1、 概述 一、多、高层钢结构建筑的应用一、多、高层钢结构建筑的应用1 1、建筑用钢量、建筑用钢量 国内：全部钢产量的国内：全部钢产量的20%20%25%25%国外（美国、日本）：国外（美国、日本）：50%50%我国真正用于钢结构的钢材仅为我国真正用于钢结构的钢材仅为200200300300 万吨（年产量万吨（年产量1 1亿吨）亿吨）2 2、典型的高层钢结构建筑、典型的高层钢结构建筑 第一第一台北国际台北国际金融中心金融中心（101101楼）楼）101101层层高高508508米米台北第二、三第二、三吉隆坡吉隆坡佩纳斯大厦佩纳斯大厦(双塔双塔)9595层层高高452452米米20192019年建成
2、年建成第四第四西尔斯大楼西尔斯大楼110110层层高高443443米米美国芝加哥美国芝加哥第五第五上海金茂大廈上海金茂大廈8888层层高高420420米米20192019年落成年落成 第六第六国际金融中心大厦国际金融中心大厦（二期）（二期）高高416416米米中国香港中国香港第七第七中信广场大厦中信广场大厦中国广州中国广州第八第八信兴广场大厦信兴广场大厦中国深圳中国深圳第九第九帝国大厦帝国大厦高高381381米米美国纽约美国纽约第十第十中央广场大厦中央广场大厦高高374374米米中国香港中国香港世贸中心，高世贸中心，高417417米和米和415415米，米，110110层层 阿联酋阿联酋迪拜大
3、厦迪拜大厦（在建）（在建）据说世界第一据说世界第一9595层层高高466466米米在建在建 上海环球金融中心上海环球金融中心(1)(1)自重轻、强度高自重轻、强度高 采用钢结构承重骨架采用钢结构承重骨架,比钢筋混凝土结构轻比钢筋混凝土结构轻1/31/3以以上。结构自重轻上。结构自重轻,可以减少运输和吊装费用可以减少运输和吊装费用,基础的负基础的负载也相应减少载也相应减少,在地质条件较差地区在地质条件较差地区,可以降低基础造可以降低基础造价。价。(2)(2)抗震性能好抗震性能好 钢材的弹塑性性能好钢材的弹塑性性能好,地震作用下具有良好的延地震作用下具有良好的延性。自重轻也显著减少地震作用性。自重
4、轻也显著减少地震作用,一般可减少一般可减少40%40%左右左右主要表现在主要表现在:具有良好的综合经济效益和力学性能具有良好的综合经济效益和力学性能(3)(3)有效使用面积高有效使用面积高 构件断面小构件断面小,所占面积小；同时还可适当降低建筑所占面积小；同时还可适当降低建筑层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比层高。与同类钢筋混凝土高层结构相比,可相应增加可相应增加建筑使用面积约建筑使用面积约4%4%。(4)(4)建造速度快建造速度快 构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。构件制造工厂化，现场安装，现场施工作业面宽敞。可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构可实施平行立体交叉作业
5、。与同类钢筋混凝土高层结构相比相比.一般可缩短建设周期约一般可缩短建设周期约1/41/41/31/3。(5)(5)防火性能差防火性能差 无耐火防护的钢构件无耐火防护的钢构件,其平均耐火时限约其平均耐火时限约15min15min左右左右,明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必明显低于混凝土结构。故有防火要求时，构件表面必须用专门的防火涂料防护须用专门的防火涂料防护,以满足防火规范的要求。以满足防火规范的要求。横向跨度方向纵向跨度方向横向柱列纵向柱列 特点：平面布置灵活，可为提供较大的室内空间，特点：平面布置灵活，可为提供较大的室内空间，结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，结构各
6、部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。自振周期较长，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，因此不宜建的太高。纯框架结构非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。纯框架结构体系在地震区一般不超过体系在地震区一般不超过1515层。层。1.1.框架结构框架结构纵向柱列横向柱列L纵向柱列横向柱列2.2.框架框架-支撑体系支撑体系支撑的形式和布置支撑的形式和布置 在水平力作用下在水平力作用下,支撑顶部支撑顶部将产生很大的水平变位。此时可将产生很大的水平变位
7、。此时可在顶层设置帽桁架及在中间某层在顶层设置帽桁架及在中间某层设置腰桁架。帽桁架和腰桁架使设置腰桁架。帽桁架和腰桁架使外围柱与核心抗剪结构共同工作外围柱与核心抗剪结构共同工作,可有效减小结构的侧向变位可有效减小结构的侧向变位,刚刚度也有很大提高。腰桁架的间距度也有很大提高。腰桁架的间距一般为一般为12-1512-15层层,腰桁架越密整个腰桁架越密整个结构的简体作用越强这种结构结构的简体作用越强这种结构通常被称为部分筒体结构体系通常被称为部分筒体结构体系),),当仅设一道腰桁架时当仅设一道腰桁架时,最佳位置最佳位置是在离建筑顶端是在离建筑顶端0.455H0.455H高度。高度。3.3.框架剪力
8、墙结构体系框架剪力墙结构体系剪力墙剪力墙钢筋混凝土剪力墙钢筋混凝土剪力墙钢筋混凝土带缝剪力墙钢筋混凝土带缝剪力墙钢板剪力墙钢板剪力墙刚度较大刚度较大,地震时易发生应力集中地震时易发生应力集中,导致墙体产生导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。斜向大裂缝而脆性破坏。即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设置框架结构即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设置框架结构竖缝。这样墙体成了许多并列的壁柱竖缝。这样墙体成了许多并列的壁柱,在风载和在风载和小震下处于弹性阶段小震下处于弹性阶段,确保结构的使用功能。在确保结构的使用功能。在强震时进入塑性阶段强震时进入塑性阶段,能吸收大量地震能量能吸收大量地震能量,各各壁柱继续保持
9、其承载能力壁柱继续保持其承载能力,以防止建筑物倒塌。以防止建筑物倒塌。以厚约以厚约8 8lOmmlOmm的钢板做成剪力墙的钢板做成剪力墙,与钢框架组合与钢框架组合,起到刚性构件的作用。起到刚性构件的作用。将框架将框架-剪力墙结构体系中的剪力墙结构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，形成框架外围钢框架柱柱网较密，形成框架-核心筒体核心筒体系。中心筒体既可采用钢结构亦可采用钢筋系。中心筒体既可采用钢结构亦可采用钢筋混凝土结构混凝土结构,核心筒体承担全部或大部分水平核心筒体承担全部或大部分水平力及扭转力。楼面多
10、采用钢梁、压型钢板与力及扭转力。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较好的连接，水平荷载将通过刚性楼面传递到核心筒。钢与钢筋混凝土筒体结构的水平到核心筒。钢与钢筋混凝土筒体结构的水平刚度取决于核心筒的高宽比。刚度取决于核心筒的高宽比。4.4.框架框架-核心筒结构体系核心筒结构体系5.5.筒体结构筒体结构 由内外两个筒体（筒中筒）或多个筒体结构（束由内外两个筒体（筒中筒）或多个筒体结构（束筒体系）组合而成，共同抵抗水平力，具有很好的空筒体系）组合而成，共同抵抗水平力，具有很好的空间作用，适用于
11、间作用，适用于9090层左右的钢结构建筑。层左右的钢结构建筑。6.悬挂结构1.1.确定合理的结构形式和节点的连接（形式）方法；确定合理的结构形式和节点的连接（形式）方法；2.2.选择结构和连接的材料并提出相应的技术性能指标；选择结构和连接的材料并提出相应的技术性能指标；3.3.维护结构的选择（从结构上考虑）；维护结构的选择（从结构上考虑）；4.4.构件的形式并初步估算截面尺寸；构件的形式并初步估算截面尺寸；5.5.荷载汇集及荷载组合；荷载汇集及荷载组合；6.6.地震作用计算；地震作用计算；7.7.结构变形及内力计算；结构变形及内力计算；8.8.内力组合及构件截面验算；内力组合及构件截面验算；9
12、.9.连接的设计计算；连接的设计计算；10.10.维护结构的设计计算；维护结构的设计计算；11.11.基础设计；基础设计；12.12.其他。其他。三、结构设计的一般步三、结构设计的一般步骤骤 3-2 3-2 多高层钢结构的计算特点多高层钢结构的计算特点 一、结构的荷载种类一、结构的荷载种类竖向荷载：永久荷载（自重和使用荷载）竖向荷载：永久荷载（自重和使用荷载）水平荷载：风荷载水平荷载：风荷载地震作用：水平和竖向地震作用：水平和竖向二、荷载计算二、荷载计算1.1.风荷载风荷载2.2.地震作用计算地震作用计算1.1.多高层建筑钢结构的内力与位移一般采用弹性方法多高层建筑钢结构的内力与位移一般采用弹
13、性方法计算。对有抗震设防要求的结构，除进行多遇地震作用计算。对有抗震设防要求的结构，除进行多遇地震作用下的弹性效应计算外，还应考虑在罕遇地震作用下结构下的弹性效应计算外，还应考虑在罕遇地震作用下结构可能进入弹塑性状态，采用弹塑性方法进行分析。可能进入弹塑性状态，采用弹塑性方法进行分析。2.2.高层建筑钢结构通常采用现浇组合楼盖，一般可假定高层建筑钢结构通常采用现浇组合楼盖，一般可假定楼面在自身平面内为绝对刚性。但在设计中应采取保证楼面在自身平面内为绝对刚性。但在设计中应采取保证楼面整体刚度的构造措施，如加设梁抗剪件、非刚性楼楼面整体刚度的构造措施，如加设梁抗剪件、非刚性楼面加整浇层等。对整体性
14、较差、或楼面有大开孔、有较面加整浇层等。对整体性较差、或楼面有大开孔、有较长外伸段或相邻层刚度有突变的楼面，当不能保证楼面长外伸段或相邻层刚度有突变的楼面，当不能保证楼面的整体刚度时，宜采用楼板平面内的实际刚度。的整体刚度时，宜采用楼板平面内的实际刚度。4.4.多高层钢结构的计算模型应视具体结构形式和计算多高层钢结构的计算模型应视具体结构形式和计算内容规定。一般情况下可采用平面抗侧力结构的空间协内容规定。一般情况下可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布同计算模型。当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当均匀、不计
15、扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元或为简单结构时，应采用空间结构计算模型。侧力单元或为简单结构时，应采用空间结构计算模型。5.5.高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，在计算结高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，在计算结构的内力和位移时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的构的内力和位移时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的轴向变形外，尚应考虑梁、柱的剪切变形。由于梁的轴向变形外，尚应考虑梁、柱的剪切变形。由于梁的轴力很小，一般不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作轴力很小，一般不考虑梁的轴向变形，但当梁同时
16、作为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计入轴力的影响。为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计入轴力的影响。6.6.钢框架一剪力墙体系中，现浇竖向连续钢筋混凝土钢框架一剪力墙体系中，现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙的计算应计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向剪力墙的计算应计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形。变形。当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采用平按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。面有限元法计算。7.7.柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连接计算，其
17、端部连接的刚度通过支撑构件的计算长度接计算，其端部连接的刚度通过支撑构件的计算长度加以考虑。若采用偏心支撑，由于耗能梁段在大震时加以考虑。若采用偏心支撑，由于耗能梁段在大震时将首先屈服，计算时应取为单独单元。将首先屈服，计算时应取为单独单元。c)方管截面b)蜂窝梁b)十字型截面 框架柱的截面形式a)H型钢截面b)组合梁截面框架梁的截面形式a)H型钢截面d)圆管截面(一一)PKPM)PKPM系列系列钢结构钢结构CADCAD软件软件STSSTS(二二)STAAD/CHINA 2000)STAAD/CHINA 2000钢结构设计与绘图软件钢结构设计与绘图软件 (三三)ANSYS)ANSYS (四四)
18、芬兰芬兰XsteelXsteel中文版智能钢结构详图设计系统中文版智能钢结构详图设计系统 (五五)StruCad)StruCad三维钢结构详图系统三维钢结构详图系统 (六六)SCIA)SCIA钢结构钢结构CAE/CAD/CIMCAE/CAD/CIM一体化软件一体化软件 (七七)PS2000)PS2000门式刚架轻型房屋设计门式刚架轻型房屋设计CADCAD系统系统 (八八)门式刚架轻型房屋钢结构软件门式刚架轻型房屋钢结构软件GFCAD GFCAD (九九)PDSOFT SteelWorks)PDSOFT SteelWorks三维钢结构设计与分析计算软件三维钢结构设计与分析计算软件 (十十)同济大
19、学空间钢结构软件同济大学空间钢结构软件3D3S 3D3S (十一十一)多高层钢结构设计系统多高层钢结构设计系统M&TSteel M&TSteel (十二十二)广厦建筑钢结构广厦建筑钢结构CADCAD系统系统 五、内力与位移计算五、内力与位移计算 1.1.钢结构的静、动力分析一般应借助计算机完成。钢结构的静、动力分析一般应借助计算机完成。2.2.人工计算内力和位移（初步设计时截面的预估）人工计算内力和位移（初步设计时截面的预估）(1)(1)地震作用、风荷载作用下，采用地震作用、风荷载作用下，采用D D值法。值法。(2)(2)竖向荷载作用下，采用分层法、或弯矩二次分配法竖向荷载作用下，采用分层法、
20、或弯矩二次分配法3.3.结构内力分析时，应注意的问题结构内力分析时，应注意的问题(1)(1)节点板域剪切变形的影响节点板域剪切变形的影响节点域剪切变形对节点域剪切变形对高层钢结构水平位高层钢结构水平位移影响一般可达移影响一般可达10%10%2020。（2 2）P P效应影响效应影响 竖向荷载作用下，因水平位移而产生的内力与位移竖向荷载作用下，因水平位移而产生的内力与位移增大的现象，即增大的现象，即P P效应。效应。a.a.一阶弹性分析一阶弹性分析 第一阶段设计采用线弹性计算方法，竖向荷载作用第一阶段设计采用线弹性计算方法，竖向荷载作用下与水平荷载作用下的内力和位移是彼此独立的，两者下与水平荷载
21、作用下的内力和位移是彼此独立的，两者的内力与位移可以直接相加。的内力与位移可以直接相加。b.b.二阶弹性分析（非线性分析）二阶弹性分析（非线性分析）50 50层左右的高层钢结构层左右的高层钢结构P P效应产生的二阶内力效应产生的二阶内力和位移可达和位移可达1515以上。以上。地震作用下，抗震设计规范规定：当结构地震作用地震作用下，抗震设计规范规定：当结构地震作用下的重力附加弯矩大于初始弯矩的下的重力附加弯矩大于初始弯矩的1010时，应计入重力时，应计入重力二阶效应。二阶效应。1.1.高层建筑钢结构在风荷载作用下，顶点质心位置的高层建筑钢结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的侧
22、移不宜超过建筑高度的1/6001/600，质心层间侧移不宜超，质心层间侧移不宜超过楼层高度过楼层高度1/4001/400。结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.21.2倍倍2.2.高层建筑钢结构的第一阶段抗震设计，其层间侧移高层建筑钢结构的第一阶段抗震设计，其层间侧移标准值不得超过结构层高的标准值不得超过结构层高的1/2501/250。3.3.高层建筑钢结构的第二阶段抗震设计，其结构层间侧高层建筑钢结构的第二阶段抗震设计，其结构层间侧移不得超过层高的移不得超过层高的1/701/70，结构层间侧移延性比不大于下，结构层间侧移延性比不大于下表的规定
23、。表的规定。3 33 3 压型钢板组合楼（屋盖）结构压型钢板组合楼（屋盖）结构一、在确定楼盖结构方案时，应考一、在确定楼盖结构方案时，应考虑以下要求：虑以下要求：保证楼盖有足够的平面整体刚保证楼盖有足够的平面整体刚度；度；减轻结构的自重及减小结构层减轻结构的自重及减小结构层的高度；的高度；有利于现场安装方便及快速施工；有利于现场安装方便及快速施工；较好的防火、隔音性能，并使于管线的敷设。较好的防火、隔音性能，并使于管线的敷设。高层建筑钢结构的最常用的做法为高层建筑钢结构的最常用的做法为在钢梁上铺设压型钢板，再烧注整体钢在钢梁上铺设压型钢板，再烧注整体钢筋混凝土板，形成组合楼板。筋混凝土板，形成
24、组合楼板。钢与混凝土组合楼（屋）盖钢与混凝土组合楼（屋）盖 1.1.组合楼盖常用的压型钢板一般由厚组合楼盖常用的压型钢板一般由厚0.80.8一一1.0mm1.0mm的热镀锌薄板成的热镀锌薄板成型，长度为型，长度为8 812m12m。各块压型钢板之间应用紧固件将其连成整体。各块压型钢板之间应用紧固件将其连成整体。安装时，压型钢板表面的油污应清除，避免长期暴露而生锈。对处安装时，压型钢板表面的油污应清除，避免长期暴露而生锈。对处于较严重腐蚀环境下的建筑，不宜采用压型钢板组合楼盖体系。于较严重腐蚀环境下的建筑，不宜采用压型钢板组合楼盖体系。2.设计楼盖结构时，压型钢板可以有三种形式设计楼盖结构时，压
25、型钢板可以有三种形式:压型钢板只作压型钢板只作为永久性模板使用；为永久性模板使用；压型钢板既是模板又作为底面受拉配筋；即压型钢板既是模板又作为底面受拉配筋；即组合楼板；压型钢板承受全部楼板活荷载。组合楼板；压型钢板承受全部楼板活荷载。仅作为永久性模板使用时，压型钢板承受施工荷载和混凝土的仅作为永久性模板使用时，压型钢板承受施工荷载和混凝土的重量。重量。对同时兼作模板和受拉配筋的压型钢板组合楼板的设计，应分对同时兼作模板和受拉配筋的压型钢板组合楼板的设计，应分阶段验算，即施工阶段和使用阶段。阶段验算，即施工阶段和使用阶段。组合梁由钢筋混凝土翼板、抗剪连接件和钢梁组成组合梁由钢筋混凝土翼板、抗剪连
26、接件和钢梁组成1.1.组合梁翼板的有效宽度组合梁翼板的有效宽度bbbbccoce21ccehbb12030lbce2.2.组合梁的截面设计组合梁的截面设计 组合梁截面高度一般为跨度的组合梁截面高度一般为跨度的1/151/161/151/16，钢梁截面，钢梁截面高度不宜小于组合梁截面总高度的高度不宜小于组合梁截面总高度的1/2.51/2.5。截面设计计算方法：截面设计计算方法：弹性分析方法弹性分析方法塑性分析方法塑性分析方法3.3.组合梁连接件设计组合梁连接件设计（1 1形式形式（2 2）作用）作用一、梁的设计一、梁的设计1.1.强度强度2.2.整体稳定整体稳定3.3.局部稳定局部稳定4.4.刚
27、度刚度二、柱的设计二、柱的设计1 1、强度和稳定、强度和稳定2 2、板件宽厚比、板件宽厚比3.3.长细比长细比7度及7度以上设防，fy23560 6度和非抗震设防，fy235120 1.1.中心支撑内力计算特点中心支撑内力计算特点 垂直支撑作为竖向桁架的斜杆，主要承受水平荷载（风垂直支撑作为竖向桁架的斜杆，主要承受水平荷载（风荷载或多遇地震作用）引起的剪力。但由于高层建筑在水平荷荷载或多遇地震作用）引起的剪力。但由于高层建筑在水平荷载下变形较大在重力和水平力下，还承受水平位移和重力荷载下变形较大在重力和水平力下，还承受水平位移和重力荷载产生的附加弯曲效应。水平位移主要由两部分引起，即楼层载产生
28、的附加弯曲效应。水平位移主要由两部分引起，即楼层安装初始倾斜率和荷载作用下楼层的侧移。故计算支撑的内力安装初始倾斜率和荷载作用下楼层的侧移。故计算支撑的内力时，还应计入附加剪力的影响。时，还应计入附加剪力的影响。框架柱在重力荷载作用下的弹性压缩变形将在十字交叉支框架柱在重力荷载作用下的弹性压缩变形将在十字交叉支撑、人字形支撑和撑、人字形支撑和 V V形支撑的斜杆中引起附加压应力，故在计算形支撑的斜杆中引起附加压应力，故在计算此类形式的支撑截面时，应计人附加压应力的影响。此类形式的支撑截面时，应计人附加压应力的影响。人字形支撑的受压斜杆若受压屈曲，将导致框架横梁产生较人字形支撑的受压斜杆若受压屈
29、曲，将导致框架横梁产生较大变形，并使整个体系的抗剪能力发生退化。因此，在进行多遇地大变形，并使整个体系的抗剪能力发生退化。因此，在进行多遇地震作用下支撑的设计时，对人字形支撑和震作用下支撑的设计时，对人字形支撑和 V V形支撑斜杆的内力应乘形支撑斜杆的内力应乘以增大系数以增大系数1 15 5。同时，十字交叉支撑和单斜杆式支撑的斜杆内力，。同时，十字交叉支撑和单斜杆式支撑的斜杆内力，也应乘以增大系数也应乘以增大系数1 13 3，以提高斜撑的承载力。，以提高斜撑的承载力。2.2.计算内容计算内容局部稳定局部稳定 刚度刚度节点的构造形式1.1.单层厂房钢结构由哪几部分的组成？单层厂房钢结构由哪几部分
30、的组成？简要回答下列问题简要回答下列问题2.2.设计沈阳某厂房钢屋架（无檩体系），设计沈阳某厂房钢屋架（无檩体系），18m18m跨，跨，柱柱距距6m,6m,厂房内设有厂房内设有2 2台中级工作制吊车。要求：台中级工作制吊车。要求：（1 1）试选择合适的钢材，并提出相应的性能指标；试选择合适的钢材，并提出相应的性能指标；（2 2）屋盖结构应布置哪几种支撑？各自的作用是什么？）屋盖结构应布置哪几种支撑？各自的作用是什么？（3 3）屋架计算时应考虑哪几种荷载组合？）屋架计算时应考虑哪几种荷载组合？（4 4）屋架上弦杆平面内外计算长度如何确定？）屋架上弦杆平面内外计算长度如何确定？（5 5）上弦杆的合理截面形式是什么？）上弦杆的合理截面形式是什么？3.3.绘出钢框架结构梁柱绘出钢框架结构梁柱连接节点草图（刚接和连接节点草图（刚接和铰接各一种，连接形式铰接各一种，连接形式不限）。不限）。
