超高层结构体系的特点

高层钢结构设计实例分析广州容柏生建筑结构设计事务所RBSStructureEngineeringDesignAssociates魏捷2011年5月RBS钢结构是一种质量较轻、刚度较大的结构体系。多遇地震作用下，地震力与质量有近似的线性关系，即质量越大，地震力越大。因此，在满足相同刚度的条件下，钢结构的地震力一般小于钢筋混凝土结构。最为重要的是钢结构的延性远远优于钢筋混凝土结构，具有优越的防倒塌能力。因此，在地震作用较大或地震作用为结构控制工况时，钢结构应该成为结构选型考虑的主要型式之一。一、前言二、国内近年钢结构的工程实例北京银泰大厦。高度250米，50层。钢框架——筒体结构（筒体为内嵌钢板墙）•天津津塔•高度333米，83层•钢框架——筒体（钢板墙）体系•广州合景大厦•钢框架——支撑体系•40层，180米。•厦门洪文世界山庄二期•48层，188米•钢框架——支撑（含钢板墙）体系•在现有的工程应用实例中，结构高度从100米至330米。反应出钢结构抗侧刚度的局限性。（这里不讨论混合结构）•抗侧力构件的型式•抗侧力的构件主要有：钢支撑，钢板墙，边框柱和钢板组成的筒体。三、高层钢结构的规范依据•1、《钢结构设计规范》GB50017-2003•2、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010•3、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98（新标准JGJ99-2010正在报批）四、高层建筑钢结构的适用高度•《抗规》表8.1.1结构类型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）0.20g0.30g框架11090907050框架—中心支撑220200180150120框架—偏心支撑（延性墙板）240220200180160筒体和巨型框架300280260240180•表内的筒体不包括混凝土筒。新版《高钢规》表4.1.2结构类型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）非抗震设防0.20g0.30g框架11090907050110框架—中心支撑220200180150120240框架—偏心支撑（延性墙板）240220200180160260筒体和巨型框架300280260240180360五、《抗规》和新版《高钢规》引入抗震等级的概念•《抗规》表8.1.3房屋高度烈度6789≤50m四三二＞50m四三二一•与砼结构相似的“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的延性要求。六、钢结构位移限值•多遇地震：1/250;•罕遇地震：1/50。•风荷载：1/250。七、框架——支撑体系•由于框架结构的适用高度较小，高层钢结构一般采用框架—支撑体系。实例分析主要以各类支撑为主要对象。1、《抗规》关于支撑的规定•《抗规》8.1.6条对支撑框架有以下几个规定：•1）支撑框架在两个方向的布置宜均匀对称，支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于3。（砼结构：6，7度是6；8，9度是5。）•2）三、四级且高度不大于50米的钢结构宜采用中心支撑，也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。•交叉支撑•单斜支撑•人字支撑•3）中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑；支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，偏离交点时的偏心距不应超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩。当中心支撑采用只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不应大于10%。•支撑中心偏心，柱附加弯矩•M=Ncsinα×e（偏心矩）•支撑中心交汇于梁柱节点•4）偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内与另一支撑与梁的交点之间形成耗能梁段。耗能梁偏心支撑•《抗规》8.2.2条第2款：当偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻尼比可相应增加0.005。•实践中，偏心支撑的刚度较小，在弹性阶段很难满足此条。因此，如果需要偏心支撑具有耗能特性，性能目标中，必须使其在中震下达到耗能段屈服。（中震计算需要弹性板假定）•5）采用屈曲约束支撑时，宜采用人字支撑、成对布置的单斜杆支撑等形式，不应采用K型或X形，支撑与柱堵塞夹角宜在35°~55°之间。屈曲约束支撑受压时，其设计参数、性能检验和作为一种消能部件的计算方法可按相关要求设计。•屈曲约束支撑的主要特点是通过外加套筒，约束支撑不发生屈曲，且保护梁柱构件不破坏，支撑刚度和强度完全发挥。其芯板钢材类型为低屈服点钢材（屈服强度100MPa，225Mpa），普通低碳钢（SLY100，SLY225）。屈曲约束支撑和普通支撑的对比•承载力高（相同刚度下，承载能力比普通支撑提高2-10倍）•普通支撑轴向承载力设计值•屈曲约束支撑轴向承载力设计值10.35bnAfNbNAf原理•普通支撑很大的不平衡力•屈曲约束支撑屈曲约束支撑的检验•《抗规》条文说明，P388第1，2条有具体规定：“试验时，依次在1/300,1/200,1/150,1/100支撑长度的拉伸和压缩往复各三次变形。试验得到的滞回曲线应稳定、饱满，具有正的增量刚度，且最后一级变形第3次循环的承载力不低于历经最大承载力的85%，历经最大承载力不高于屈曲约束支撑极限承载力设计值的1.1倍。”6）钢板剪力墙•津塔钢板墙国外某工程钢板墙应用钢板墙特点•容易满足建筑功能（墙厚较薄）；•刚度较大；•需要采取措施防止平面外屈曲；-35-25-15-55152535-35-25-15-55152535Displacement(mm)Load(kN)外包砼的钢板墙含加劲肋的钢板墙简化计算方法•等效支撑的截面积Ab•等效支撑屈服应力fy’•等效支撑的屈服承载力Qybsinsin2bKHAE'sin2sin2yyffcos2ywybQQ顶梁底梁柱支撑支撑顶梁底梁柱支撑支撑2、抗侧力构件汇总•中心支撑—受力直接、刚度大；不能受压。•偏心支撑—刚度小，弹性时作用很小；在中震、大震时耗能；宜与中心支撑组合使用。•屈曲约束支撑—受力直接、刚度大，受拉、受压均可；造价较高。•钢板墙—受力直接、刚度大；必须有防屈曲措施。重要提示•所有抗侧力构件均应在安装阶段消除自重传来的内力！以避免构件过早屈曲。八、工程实例介绍广州合景大厦特点：38层办公楼高度178米钢管砼—钢支撑组合结构最大钢管D1300X35钢管中砼标号C80用钢量104kg/m2结构结算造价1280元/m2标准层结构平面图