设备和书库等荷载大的房间。其次，巨型柱中，设置紧急电梯、避难楼梯及设备通风井。将巨型框架结构与建筑设备规划相融合，随楼层而上，设备减少，巨型柱也随之减少，使空间更高的自由度。东日本国铁公司大厦于1997年9月建成，是采用巨型钢框架结构的典型建筑。该建筑高达150.15m，由于使用了巨型框架结构，在标准层设置了26m×21m和26m×11m的无柱空间。框架剖面图如图2所示。第4页共9页6400640064006400640064006400156000260001234567891011121314151617181920212223242526272829(a)短跨方向剖面(b)长跨方向剖面图2组合式巨型框架剖面图3.2吊挂式巨型框架钢结构以宝洁日本总公司技术中心为例，介绍吊挂式巨型框架结构。本建筑的结构构架设计，采用以6层高作为一个单元的钢结构巨型吊挂式结构。这种结构造成的空间无论在平面上还是在里面上都有很大的自由度；同时，这个巨型结构露出在建筑的外部，创造出一个标志性的建筑外观。吊挂式巨型结构设在南北服务中心之间。高层部分的面积为39.6m×23.3m，低层部分面积为39.6m×14.3m，内部是完整的无柱空间。因为采用了吊挂式巨型结构，也增大了垂直方向上建筑布置的自由度，而且可以在巨型结构的单元中插入完全开放的内部空间。1~4层的门厅、11~12层的图书室及15~16层的食堂就是分别具有4层和2层高度的自由的空间。底层部分的中庭也是从底层的进厅到11层的连续空间，平面尺度9m×28m，高42m，可以是来自上部的自然光进入办公室空间。巨型结构的柱、梁以及吊挂支撑都采用组合箱形截面，梁柱截面为900mm×第5页共9页1200mm。支撑截面为900mm×1100mm，板厚为19~100mm。在设计这些构件时，使得在遭遇500年一遇的地震时也能保持各构件的弹性状态。3.3桁架转换层式巨型钢结构框架将巨型钢桁架应用于高层建筑转换层，使上部荷载通过桁架弦杆传递到下部结构，使得结构转换层上、下的空间布置具有更大的自由度，同时，桁架转换层有利于大型管道等设备系统的布置，使转换层建筑空间得到充分利用。桁架转换层，通常采用单层或叠层桁架结构，单层桁架可采用等节间空腹桁架、不等节间空腹桁架、混合空腹桁架等；叠层桁架有多个单层桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）叠合组成。典型结构形式如图3所示。巨型桁架巨型柱底部大空间底部大空间(a)叠层空腹桁架结构(b)叠层混合桁架结构图3桁架转换层式举行框架结构于1993年2月建成于日本东京的兼松大厦，即采用此种结构形式。由4根巨型柱和近乎桥梁规模的桁架（巨型桁架）构成巨型框架高25m左右，由此承担上部10层的全部荷重。参见图4。第6页共9页6500钢结构钢骨混凝土结构钢筋混凝土结构21下部自由空间上部结构（10层）341巨型柱2巨型桁架3系梁4基础地下部分图4兼松大厦巨型框架结构示意图巨型桁架部分在4根巨型柱上架设主桁架，内部由次桁架组成井格型，目的是让建筑物在平面上接近正方形，以使四周的主桁架、巨型柱在承受垂直荷载时以及地震荷载引起的附加轴力时，能达到受力均匀。3.4联体超高层巨型框架单体超高层钢结构建筑由于自身长细比较大，结构在风载和水平地震力作用下横向侧移较大，将巨型框架结构应用于联体超高层建筑，通过设置在两栋单体高层建筑之间的巨型桁架连接结构，可明显减小高层建筑顶部迎风面的水平变形，减小风荷载的倾覆力矩。如图5。qww'w'(a)单体模型(b)联体模型图5倾覆弯矩比较图（w’约为w的50%~70%）第7页共9页于1993年3月在日本大阪建成的梅田摩天大楼采用此结构体系，是两幢超高层大楼用空中庭院连接的世界最早的连体式超高层建筑。该大楼由相隔54m的两幢楼组成，西楼下部平面33m×54m，标准层平面27m×54m；东楼平面为27m×54m；两楼从39到40层是刚性连接的空中花园。高层办公楼部分地上地下都是钢结构。空中庭园由横跨南北、连接东西两楼、高及39、40两层楼的两个巨型桁架、刚性井格梁组成，它承受自身重量，同时把东西两楼刚性的连接起来。见图6。2400090003300054000270009000180001720001105022FL39FL40FL观光电梯斜撑空中庭院西楼东楼框架空中庭院外侧剖面图6梅田摩天大楼框架示意图在联体超高层中，空中庭院发挥的主要结构功能是：通过两楼间的刚性连接，是水平荷载在2幢楼之间相互传递、并使两栋有较大高宽比的大楼在梁跨方向连接后提高抗弯扭的能力。连接效果尤其反映在沿两楼连接方向作用风荷载时，对于单独一幢超高层，由于高宽比大、迎风面大，这是不利的外力方向；但由于两楼并立，共同承担仅与一幢楼同程度的风力，加上顶部的抗弯扭约束，使结构内力，特别是倾覆力矩，以及变形，与单独一幢楼的情况相比大幅度减小（见图5）。1995年1月神户发生震级为7级的阪神大地震，本建筑离震中不远，但建筑物主体甚至包括幕墙都丝毫无损，证实了联体超高层的安全性和连接效果。4抗震设计和结构分析巨型框架结构可以看成是巨大的多层框架结构，在水平荷载作用下，其变形相类似。巨型框架与普通框架的差别在于（1）将组合柱、桁架梁看作是普通多层框架构件第8页共9页来分析时，主框架梁柱比次级框架梁柱刚度大得多，因此，在次框架构件与主框架构件连接点处，存在刚域；（2）次级框架作为巨型框架的一部分，参与整体计算。4.1巨型框架结构体系分析时可采用以下计算假定：（1）假定次框架层楼板在自身平面内刚度无限大，出平面刚度忽略不计；主框架层不考虑楼板刚度，而是根据桁架弦杆的变形来分析弯曲变形效果。（2）假定次框架梁、柱刚度很小；（3）主、次框架只考虑自身平面内的刚度，出平面的刚度忽略不计。4.2结构静力分析时，可采用三维或二维杆件模型；在进行抗风抗震动力分析时，可将结构等效成每层作为一个质点的弯剪模型或剪切模型，巨型梁节点质量较大。结构分析时，推荐进行以下步骤：（1）荷载分析对永久荷载、动荷载、风荷载、地震荷载进行分析；对施工荷载进行分析，此阶段很重要，有条件应模拟施工过程进行阶段受力分析，应考虑在巨型框架梁未安装完成前，次级框架的受力情况和整个体系受力特征。（2）弹性分析竖向荷载、竖向、水平地震力作用分析，抗风计算及结构变形分析等。（3）弹塑性分析以弹性分析后设计的构件为基础，进行构件的弹塑性增量分析，以了解构件端部的弹塑性性能，以次为基础进行最大级地震作用下的结构弹塑性应用分析，确认此时结构不会产生塑性铰。（4）有限元分析在结构设计计算之后，利用有限元分析软件ANSYS对结构整体受力及变形进行模拟分析，用以验证设计计算结果；并通过有限元分析方法对关键构件及关键节点进行应力分析，更明确的掌握了解构件各阶段的应力状态。4.3巨型框架钢结构设计时，采用高性能钢材可以减小构件的板厚，缩小构件断面；新型轻质装饰材料的应用，也可使结构设计进一步优化，大大提高结构整体的抗风抗震性能。5巨型框架钢结构的安装第9页共9页巨型框架结构构件安装，一般采用逐层垂直吊装法，或采