第9章多、高层房屋结构

设计钢结构第九章多、高层房屋结构设计钢结构第九章多、高层房屋结构本章目录基本要求9.1概述9.2高层钢结构的计算特点9.3压型钢板组合楼（屋)盖结构9.4构件及连接的设计特点1．了解多、高层钢结构的结构体系和特点及组合楼盖的设计。2．掌握高层钢结构的设计。设计钢结构第九章多、高层房屋结构第9.1节概述1.多、高层钢结构的特点2.高层建筑钢结构的结构体系1.了解多、高层钢结构的特点2.了解常用的高层建筑钢结构的结构体系本节目录基本要求设计钢结构第九章多、高层房屋结构9.1.1多、高层钢结构的特点世界上第一幢高层钢结构是美国芝加哥的家庭保险公司大楼(10层，高55m)，建于1884年。20世纪开始，钢结构高层建筑在美国大量建成，最具代表性的有：l02层、高381m的纽约帝国大厦(图9.1.1)110层、高411m的世界贸易中心目前世界上最高的钢结构建筑为110层、高443m的芝加哥西尔斯大厦(图9.1.2)。设计钢结构第九章多、高层房屋结构图9.1.1图9.1.2设计钢结构第九章多、高层房屋结构我国现代高层建筑钢结构自80年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为43层、高165m的深圳发展中心大厦（图9.1.3）。此后，较具代表性有：44层、高144m的上海希尔顿饭店60层、高208m的北京京广中心81层、高325m的深圳地王大厦（图9.1.4）88层、高420.5m的金茂大厦1998年底，我国颁布《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99—98）。设计钢结构第九章多、高层房屋结构图9.1.3图9.1.4设计钢结构第九章多、高层房屋结构图9.1.5钢结构住宅设计钢结构第九章多、高层房屋结构高层钢结构建筑的特点主要表现在：(1)自重轻(2)抗震性能好(3)有效使用面积高(4)建造速度快(5)防火性能差设计钢结构第九章多、高层房屋结构9.1.2高层建筑钢结构的结构体系常用的高层建筑钢结构的结构体系主要有：框架结构体系框架—剪力墙结构体系框架—支撑结构体系框架—核心筒结构体系及筒体体系设计钢结构第九章多、高层房屋结构(1)框架结构体系纯框架结构一般适用于层数30的高层钢结构，如图9.1.5。框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大延性，自震周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏。图9.1.5设计钢结构第九章多、高层房屋结构(2)框架—剪力墙结构体系在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架—剪力墙结构体系，如图9.1.6。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40～60层的高层钢结构。剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。图9.1.6设计钢结构第九章多、高层房屋结构(3)框架—支撑结构体系框架—支撑结构体系由沿竖向或横向布置的支撑桁架结构和框架构成，是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系，一般适用于40～60层的高层建筑。它的特点是框架与支撑系统协同工作，竖向支撑桁架起剪力墙的作用，承担大部分水平剪力。在罕遇地震中，若支撑系统破坏，尚可内力重分布由框架承担水平力，即所谓两道抗震设防。支撑应沿房屋的两个方向布置，狭长形截面的建筑也可布置在短边。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、刚度及形式。设计钢结构第九章多、高层房屋结构支撑一般沿同一竖向柱距内连续布置，见图9.1.7(a)。这种布置方式层间刚度变化较均匀，适合地震区；当不考虑抗震时，若立面布置需要，亦可交错布置，图9.1.7(b)；在高度较大的建筑中，若支撑桁架的高宽比太大，为增加支撑桁架的宽度，亦可布置在几个跨间，图9.1.7(c)。图9.1.7(a)(b)(c)设计钢结构第九章多、高层房屋结构(4)框架—核心筒结构体系若将框架—剪力墙结构体系中的剪力墙结构设置于内筒的四周形成封闭的核心筒体，而外围钢框架柱柱网较密，就形成了框架—核心筒体系，见图9.1.8。这种结构形式近年来被大量采用，中心筒既可采用钢结构亦可采用钢筋混凝土结构，核心筒体承担全部或大部分水平力及扭转力。楼面多采用钢梁、压型钢板与现浇混凝土组成的组合结构，与内外筒均有较好的连接，水平荷载将通过刚性楼面传递到核心筒。图9.1.8设计钢结构第九章多、高层房屋结构(5)筒体结构体系筒体结构是超高层建筑中受力性能较好的结构体系，适用于90层左右的高层钢结构建筑。筒体结构由内外两个筒体多个筒体结构组合而成，前者称筒中筒体系，见图9.1.9(a)，后者称束筒体系，见图9.1.9(b)。各个筒体共同抵抗水平力，具有很好的空间整体作用。图9.1.9设计钢结构第九章多、高层房屋结构第9.2节高层钢结构的计算特点1.结构荷载2.结构设计1.掌握高层钢结构的荷载及抗震设计2.了解高层钢结构的设计本节目录基本要求设计钢结构第九章多、高层房屋结构9.2.1结构荷载高层钢结构多为超高层建筑，水平荷载较大是其设计的特点。水平荷载包括风荷载和地震荷载。9.2.1.2竖向荷载竖向荷载主要是永久荷载(结构自重)和活荷载。这里，楼面和屋面活荷载以及雪荷载的标准值及其准永久性系数等，应按《建筑结构荷载规范》的有关条文取值。对某些未作具体规定的屋面或楼面活荷载如直升飞机平台荷载等，应根据《高层建筑钢结构技术规程》以及其他有关规定采用。设计钢结构第九章多、高层房屋结构高层建筑中，活荷载值与永久荷载值相比不大，因而计算时，一般对楼面和屋面活荷载可不作最不利布置工况的选择，即按各跨满载简化计算。但当活荷载较大时，需将简化算得的框架梁的跨中弯矩计算值乘以1.1～1.2的系数；梁端弯矩值乘以1.05～1.1的系数予以提高。当施工中采用附墙塔、爬塔等对结构有影响的起重机械或其他设备时，在结构设计中应进行施工阶段验算。9.2.1.2风荷载作用在高层建筑任意高度处的风荷载标准值，应按下式计算：kw0zszkww设计钢结构第九章多、高层房屋结构式中kw—任意高度处的风荷载标准值(kN/m2)；—高层建筑基本风压(kN/m2)；—风压高度变化系数；—风荷载体型系数；—顺风向高度处的风振系数。0wzzsz以上参数的取值，可按照《建筑结构荷载规范》或《高层建筑钢结构技术规程》的有关规定取用。设计钢结构第九章多、高层房屋结构9.2.1.3地震作用(1)一般计算原则采用两阶段设计法：第一阶段按多遇地震计算，第二阶段按罕遇地震计算注意：当高层建筑主体结构顶部有突出的小体型建筑(如电梯机房等)时，应计入“鞭梢效应”。一般可根据小体型建筑作为独立体时的自振周期与主体建筑的基本周期的比例，分别按下列规定处理：（1）当时，可假定主体建筑为等截面沿高度延伸至小体型建筑的顶部，以此计算风振系数。（2）当时，其风振系数按风振理论进行计算。uT1T131TTu131TTu设计钢结构第九章多、高层房屋结构第一阶段应考虑下列原则：①通常情况下，应在结构的两个主轴方向分别计入水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担；②当有斜交抗侧力构件时，应分别计入各抗侧力构件方向的水平地震作用，③质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计入水平地震作用的扭转效应；④按9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计入竖向地震作用。设计钢结构第九章多、高层房屋结构(2)高层建筑钢结构的设计反应谱高层建筑钢结构的设计反应谱，取阻尼比为0.02，地震影响系数α曲线如图9.2.1所示。图9.2.1高层建筑钢结构的地震影响系数α-地震影响系数;αmax-地震影响系数最大值；T-结构自振周期；Tg–场地特征周期抗震设计水平地震影响系数最大值α1.35αmaxαmax0.45αmax0.2αmax0.01Tg2Tg3.06.0T(s)ξα（T）α=TαmaxTg？设计钢结构第九章多、高层房屋结构值应根据近震、远震、场地类别及结构自振周期计算，及特征用期按表9.1和表9.2的规定采用。maxgT0.650.400.300.20近震场地类别0.850.550.400.25远震4321sTg特征周期表9-20.320.160.080.049876烈度抗震设计水平地震影响系数最大值表9-1max设计钢结构第九章多、高层房屋结构)(T1.00T1.00Tg21.0TTTT5.31)(35.1)(TTTTg1.02.035.1)(系数按下列公式确定：当时，当时，当时，值不小于max2.0当主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构时，地震影响系数应按《建筑抗震设计规范》的有关规定采用。设计钢结构第九章多、高层房屋结构(3)水平地震作用计算高层建筑钢结构的地震作用计算方法有：■底部剪力法■振型分解反应谱法■时程分析法高层建筑钢结构应根据不同情况，分别采用不同的地震作用计算方法。设计钢结构第九章多、高层房屋结构底部剪力法底部剪力法适用于高度不大于60m且平面和竖向较规则的高层建筑。底部剪力法根据建筑物的总重力荷载计算结构底部的总剪力，然后按一定的比例分配到各楼层。得到各楼层的水平地震作用后，即可按静力方法计算结构的内力。采用底部剪力法计算水平地震作用时，各楼层可仅按一个自由度计算，见图9.2.3。与结构的总水平地震作用等效的底部剪力标准值按照下式计算：eq1EkGF设计钢结构第九章多、高层房屋结构底部剪力法计算简图FiFn△F0图9.2.3GnGiFEkHiH设计钢结构第九章多、高层房屋结构在质量沿高度分布基本均匀、刚度沿高度分布基本均匀或向上均匀减小的结构中，各层水平地震作用标准值按下式比例分配：顶部附加水平地震作用标准值为：nEnjjjiiikFHGHGF11ni2,105.0811nEknnTFF设计钢结构第九章多、高层房屋结构——相应于结构基本自振周期(按s计)的水平地震影响系数；——结构的等效总重力荷载,取总重力荷载代表值的80％；——分别为第i、j层重力荷载代表值；eqG1jGG、i1THi、Hj——分别为第i、j层楼盖距底部固定端的高度；Fi——第i层的水平地震作用标准值；式中：设计钢结构第九章多、高层房屋结构——顶部附加地震作用系数；——顶部附加水平地震作用；——结构的基本自振周期；结构的基本自振周期，可按下列经验公式估算：或者，对于重量及刚度分布比较均匀的结构，可用下式近似计算：——结构顶层假想侧移（m)，即假想将结构各层的重力荷载作为楼层的集中水平力，按弹性静力方法计算得到的顶层侧移值。nFn1Tnt17.1uTnT1.01nu设计钢结构第九章多、高层房屋结构t——计算周期修正系数，可取。9.0t采用底部剪力法时，突出屋面小塔楼的地震作用效应宜乘以增大系数3。增大影响宜向下考虑1～2层，但不再往下传递。振型分解反应谱法不符合底部剪力法适用条件的其他高层钢结构，宜采用振型分解反应谱法。对体型比较规则、简单，可不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法仅考虑平移作用下的地震效应组合，沿主轴方向，结构第j振型第i质点的水平地震作用标准值，按下列公式计算：设计钢结构第九章多、高层房屋结构niniGXGXGXF1i2ji1ijijijijjjimi2,12jSS式中：——相应于j振型计算周期的地震影响系数；——j振型的参与系数；——j振型Z质点的水平相对位移。根据各振型的水平地震作用标准值Fji，即可按下式计算水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴力和变形):jjixjjT设计钢结构第九章多、高层房屋结构在复杂体型或不能按平面结构假定进行计算时，应按空间协同工作或空间结构计算空间振型。SjS—水平地震作用效应；—j振型水平地震作用产生的效应，可只取前2～3个振型。当基本自振周期＞1.5s时或房屋高宽比＞5时，振型个数可适当增加。式中设计钢结构第九章多、高层房屋结构时程分析法竖向特别不规则的建筑及