高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

1、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例分析廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所RBS Structure Engineering Design Associates魏 捷2011年5月RBS 鋼結(jié)構(gòu)是一種質(zhì)量較輕、剛度較大的結(jié)構(gòu)體系。 多遇地震作用下，地震力與質(zhì)量有近似的線性關(guān)系，即質(zhì)量越大，地震力越大。因此，在滿足相同剛度的條件下，鋼結(jié)構(gòu)的地震力一般小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。最為重要的是鋼結(jié)構(gòu)的延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的防倒塌能力。 因此，在地震作用較大或地震作用為結(jié)構(gòu)控制工況時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該成為結(jié)構(gòu)選型考慮的主要型式之一。一、前言二、 國內(nèi)近年鋼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例 北京銀泰大廈。高度250

2、米，50層。鋼框架筒體結(jié)構(gòu)（筒體為內(nèi)嵌鋼板墻） 天津津塔 高度333米，83層 鋼框架筒體（鋼板墻）體系 廣州合景大廈 鋼框架支撐體系 40層，180米。 廈門洪文世界山莊二期 48層，188米 鋼框架支撐（含鋼板墻）體系 在現(xiàn)有的工程應(yīng)用實(shí)例中，結(jié)構(gòu)高度從100米至330米。反應(yīng)出鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的局限性。（這里不討論混合結(jié)構(gòu)） 抗側(cè)力構(gòu)件的型式抗側(cè)力構(gòu)件的型式 抗側(cè)力的構(gòu)件主要有：鋼支撐，鋼板墻，邊框柱和鋼板組成的筒體。三、高層鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)范依據(jù) 1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003 2、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010 3、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ99-98（新標(biāo)準(zhǔn)JG

3、J99-2010正在報(bào)批）四、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的適用高度 抗規(guī)表8.1.1結(jié)構(gòu)類型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）0.20g0.30g框架11090907050框架中心支撐220200180150120框架偏心支撐（延性墻板）240220200180160筒體和巨型框架300280260240180 表內(nèi)的筒體不包括混凝土筒。新版高鋼規(guī)表4.1.2結(jié)構(gòu)類型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）非抗震非抗震設(shè)防設(shè)防0.20g0.30g框架11090907050110框架中心支撐220200180150120240框架偏心支撐（延性墻板）2402

4、20200180160260筒體和巨型框架300280260240180360五、抗規(guī)和新版高鋼規(guī)引入抗震等級(jí)的概念 抗規(guī)表8.1.3 房屋高度烈度678950m四三二50m四三二一 與砼結(jié)構(gòu)相似的“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的延性要求。六、鋼結(jié)構(gòu)位移限值 多遇地震：1/250; 罕遇地震：1/50。 風(fēng)荷載：1/250。七、框架支撐體系 由于框架結(jié)構(gòu)的適用高度較小，高層鋼結(jié)構(gòu)一般采用框架支撐體系。實(shí)例分析主要以各類支撐為主要對(duì)象。1、抗規(guī)關(guān)于支撐的規(guī)定 抗規(guī)8.1.6條對(duì)支撐框架有以下幾個(gè)規(guī)定： 1）支撐框架在兩個(gè)方向的布置宜均勻?qū)ΨQ，支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大于樓蓋的長寬比不宜

5、大于3。（砼結(jié)構(gòu)：。（砼結(jié)構(gòu)：6，7度是度是6；8，9度是度是5。）。） 2）三、四級(jí)且高度不大于50米的鋼結(jié)構(gòu)宜采用中心支撐，也可采用偏心支撐、屈曲約束支撐等消能支撐。 交叉支撐 單斜支撐 人字支撐 3）中心支撐框架宜采用交叉支撐，也可采用人字支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐；支撐的軸線宜交匯于梁柱構(gòu)件軸線的交點(diǎn)，偏離交點(diǎn)時(shí)的偏心距不應(yīng)超過支撐桿件寬度，并應(yīng)計(jì)入由此產(chǎn)生的附加彎矩。當(dāng)中心支撐采用只能受拉的單斜桿體系時(shí)，應(yīng)同時(shí)設(shè)置不同傾斜方向的兩組斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不應(yīng)大于10%。 支撐中心偏心，柱附加彎矩 M=Ncsine（偏心矩） 支撐中心交匯

6、于梁柱節(jié)點(diǎn) 4）偏心支撐框架的每根支撐應(yīng)至少有一端與框架梁連接，并在支撐與梁交點(diǎn)和柱之間或同一跨內(nèi)與另一支撐與梁的交點(diǎn)之間形成耗能梁段。耗能梁偏心支撐 抗規(guī)8.2.2條第2款：當(dāng)偏心支撐框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時(shí)，其阻尼比可相應(yīng)增加0.005。 實(shí)踐中，偏心支撐的剛度較小，在彈性階段很難滿足此條。因此，如果需要偏心支撐具有耗能特性，性能目標(biāo)中，必須使其在中震下達(dá)到耗能段屈服。（中震計(jì)算需要彈性板假定） 5）采用屈曲約束支撐時(shí)，宜采用人字支撐、成對(duì)布置的單斜桿支撐等形式，不應(yīng)采用K型或X形，支撐與柱堵塞夾角宜在3555之間。屈曲約束支撐受壓時(shí)，其設(shè)計(jì)參數(shù)、性能檢驗(yàn)

7、和作為一種消能部件的計(jì)算方法可按相關(guān)要求設(shè)計(jì)。 屈曲約束支撐的主要特點(diǎn)是通過外加套筒，約束支撐不發(fā)生屈曲，且保護(hù)梁柱構(gòu)件不破壞，支撐剛度和強(qiáng)度完全發(fā)揮。其芯板鋼材類型為低屈服點(diǎn)鋼材（屈服強(qiáng)度100MPa，225Mpa），普通低碳鋼（SLY100，SLY225）。 屈曲約束支撐和普通支撐的對(duì)比 承載力高 （相同剛度下，承載能力比普通支撐提高2-10倍） 普通支撐軸向承載力設(shè)計(jì)值 屈曲約束支撐軸向承載力設(shè)計(jì)值1 0.35bnAfNbNAf原理 普通支撐 很大的不平衡力 屈曲約束支撐屈曲約束支撐的檢驗(yàn) 抗規(guī)條文說明，P388第1，2條有具體規(guī)定：“試驗(yàn)時(shí)，依次在1/300,1/200,1/150,1

8、/100支撐長度的拉伸和壓縮往復(fù)各三次變形。試驗(yàn)得到的滯回曲線應(yīng)穩(wěn)定、飽滿，具有正的增量剛度，且最后一級(jí)變形第3次循環(huán)的承載力不低于歷經(jīng)最大承載力的85%，歷經(jīng)最大承載力不高于屈曲約束支撐極限承載力設(shè)計(jì)值的1.1倍?！?）鋼板剪力墻 津塔鋼板墻國外某工程鋼板墻應(yīng)用鋼板墻特點(diǎn) 容易滿足建筑功能（墻厚較薄）； 剛度較大； 需要采取措施防止平面外屈曲；外包砼的鋼板墻含加勁肋的鋼板墻簡化計(jì)算方法 等效支撐的截面積Ab 等效支撐屈服應(yīng)力fy 等效支撐的屈服承載力Qybsinsin2bKHAEsin2sin2yyffcos2ywybQQ頂梁底梁柱支撐支撐頂梁底梁柱支撐支撐2、抗側(cè)力構(gòu)件匯總 中心支撐受力直接、剛度大；不能受壓。 偏心支撐剛度小，彈性時(shí)作用很??；在中震、大震時(shí)耗能；宜與中心支撐組合使用。 屈曲約束支撐受力直接、剛度大，受拉、受壓均可；造價(jià)較高。 鋼板墻受力直接、剛度大；必須有防屈曲措施。重要