不同类型高层钢结构的优缺点37959.pdf

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1、.高层钢构造各种类型的优缺点分析 前言 随着我国在大中城市住宅建筑中制止使用黏土砖，且混凝土构造施工复杂周期长。钢构造受到了工程界的青睐，已成为较有竞争力的民用建筑构造体系之一。与传统的住宅建筑构造体系相比,钢构造不仅具有环保、节能、产业化等特征，而且还具有强度高、自重轻、节约能源、抗震性能好等优点。国家建筑钢构造产业十二五方案和 2020 年开展纲要(草案)提出，十二五期间应以多高层钢构造房屋为突破点。1.纯框架构造体系 纯框架构造是指沿房屋的纵、横两个方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构件所组成的构造体系。框架构造可以分为半刚接框架和全刚接框架两种，框架构造的梁柱宜采用刚性连接。与

2、其他的构造体系相比，框架构造体系可以使建筑的使用空间增大，适用于多类型使用功能的建筑。其构造各局部的刚度比拟均匀，构件易于标准化和定型化，构造简单，易于施工，常用于不超过 30 层的高层建筑。但该构造体系的弹性刚度较差且属于单一抗侧力体系，抗震能力较弱。图 1 纯钢框架构造三维模型图 1.1 组成及其特点 典型的框架体系多层轻钢住宅由根底、H 型或箱形框架梁柱、节点、轻质墙体、屋面板、楼层次梁、压型钢板楼盖等组成，常见柱距为 5 m8 m。具有以下优势:1它是一种延性体系;2在建筑设计和平面布置上具有很大的灵活性;3各局部刚度比拟均匀，构造简单，易于施工;4自重周期较长，自重轻，对地震作用不敏

3、感。1.2 设计原则及注意问题 1)强柱弱梁的设计原则。这个设计原则是为了保证构造在最终破坏的时候具有较好的延性及耗能效果，保证构造的平安性，使塑性铰出现在梁端而不是发生在柱端。2)框架节点域的验算。节点域是钢构造框架体系的关键，其强度及刚度都要根据规要求进展保证。主要是通过验算保证腹板厚度,防止在非线性剪切变形下发生局部失稳。同时对柱设置加劲肋保证其翼缘不发生失稳。3)稳定验算和二阶效应。钢构造构件强度一般都可以满足，在设计中主要是保证其稳定性。钢框架构造属于柔性构造，侧移变形较大，竖向荷载所产生的二阶效应有时就不能无视，因此当构造的重力附加弯矩大于构造初始弯矩的 10%时就应该考虑重力的二

4、阶效应。1.3 根本结论 在多层轻钢构造住宅的设计中,应注意三个设计原则:柱截面采用箱型截面,可以充分发挥截面特性;实现大柱网布置,相对较好地控制了用钢量;合理的柱网尺寸取为 6 m8 m 左右,能够表达出轻钢构造住宅部大空间灵活布置的优势,到达建筑使用功能与构造布置较好的统一。.2.框架-支撑构造体系 框架-支撑构造体系是指以楼房的框架体系为根底，沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑所组成的构造体系。其构造体系如图 2 所示。图 2 框架-支撑构造体系 2.1 框架支撑构造的具体原理 框架支撑构造体系是在框架体系中局部框架柱之间设置竖向支撑，形成支撑框架，属于双重抗侧力构造体系，支

5、撑框架是第一道防线，框架是第二道防线，支撑框架中的竖向支撑产生屈曲或破坏后，由于支撑斜杆一般不承当竖向荷载，所以不影响构造承当竖向荷载的能力，不致危及构造的根本平安要求。支撑承受水平力和提供侧向刚度，它一方面作为支撑构件可以防止框架柱的失稳，另一方面它还要承当风力、地震力等其它水平荷载。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，根本上与框架体系一样，支撑大多数沿楼面中心部位效劳面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架构造，能获得比纯框架构造大的多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。支撑在水平荷载

6、作用下所产生的位移主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或压缩变形引起的，与框架侧移是由于杆件弯、剪变形所引起的情况相比拟，其量值要小的多，说明竖向支撑的抗推刚度要比框架大的多。支撑侧移主要是由水平荷载倾覆力矩作用时支撑整体弯曲产生的，支撑的一侧拉伸、一侧压缩，导致楼面倾斜转动，由下层到上层逐层积累，使支撑侧移曲线的层间侧移角由下而上逐层增大。采用框架支撑体系的建筑，框架和支撑由于水平刚度很大的各层楼盖的联系和协调不再能自由的单独变形，两者的侧向变形趋于一致。各层刚性楼盖协调的结果使框架一支撑体系具有一条共同的侧移曲线，从而使框架下部和支撑上部的较大层间侧移角均得以较大幅度的减小。另外，采用人字支撑等

7、还可以起到减小梁跨度的作用，从而减小梁的截面。支撑要在适当位置设置，以便与建筑设计相协调。此构造体系虽然在国外己经有较长的应用历史，技术和规也很成熟，但是在我国却是一种新型的构造体系。2.2 中心支撑框架构造 中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点，它包括十字穿插支撑、单斜杆支撑、人字形支撑或+形支撑，以及,形支撑等类型。中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小构造的水平位移，改善构造的力分布。但在水平地震荷载作用下，中心支撑容易产生屈曲，造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降，直接影响构造的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。图 3 中心支撑的常见类型 2.3 偏心

8、支撑框架构造 偏心支撑框架是近年来开展起来的抗震构造，其支撑斜杆与梁、柱的轴线不是交汇于一点，而是偏心连接，以形成一个先于支撑斜杆屈服的耗能梁段。在中小地震时，构造处.于弹性阶段，在强震时耗能梁段进入塑性，利用梁的塑性变形来吸收能量，而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点。图 4 所示为常见的几种偏心支撑的类型和耗能梁段的构成。图 4 偏心支撑的常见类型1.框架柱；2.支撑；3.耗能梁段；4.框架梁 对于偏心支撑来讲，耗能梁段的设计最为关键，它直接关系到偏心支撑框架整体的承载能力和延

9、性。因此，偏心支撑框架的设计首先应当合理地选择耗能梁段的几何尺寸，并对耗能梁段进展细部设计，以保证偏心支撑框架的整体延性水平，然后，进展柱的设计、支撑设计、连接以及加劲肋的设计。设计时必须保证在耗能梁段完全屈服和应变硬化后，其他构件在此荷载作用下仍具有一定的弹性。为确保截面是腹板受剪屈服，耗能梁段最有效的截面通常是满足最小受剪面积；满足腹板高厚比的要求；耗能梁段剪力简化计算满足翼缘宽厚比的要求。耗能梁段须根据偏心支撑框架抗剪需要的腹板面积最小来选择截面。2.4 消能支撑框架构造 消能支撑框架构造是将框架支撑构造中的支撑杆设计成消能杆件，以吸收和耗散地震能量来减小构造地震反响的一种新型抗震构造。

10、在风和小地震作用下消能支撑能增加构造的水平刚度，减小构造的侧移；在中震和大震下其刚度变小，能减小构造的水平地震作用，同时消耗大量输入构造的地震能量，使构造的地震反响大大衰减。消能支撑如图 5 所示可以做成方框支撑、圆框支撑、穿插杆支撑、斜杆支撑、3 型支撑以及 4 型和节点屈服型支撑等。图 5 消能支撑 2.5 根本结论 钢框架支撑构造体系作为理想的抗侧力体系在多层和中高层钢构造住宅中占有相当的比例。偏心支撑框架构造采用耗能梁段，兼顾了抗弯框架和中心支撑框架的优点，具有极好的耗能能力。而消能支撑框架构造在风荷载和中小地震作用下，具有较强的抗侧刚度；在大震作用下，其消能装置可以有效地耗散地震能量

11、。消能支撑框架构造不仅可以用于新建建筑，还可以用于现有建筑的抗震加固，是一种新颖且经济有效的构造体系。3.钢框架-剪力墙构造体系 在框架构造中设置剪力墙,将框架和剪力墙二者结合起来共同抵抗水平荷载,就组成了框架-剪力墙构造体系。采用该构造体系,建筑的竖向荷载全部由钢框架承当，水平荷载引起的水平剪力由钢框架和墙板共同承当。图 6 水平力作用下的剪力墙受弯型和框架的剪切型 该构造体系的构造自重较轻,可以减轻地震的作用力;占用建筑面积小，能增大建筑物的.使用空间;墙板具有较强的抗推刚度和受剪承载力，适用于超过 40 层的高层建筑。但该构造体系在受力初期，由于其剪力墙刚度较高，地震时易产生应力集中现象

12、，从而导致建筑物出现斜向裂缝。3.1 钢板剪力墙构造 钢板剪力墙构造steel plate shear wall，简称 SPSW由钢框架及钢剪力墙板构成，周边的钢框架主要承当竖向荷载和绝大局部倾覆力矩，剪力墙板承当绝大局部水平荷载，提供较大的抗侧刚度，但已有试验研究发现刚接节点仍易发生断裂破坏。将半刚性连接引入至钢板剪力墙构造中，既可避开构造对刚性节点转动能力的要求，防止了节点的脆性断裂，又降低了节点造价，方便施工。目前对钢框架钢板剪力墙的研究说明：钢板剪力墙构造的滞回性能具有双重特征，当周边钢框架较强时，其滞回曲线较为饱满，滞回特征趋于钢框架构造；当周边钢框架较弱时，其滞回曲线较为捏缩，滞回

13、特征趋于填剪力墙板。梁柱连接的抗弯承载力对 SPSW 构造的滞回特征有显著影响，无论周边采用强框架的SPSW 构造还是弱框架的 SPSW 构造，均随着节点抗弯承载力的增加，滞回曲线趋于饱满，耗能能力增强。随着节点抗弯承载力的增加，钢框架自身的承载能力增大，同时对填剪力墙板的约束效应增强，SPSW 构造的水平承载力呈增大趋势；但对强框架 SPSW 构造影响程度较大，而对弱框架 SPSW 构造的影响程度相对较小。节点抗弯承载力对强框架 SPSW 构造的抗侧刚度影响较大，而对弱框架 SPSW 构造的抗侧刚度影响相对较小。4.钢框架-混凝土核心筒构造体系 钢框架-混凝土核心筒构造体系是指由钢筋混凝土芯

14、筒与外圈的刚接或铰接钢框架共同组成的混合构造体系。混凝土芯筒是构造体系中主要的抗侧力竖向构件。当楼面外圈为刚接框架时，芯筒承当着绝大局部作用于建筑物的水平荷载，一小局部则由钢框架承当;当楼面外圈为铰接框架时，芯筒则承当建筑物的全部水平荷载。该构造体系在我国的应用极为广泛，目前新建的高层、超高层建筑几乎均采用这种构造体系。混凝土筒体的抗侧力效果较好，具有节约钢材、降低造价、施工方便等优点,但缺点是核心筒与钢外框架的延性、刚度不匹配,在强震作用下，作为第 1 道防线的核心筒很容易被破坏，而作为第 2 道防线的钢框架根本上也不具有抵抗地震作用的能力。4.1 力学性能分析 框架一核心筒构造的变形和受力

15、特点与框架一剪力墙构造体系的相似。框架一核心筒构造具有双重抗侧力能力，是采用剪切型的框架和弯曲型的核心筒两种不同属性构件组成的构造体系。两种构件通过各层楼板的联系进展协同工作，这将显著减小构造的顶点侧移和下部.各楼层的最大层间侧移。单独的框架，水平侧力作用下的变形曲线属于剪切型，即层间侧移角自上而下逐渐增大，越接近构造顶部，水平位移增长越慢;单独的核心筒受到平面的水平侧力作用时，其变形曲线属于弯曲型，层间侧移是自下而上逐层增大，与框架层间侧移角的增长方向相反。框架一核心筒构造中的框架和核心筒，因受到各层楼盖的约束，不能像单独框架和单独核心筒那样自由的变形，各层楼盖因其巨大的水平刚度迫使框架和核

16、心筒的变形协调一致，框架和剪力墙联合工作时，各根连杆要将这两种变形协调为一种变形，如图 7，在 框架一核心筒的上部，框架的侧移值较小，剪力墙的侧移值大，要是两者侧移值相互靠拢，上部各根连杆产生拉力;在框架一核心筒的下部，框架和剪力墙各自的侧移值，正好与上部 相反，框架大，剪力墙小，因而框架一核心筒下部各根连杆产生压力。图 7 水平荷载作用下构造的受力情况 外周框架和居于中心的筒体发生协调工作以后，从框架的受力角度来说，上部拉杆的拉力与水平荷载方向一致，这样增大了框架上部的水平剪力;下部连杆的压力与水平荷载方向相反，又减小了框架下部的水平剪力。按刚度分配的原则，框架所得到的水平荷载产生的水平剪力

17、是上部小，下部大。由于连杆的作用和框架剪力进展叠加，使框架所承受的水平剪力上下分布趋于均匀，框架的梁、柱截面从构造底部到上部可以均匀过度。从框架的受力角度讲，上部的连杆的拉力，与水平荷载的方向相反，作用位置比拟高，引起的反向弯矩使剪力墙下部的最大弯矩得以较大幅度地减小，因而有利于剪力墙底部截面的配筋量的减小以及裂缝开展的推迟。5.交织桁架构造体系 交织桁架构造体系是美国麻省理工大学在 20 世纪 60 年代开展起来的一种新型构造体系。该体系主要由柱子、楼板和桁架组成。桁架的高度等于建筑的层高，跨度等于建筑全宽。桁架的两端支撑在构造外围的纵列柱子上,不需在构造中间部位设置柱子。在单榀框架上桁架沿

18、高度方向隔层设置，而在相邻框架上，桁架隔层交织布置。楼板一端支撑在桁架的上弦,另一端支撑在相邻桁架的下弦。整体构造如下图。其建筑外观规整统一，构造受力明确合理，经济性能好，标准化程度高。在国外的研究和应用已经比拟成熟,被广泛应用于公寓、教学楼、办公楼等构造规整的建筑形体，但在国，交织桁架构造还是一个较新的课题。图 8 交织桁架体系构造简图 5.1 交织桁架构造体系的受力特点 交织桁架体系具有合理的传力途径,如图 9 所示。在交织桁架体系中水平荷载作用在楼板一侧,楼板犹如一刚性隔板将侧向荷载传递到桁架上弦,剪力由桁架腹杆传至下一层楼板,由于该柱列的桁架错层,水平力不能再直接往下传,必须通过楼板传

19、到相邻柱列的桁架上弦,如此层层往下传递累积直至根底。图 9 交织桁架的传力机理.交织桁架构造体系在竖向荷载作用下,荷载由楼板传到支撑桁架的上下弦,再传到外围的柱子上,柱中的弯矩很小,主要承受轴力。在水平荷载作用下,横向荷载严格地通过桁架和楼板传递,在柱中也根本上不出现弯矩。整个构造象一个悬臂梁,所有柱子布置在周边,其作用如梁的翼缘,而在柱间跨越房屋全宽的桁架起着悬臂梁腹板的作用。各跳层布置的桁架将这些截面很大的外柱刚毅地连接起来,提供了很大的刚度,使得建筑物能抵抗很大的侧向荷载。另外,这种构造体系在横向受风载时,外柱很大的垂直荷载常常足以平衡风荷载引起的柱拔力,且能调动整个建筑物的重量来抵抗倾

20、覆力矩。5.2 交织桁架构造体系的静力性能分析 错列桁架在横向荷载作用时,由于刚性楼板的联系作用，相邻框架间的空间协同工作将非常显著。所以平面分析时，不能够简单地以单榀框架作为计算模型,而要考虑楼板的组合作用。虽然错列桁架体系由空间分析转化到平面分析的难度较大，但是近 30 年来，为获得一个可靠的、简单的、可以代替空间分析的平面分析方法,各国学者为此付出了很大的努力,相继提出了一些可供平面分析使用的二维分析模型,同时也获得了一些结论。目前，采用较多的是平面协同分析模型，见图 10。即将体系中一样形式的各榀框架分别合并在一起，中间用刚性链杆连接而成。图 10 平面协同分析模型 将简化模型分析所得

21、结果与有限元分析的结果比拟分析后，可以发现交织桁架构造有以下静力特性：1)柱子主要承受轴力,弯矩很小;2)构造整体变形呈弯曲形;3)构造各层中桁架侧移刚度很大,柱子及竖向腹杆侧移刚度很小;4)柱中分配的剪力较小,水平荷载主要由桁架承受,桁架承受的剪力通过斜腹杆传到两侧的柱子上,使柱子承受较大的轴力;5)两榀桁架间依靠楼板传递剪力,楼板所受剪力从上至下逐渐增大;6)桁架层空腹节间及相邻节间中弦杆的弯矩较大,其他各节间中弦杆的弯矩较小 6.结语 6.1 钢构造建筑体系的优点 优越的环保性能(1)钢构造的施工方式为干式施工，防止了湿式施工所造成的环境污染。此外，钢构造材料可以夜间运送，可缓解在建建筑

22、周围地区的交通压力。(2)混凝土构造建筑撤除后，混凝土只能作为废料处理。而钢构造建筑撤除后，钢构件仍可以直接利用或冶炼后利用，对环境的污染很小。优越的构造性能(1)在梁高相等的情况下,钢构造建筑的开间为混凝土构造建筑开间的 1.5 倍。.(2)由于钢构造的延性比混凝土构造的延性好,因而钢构造比钢筋混凝土构造的抗震性能好。(3)自重轻,易于采用 TMD、TLD 等构造振动控制措施,以提高构造的抗风、抗震能力。(4)钢构造的构件由工厂加工制作而成,其加工精度高、质量有保证,与混凝土构造的现场施工相比,更符合构造设计的要求。此外,在高层建筑建造过程中,经常会发生设计的变更,采用钢构造更容易满足设计变

23、更的需要。6.1.3 优越的经济性(1)自重轻。高层钢构造的自重一般为高层混凝土构造的 1/23/5。由于其构造自重的降低,可以减轻地震的作用力,从而减小构造设计力,降低工程造价。(2)强度高。与混凝土构造相比,钢构造柱的截面面积小,可以增大建筑的使用面积。(3)施工速度快对于一般的高层混凝土构造,平均每 6 d 完成 1 层,而高层钢构造平均每 4 d 完成 1 层,可以缩短构造的施工周期。(4)高层建筑中的管道较多,采用钢构造可以在梁上开孔用以穿越管道。因此,在楼层净高相等的情况下,钢构造的楼层高度低于混凝土构造的楼层高度,因而可以减小外围护墙的面积,降低建筑的维护费、使用费。6.2 应用

24、前景 通过对钢构造住宅的分析可以看出，钢构造住宅体系是我国高层建筑开展的必然趋势。由于其特有的构造优势和自身的经济价值，在未来的建筑行业中，钢构造必将占有很大的比重。参考文献 1周绪红等，新形交织桁架构造体系应用J钢构造，20002.2莫涛，周绪红等，交织桁架构造体系的受力性能分析J建筑构造学报，20006.3许红胜，周绪红等，交织桁架构造体系设计要点J建筑构造 2004。345.4舒赣平,孟宪德,王 培.轻钢住宅构造体系及其应用J.工业建筑,2001,31(8):55-56.5钢构造设计手册编辑委员会.钢构造设计手册(下册)M.:,2004.6国强.多高层建筑钢构造设计M.:,2004.7王

25、光远,吕大刚.构造智能选型理论、方法与应用M.:,2006.8志明,周诸红.层次分析法在钢构造住宅体系量化选型中的应用J.工程建立与设计,2004(7):11-13.9郭 兵,纪伟东.多层民用钢构造房屋设计M.:,2005.10王心田.建筑构造体系与选型M.:同济大学,2003.11国强，玉妹，欣.钢构造框架体系高等分析与系统可靠度设计M.:中国建 筑 l:业出 J 饭社，2006.12F.Erbatur,M.M.Al-Hussainy Optimum design of frames put.Struct.,45(1992),pp.887891 13M.H.Afshar,I.Motaei Constrained big bangbig crunch algorithm for optimal solution of large scale reservoir operation problem Int.J.Optim.Civ,Eng.,1(2011),pp.357 375