高層建筑結(jié)構(gòu)課程論文

1、多高層鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)與不足1概述多高層鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要是強(qiáng)度高，重量輕。鋼結(jié)構(gòu)材料在達(dá)到同樣的強(qiáng)度時(shí)，鋼構(gòu)件的截面較小，占地面積少，相對(duì)的建筑適用面積就會(huì)增大。同時(shí)由于其自重輕的特點(diǎn)，特別適用于大跨空間結(jié)構(gòu)；另外，鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)地均勻，各向同性，材料離散性小，更能結(jié)構(gòu)分析的可靠性，并且鋼材具有很大的塑性，具有很好的結(jié)構(gòu)延性和抗震性能；同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是工廠中直接生產(chǎn)好的，工地現(xiàn)場(chǎng)只需按照設(shè)計(jì)安裝到位，工期大大縮短，所以鋼結(jié)構(gòu)不失為超高層建筑，特別是地震地區(qū)高層建筑的一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。眾所周知，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，側(cè)向作用（主要指風(fēng)作用和地震作用）對(duì)結(jié)構(gòu)體系的選擇起著決定性的作用。它不

2、僅關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的受力性能、使用性能，更關(guān)系到整個(gè)建筑的造價(jià)。因此結(jié)構(gòu)體系的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之本，是必須放在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一位的。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，新的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)。各種結(jié)構(gòu)體系有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)這些優(yōu)缺點(diǎn)適用于不同的建筑，作為建筑設(shè)計(jì)人員必須明確。本文就針對(duì)幾種常見(jiàn)的多高層結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系及各自特點(diǎn)多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系按照抗側(cè)力構(gòu)件的形式、材料、受力性能等因素區(qū)分。根據(jù)抗側(cè)力體系的不同，廣義高層鋼結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)體系如下：純框架結(jié)構(gòu)體系、框架支撐結(jié)構(gòu)體系、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系、桁架結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系、巨型組合結(jié)構(gòu)體系等1。2.1 純框架結(jié)構(gòu)體系框

3、架結(jié)構(gòu)體系是沿著房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重的抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。鋼框架包括剛接框架、半剛接框架和鉸接框架。它的優(yōu)缺點(diǎn)概括如下2：優(yōu)點(diǎn)：建筑平面布置靈活，對(duì)建筑的平面限制較少；框架桿件截面小，可提供較大的內(nèi)部空間，適用于各類(lèi)性質(zhì)的建筑；桿件類(lèi)型少，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工周期短；外墻用非承重構(gòu)件，可使建筑立面靈活多變。如果采用輕質(zhì)隔板做外墻，就可以大大降低房屋的自重。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)高度增加，水平力作用使得框架底部梁柱構(gòu)件的彎矩和剪力顯著增加，從而導(dǎo)致梁柱截面尺寸和配筋量增加。結(jié)構(gòu)超過(guò)一定高度后，材料用量和造價(jià)較大，故設(shè)計(jì)中的層數(shù)和高度有所限制。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小，高度較大時(shí)，水平力作用下會(huì)

4、產(chǎn)生很大的側(cè)向位移。2.2 框架支撐結(jié)構(gòu)體系 在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱橫兩個(gè)方向均布置一定數(shù)量的支撐，形成框架支撐結(jié)構(gòu)體系，簡(jiǎn)稱(chēng)為框撐結(jié)構(gòu)體系。概括來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)缺點(diǎn)如下3：優(yōu)點(diǎn)：抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)明顯增大，在地震發(fā)生時(shí)，框架體系和支撐體系形成兩道抗震防線，其抗震性能有明顯的提高；當(dāng)建筑物的層數(shù)較大時(shí)，可以每隔若干層設(shè)置一層加勁桁架層，將內(nèi)部支撐和外圈框架連為一整體彎曲構(gòu)件，共同抵抗水平荷載引起的傾覆力矩；采用錯(cuò)列的桁架體系來(lái)構(gòu)成框架支撐體系，可以獲得較大的開(kāi)間。缺點(diǎn)：設(shè)置較多支撐，使得結(jié)構(gòu)受力分析復(fù)雜，施工難度加大，用鋼量增加；支撐的設(shè)置容易與建筑立面處理，門(mén)窗布置等建筑要求發(fā)生沖突；支撐成

5、為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的重要部位，外力作用下，支撐長(zhǎng)期處于拉壓的周期作用，易引起支撐構(gòu)件的疲勞破壞，在突然的較大外力下，會(huì)有很大的變形或者屈曲，從而引起整個(gè)建筑的較大變形；由于抗側(cè)力剛度有限，不能使用于超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，一般用于40層 60層的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑?？蚣苤谓Y(jié)構(gòu)又可按照所設(shè)置的支撐受力性質(zhì)和受力要求分為框架中心支撐結(jié)構(gòu)、框架偏心支撐結(jié)構(gòu)和框架耗能支撐結(jié)構(gòu)。下面將對(duì)這幾種類(lèi)型分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2.2.1 框架中心支撐結(jié)構(gòu)?？蚣苤行闹谓Y(jié)構(gòu)中的支撐系統(tǒng)，可認(rèn)為是通過(guò)柱與支撐的軸向剛度以抵抗側(cè)向荷載的懸臂豎向桁架。中心支撐的特征是支撐的每個(gè)節(jié)點(diǎn)及各桿件的軸心線交匯于一點(diǎn)，如圖1。圖1 中心支撐示意

6、圖框架中心支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：具有有較大的側(cè)向剛度，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，能減小結(jié)構(gòu)的水平位移，改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。缺點(diǎn)：水平地震荷載作用下，中心支撐容易產(chǎn)生屈曲，造成其受壓承載力和抗側(cè)剛度急劇下降，直接影響結(jié)構(gòu)的整體性能，因此，在地震區(qū)應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重。2.2.2 框架偏心支撐結(jié)構(gòu)?？蚣芷闹谓Y(jié)構(gòu)是近 20 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的抗震結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是每根支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁不在柱節(jié)點(diǎn)處相連，以形成一個(gè)先于支撐斜桿屈服的“耗能梁段”。在中小地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，在強(qiáng)震時(shí)耗能梁段進(jìn)入塑性，利用梁的塑性變形來(lái)吸收能量，而支撐始終保持為彈性。偏心支撐框架較好地解決了中心支撐所存在的強(qiáng)度、剛度和耗能這三種性能

7、不匹配問(wèn)題，兼有中心支撐框架強(qiáng)度與剛度好以及純框架耗能大的優(yōu)點(diǎn)。幾種典型的偏心支撐（圖2）： 圖2 偏心支撐示意圖（a柱；b支撐；c消能梁端；d其他梁端）2.2.3框架耗能支撐結(jié)構(gòu)?？蚣芎哪苤谓Y(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位，用耗能構(gòu)件代替普通支撐而形成的結(jié)構(gòu)體系。在風(fēng)和一般地震作用下耗能支撐能增大結(jié)構(gòu)的水平剛度，減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移；同時(shí)在罕遇地震作用下，在減少結(jié)構(gòu)側(cè)移的同時(shí)消耗大量的地震能量從而使地震對(duì)主結(jié)構(gòu)的反應(yīng)大大降低。按耗能支撐裝置的耗能形式，耗能支撐可分為鋼材屈服型支撐、摩擦型耗能支撐、鉛阻尼耗能支撐、粘彈性耗能支撐、復(fù)合型耗能支撐和無(wú)粘結(jié)耗能支撐3（如圖3）等。圖3 無(wú)粘結(jié)耗能支撐圖2.3框

8、架剪力墻結(jié)構(gòu)體系 鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在原有框架基礎(chǔ)上，為了增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，防止側(cè)向位移過(guò)大，按照整體剛度均勻的原則，設(shè)立剪力墻來(lái)抵抗水平荷載的作用。該體系是以樓梯間或其它適當(dāng)部位（如分戶墻）采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，作為結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力體系，框架部分主要承擔(dān)豎向荷載。常用的剪力墻體系有：鋼板剪力墻、內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻和帶豎縫混凝土剪力墻等。圖4 框架剪力墻結(jié)構(gòu)示意圖（圖中柱可為鋼柱）框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)自重非常輕，可減小地震作用，同時(shí)降低基礎(chǔ)費(fèi)用； 能提供較大的使用空間； 側(cè)向剛度較大，易于保證整體剛度及穩(wěn)定性； 鋼板剪力墻本身只承受水平力作用，豎向力作用完全由周邊的框架柱

9、承擔(dān)，完全符合第一道抗震防線低軸壓比的抗震設(shè)計(jì)要求，是非常理想的抗側(cè)力構(gòu)件； 鋼板剪力墻屈曲后屈服（薄板）或屈服后屈曲（厚板）還能繼續(xù)承受荷載，使框架結(jié)構(gòu)具有很好的延性，還能靠鋼材本身的塑性發(fā)展提供阻尼耗能能力； 核心筒布置成電梯間、衛(wèi)生間對(duì)隔聲、防潮以及管道的布置都非常有利； 剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)的防火、耐火性非常有利，可起到防火墻的作用。但是，由于剪力墻屬于剛性結(jié)構(gòu)，而鋼框架屬于柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)遭到強(qiáng)烈地震時(shí)，在剪力墻處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成局部結(jié)構(gòu)的破壞；雖然現(xiàn)澆混凝土剪力墻整體性好，但是現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)使施工速度減慢，延長(zhǎng)施工工期，而且受天氣的影響較大。2.4交錯(cuò)桁架體系交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)是在鋼框架結(jié)構(gòu)上演變而

10、來(lái)的可用于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的一種結(jié)構(gòu)方案。其基本結(jié)構(gòu)組成是柱子、平面鋼桁架和樓面板。柱子沿房屋周邊布置, 中間無(wú)柱, 且桁架在相鄰柱子上為上下層交錯(cuò)布置, 樓板一端擱置在桁架的上弦, 另一端則擱置在相鄰桁架的下弦。其優(yōu)點(diǎn)主要有： 滿足建筑上大開(kāi)間的要求，便于建筑平面自由布置； 結(jié)構(gòu)上采用小柱距和短跨樓板，使樓板厚度減小，能減輕結(jié)構(gòu)自重； 腹桿可采用斜桿體系和華倫氏空腹桁架體系相結(jié)合，便于設(shè)置走廊；圖5 交錯(cuò)桁架體系 桁架隔層布置且主要受軸力，有利于縮小框架柱斷面； 框架橫向剛度大，側(cè)向位移容易滿足； 用鋼量較低，較經(jīng)濟(jì)。2.5筒體結(jié)構(gòu)體系 2.5.1 筒體結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)介筒體結(jié)構(gòu)是由若干縱橫交錯(cuò)的框

11、架，抗剪桁架所圍成的筒狀封閉結(jié)構(gòu)。在建筑物外圍由密柱，深梁組成的封閉式筒體通過(guò)懸臂作用來(lái)抵抗側(cè)向荷載，內(nèi)部柱子或核心只承受豎向荷載。筒體結(jié)構(gòu)主要有框筒結(jié)構(gòu)體系、桁架筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、束筒結(jié)構(gòu)體系等。它們有共同的優(yōu)點(diǎn)4：內(nèi)外筒均可形成較強(qiáng)抗彎剛度，共同承受水平力的作用，可形成兩道抗震防線的效果；由于筒體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，使得結(jié)構(gòu)體系有均勻?qū)ΨQ(chēng)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，能抵御任何方向較大的傾覆力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。有較好的延性，抗震性能很好。然而在框筒結(jié)構(gòu)中，由于存在框架橫梁的剪切變形，使框架柱的實(shí)際內(nèi)力呈非線性分布，這種剪力滯后效應(yīng)使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力，并且結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度呈明顯的剪切變形。

12、剪力滯后效應(yīng)對(duì)筒體的效能有很大的影響。此外內(nèi)筒平面尺寸較小，抗側(cè)剛度不大，不宜用于強(qiáng)震地區(qū)。在束筒結(jié)構(gòu)體系中，存在著大量的交叉節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造比較復(fù)雜，而且開(kāi)窗要受斜桿的影響等缺陷。2.5.2 混合結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)介鋼結(jié)構(gòu)用于筒體結(jié)構(gòu)一般都是與混凝土組合在一起的，即可稱(chēng)為混合結(jié)構(gòu)體系?；旌辖Y(jié)構(gòu)體系一般都是由外框架和核心筒共同組成的抗側(cè)力體系，主要包括鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系、鋼管混凝土混合結(jié)構(gòu)體系、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系等?？偟膩?lái)說(shuō)，混合結(jié)構(gòu)體系與普通鋼筋混凝土相比，它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)件尺寸小，占地面積小，凈高大；結(jié)構(gòu)自重輕，降低基礎(chǔ)造價(jià)；施工速度快；抗震性能好；抗火防腐性能好。下面對(duì)幾種常見(jiàn)的混

13、合結(jié)構(gòu)體系分別進(jìn)行介紹。2.5.2.1鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。鋼框架鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系指剛框架與核心筒組成的共同抵抗重力和側(cè)向力的高層建筑結(jié)構(gòu)體系5，該體系的框架主要承受豎向荷載，側(cè)向荷載則主要由內(nèi)筒承擔(dān)。外圍的鋼框架在自身平面內(nèi)一般為剛接框架，有時(shí)從經(jīng)濟(jì)性和易施工性考慮也可為鉸接，但柱子必須是貫通的。連接外框架與核心筒的鋼梁，大部分情況下與核心筒鉸接而與剛框架剛接，也有極少數(shù)采用兩段鉸接的實(shí)例。2.5.2.2 鋼管混凝土混合結(jié)構(gòu)體系鋼管混凝土混合結(jié)構(gòu)體系是指由鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土核心筒組成的結(jié)構(gòu)體系（圖6）。圖6 鋼管混凝土混合結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)主要在于：外鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土

14、產(chǎn)生一定的約束作用，所以鋼管混凝土構(gòu)件抗壓強(qiáng)度高；由于鋼材的塑性性能較好，所以鋼管混凝土構(gòu)件延性較大；澆灌混凝土?xí)r不需要模板。然而鋼管在混凝土外圍，其抗火防腐性能較差，需要一定的抗火防腐措施。2.5.2.3 型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)體系。型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)體系是由型鋼混凝土框架與混凝土核心筒或鋼筋混凝土剪力墻共同組成的受力體系，這種體系是目前高層建筑總應(yīng)用最多的混合結(jié)構(gòu)體系。圖7 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)其優(yōu)點(diǎn)主要有：在鋼筋混凝土構(gòu)件中增加型鋼，可在一定程度上改善鋼筋混凝土的延性；由于型鋼骨架的作用，混合結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和變形能力均明顯高于相同條件下的普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件；型鋼混凝土構(gòu)件滯回環(huán)較為飽滿，抗震性能好，構(gòu)

15、件延性得到提高；型鋼混凝土中的鋼材在混凝土堿性為主的環(huán)境下抗腐蝕性較好，并且由于混凝土的保護(hù)抗火性能也有了很大的提高?？梢哉f(shuō)在各種混合結(jié)構(gòu)體系中，型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)有較好的使用前景。2.6 巨型組合結(jié)構(gòu)體系 巨型結(jié)構(gòu)體系是一種新型的超高層建筑結(jié)構(gòu)體系，是由大型構(gòu)件（巨型梁、巨型柱和巨型支撐）組成的主結(jié)構(gòu)和常規(guī)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同作用從而獲得較大靈活性和較高承載力的一種結(jié)構(gòu)體系。巨型結(jié)構(gòu)體系主要由巨型構(gòu)件組成的巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型支撐桁架結(jié)構(gòu)等主要結(jié)構(gòu)形式。其他結(jié)構(gòu)形式如懸掛結(jié)構(gòu)體系、多重組合結(jié)構(gòu)體系等也可以看作是巨型結(jié)構(gòu)的特例8。巨型結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有：巨型結(jié)構(gòu)傳力明確，矩形柱作為主要抗側(cè)力體系和承

16、重體系，次結(jié)構(gòu)只起輔助設(shè)計(jì)和大震下耗能作用；能夠滿足建筑功能多變的要求；巨型結(jié)構(gòu)整體性能良好，結(jié)構(gòu)的大梁作為剛臂，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)具有較好的整體性；可將多種形式及不同材料進(jìn)行組合；施工速度快；節(jié)約材料，降低造價(jià)； 可以較好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震的多道防線思想。3. 總結(jié)多高層鋼結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，適用于很多功能的建筑結(jié)構(gòu)，且技術(shù)也比價(jià)成熟，值得大力發(fā)展。多層鋼結(jié)構(gòu)體系以純框架、框架支撐體系為主；高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系較多，較為復(fù)雜。在鋼結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的今天，新型的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，這就要求我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和改善每一種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及它的使用范圍，為建筑結(jié)構(gòu)選型奠定基礎(chǔ)。各種體系隨著高度的變化、荷載的特點(diǎn)及建筑要求都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)人員熟知并合理運(yùn)用。參考文獻(xiàn)：1 馮瑞，羅嚴(yán)，李克讓.多高層鋼結(jié)構(gòu)體系概述J.工業(yè)建筑，2007.2 高士英，王靜，王啟玲. 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系結(jié)構(gòu)分析J.產(chǎn)業(yè)論壇，2013.3 萬(wàn)江. 多高層鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)與不足J.工程機(jī)械，2015.09.4 吳迪，賈國(guó)亭.談芯筒框架體系在高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J山西建筑，2012.5 尹宗軍.高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體系分析D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)土木建