第11讲多高层房屋钢结构——结构体系类型及其特点1多层
多高层钢结构(一)
多高层钢结构（一）引言概述:多高层钢结构一直受到建筑界的广泛关注，其优势如高强度、轻质和耐久性使得其成为现代建筑设计中的首选材料之一。
本文将从多个方面介绍多高层钢结构的特点和应用，旨在提供对于多高层钢结构的全面了解。
正文内容:1. 钢结构的特点1.1 高强度：钢材具有较大的抗拉、抗剪和抗压能力，在高层建筑中能够承受较大的荷载。
1.2 轻质：相比混凝土结构，钢结构的重量较轻，可减轻建筑自重并方便施工。
1.3 耐久性：钢材对于环境的腐蚀和老化能力较强，能够保持长期的使用寿命。
2. 多高层钢结构的应用领域2.1 商业建筑：多高层办公楼、购物中心等商业建筑常采用钢结构，可以提供灵活的空间布局和快速建设。
2.2 住宅建筑：高层公寓、别墅群等住宅建筑也可以采用钢结构，可实现异型布局和个性化设计。
2.3 工业建筑：工厂、仓库等工业建筑要求大空间、大跨度，钢结构能够满足这种需求。
2.4 文化建筑：剧院、博物馆等文化建筑通常需要特殊的造型和空间要求，钢结构可以满足设计师的创意。
3. 多高层钢结构的施工方法3.1 钢框架搭建：钢结构的施工通常采用钢框架的方式，先搭建好钢框架再进行其他施工工序。
3.2 钢柱、钢梁的组装：钢柱和钢梁通过焊接、螺栓连接等方式进行组装，形成整体的钢结构。
3.3 钢板、钢柱的切割：根据设计要求，将钢板、钢柱进行切割、加工，以满足建筑需要。
4. 多高层钢结构的设计要点4.1 结构安全系数：根据建筑高度、结构形式等因素确定结构的安全系数，保证结构的抗震能力和稳定性。
4.2 火灾防护：针对钢结构易受高温影响的特点，需要在设计时考虑火灾防护措施，如防火涂料和防火隔离带的设置。
4.3 风荷载计算：多高层建筑容易受到风荷载的影响，需要进行风荷载计算，并在设计中进行相应调整。
5. 多高层钢结构的优势与挑战5.1 优势：多高层钢结构具有施工周期短、质量可控、环保等优势，能够满足快速建设的需求。
5.2 挑战：钢结构的设计、施工和装修等方面存在一定的技术要求和难度，需要合理组织和协调各方资源。
多高层钢结构分析09-6-11.
四、筒体
（1）单筒
桁架筒体
（2）筒中筒
五、巨形框架结构
六、主要结构构件形式
梁、柱、支撑、压型钢板
1、梁的截面形式
梁的常用截面形式有(图3—1)：1)焊接H形钢；2)热轧H型钢；3)焊接箱形
2、柱的截面形式
（1)焊接H形钢； （2)热轧H型钢； （3)焊接箱形； （4)焊接十字形； （5)圆钢管； （6)钢管混凝土； （7)型钢混凝土。
支撑的形式
支撑体系的布置由建筑要求及结构功能来确定，一般布置在端框架 中、电梯井周围处。支撑类型的选择与是否抗震有关，也与建筑的层 高、柱距以及建筑使用要求，如人行通道、门洞和空调管道设置等有 关，因此需要根据不同的设计条件选择适宜的类型。常用的支撑体系 有中心支撑和偏心支撑。
(a) X型支撑1
框架—抗震墙板结构是以钢框架为主体，并配置一定数量的抗震墙 板。由于抗震墙板可以根据需要布置在任何位置上，布置灵活。另外抗 震墙板可以分开布置，两片以上抗震墙并联体较宽，从而可减小抗侧力 体系等效高宽比，提高结构的抗推和抗倾覆能力。抗震墙板主要有以下 三种类型。
(1) 钢抗震墙板 钢抗震墙板一般需采用厚钢板，其上下两边缘和左右两边缘可分别 与框架梁和框架柱连接，一般采用高强度螺栓连接。钢板抗震墙板承担 沿框架梁、柱周边的地震作用，不承担框架梁上的竖向荷载。非抗震设 防及按6度抗震设防的建筑，采用钢板抗震墙可不设置加劲肋。按7度及7 度以上抗震设防的建筑，宜采用带纵向和横向加劲肋 的钢板抗震墙，且加劲肋宜两面设置。
第二章 多高层钢结构性能分析
本章内容及教学要求
教学内容
1 结构体系及特点 2 多层钢结构弹塑性分析
第一节 结构体系及特点
一、框架结构
高层钢结构体系的类型全套PPT
• 当钢框架结构层数及高度较大时 ，风荷载、地震作用成为影响 柱截面的主要因素，一般在框 架柱之间要布置柱间支撑，这
样可以有效抵抗水平地震力和风 力。可以有效降低框架柱的计算 长度，减少框架柱的计算截面。
• 2、纯框架体系是由梁和柱刚性连 接的骨架结构。特点框架的连接 点是刚节点，几何不变体。在竖向 荷载作用下，梁、柱互相约束，减 少横梁的跨中弯矩。
3、框架－支撑体系 对于多层及小高层钢框架结构建筑，可结合门窗位置在建筑
的外墙布置双向交叉支撑，支撑可采用角钢、槽钢或圆钢， 可按拉杆设计，在结构中支撑也不一定必须从下到上同一位 置设置，也可跳格布置，其目的主要是为了增加结构的刚度。 对于外墙开有门窗时，
也可在窗台高度范围内布置，
形成类似周边带状桁架的结构形式， 对结构整体刚度进行加强。
优点 （1）屈曲后能力高。大震中框架仍保持其整体性，而不丧失其实际的
承载能力。
（2）延性好。结构在地震中承受多次弹塑性循环变形不断裂。 （3）耗能能力强。构件的弹塑性延性变形，增加了阻尼，减 小了结构的刚度，导致能量的耗散，并且减小了作用于结构上 的地震力。 （4）经济效益好。这是地震力减小后的必然结果。 （5）制造简单，安装方便。这是采用铰接连接和高强螺栓的结 果。
高层钢结构工程施工
高层钢结构体系的类型
授课教师：刘菁菁
• 随着层数及高度的增加，除承受较大的竖向荷载外，抗侧力( 风荷载、地震作用等)要求也成为多层框架的主要承载特 点。
• 基本结构体系一般可分为三种：柱—支撑体系、纯框架体 系、框架—点均为铰接，纵横
向沿柱高设置柱间支撑（ 抗侧力构件），适用于柱 距不大但允许双向设置支 撑的建筑物，设计安装简便 ，侧向刚度大，构件受力明 确，耗钢量小。
多、高层房屋钢结构体系、结构分析及连接
截面尺寸） 大致可按每3～4层作一次变截面； 尽量使用较薄的钢板；（其厚度不宜超过100mm；柱板件宽厚
比不应大于表4.6的规定） 框架柱长细比的规定（下表）
多层(≤12层) 高层(>12层)
6～8度设防
≤120（235/fy）1/2
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。
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。
5.筒体结构
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，具有很好的空间 作用，适用于90层左右的钢结构建筑。
多高层建筑钢结构体系
1.框架结构
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，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15层。
自重轻也显著减少地震作用,一般可减少40%左右
(3)有效使用面积高 构件断面小,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,可相应增加建筑 使用面积约4%。
(4)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。
可实施平行立体交叉作业。与同类钢筋混凝土高层结构 相比. 一般可缩短建设周期约1/4～1/3。
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，当不能保证楼面的整体刚度时， 宜采用楼板平面内的实际刚度。
2023/9/16
钢结构工程结构体系的特点及分类
• 网架的连接可采用螺栓球和焊接球连接，螺栓球一般适合较小跨度网架，焊接球适合大跨度网架；
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7、多高层结构
多高层结构的特点 • 钢材延性大，结构抗震性能好； • 自重轻，钢结构高楼的自重约为混凝土结构的60%，可大幅降低基础和结构的
• 钢结构因其强度高、自重轻、工期快、抗震性能好等优点，被越来越广泛应 用于厂房、体育场馆、机场、火车站、会展中心、高层建筑等领域，钢结构 建筑在建设中所占的比例越来越大；
• 钢结构建筑根据结构受力特点大致可分为门式刚架结构、空间桁架结构、张 弦梁结构、弦支穹顶结构、网架结构和多高层结构；
• 在一个工程中结构类型的界限并不是十分明确，往往包含有多种结构类型。
• 弦支穹顶索环形张拉因此这种结构体系适合做类似圆形的屋盖，如北京自行车馆、安徽大学体育馆 等；
• 弦支穹顶的屋面梁可以是轮辐式的单根梁，也可以是单层网壳； • 弦支穹顶的节点构造； • 弦支穹顶的施工；
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5、弦支穹顶结构
弦支穹顶结构的特点
• 弦支穹顶结构与张弦梁结构类似，都是利用索的张力产生一个对梁的支撑力以达到减小梁的受力的 目的，但两者之间还是有显著的区别：张弦梁索是直线张拉，弦支穹顶索是环形张拉；
• 弦支穹顶的作用原理：环形索张紧在节点处产生一个径向的拉力，支撑杆一根杆件受拉一根受压， 受压杆对梁起到支撑作用可减小梁的跨度，重新分布弯矩，从而减小梁截面；
• 弦支穹顶索环形张拉因此这种结构体系适合做类似圆形的屋盖，如北京自行车馆、安徽大学体育馆 等；
• 弦支穹顶的屋面梁可以是轮辐式的单根梁，也可以是单层网壳； • 弦支穹顶的节点构造； • 弦支穹顶的施工；
《多层钢结构房屋》PPT课件
• 从结构角度上，多层和高层之间并没有明确的界限，根 据房屋的荷载特点和力学行为，特别是对地震作用的反应， 《建筑设计抗震规范》（GB 50011）和《全民建筑工程 设计技术措施—结构》（2003）中都以12层为界限，12 层及12层以下的结构与12层以上的结构在设计方法和抗 震构造措施上都有些区别。
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• 一步降低工程造价
目前，多层钢结构房屋体系的造价比混凝土结构的略 高，因此，人们的一般概念是钢结构工程造价很高，有些 甚至是钢材紧缺年代的概念，这也是影响我国钢结构推广 应用的一个主要因素。钢结构造价偏高的主要原因有两个： 首先，钢材比混凝土贵得多，其次，在工程实践中，由于 经验不足，专业技术人才缺乏，配套体系不完整，使得工 程造价进一步升高。统计资料表明，建筑高度为6-12层时 比较经济，在中低层民用建筑中，钢结构还缺乏竞争力。
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山东建筑工程学院土木馆
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钢结构公寓
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发展多层民用钢结构需要解决的
问题
• 虽然钢结构房屋具有很多优点，我国钢材产量及国家政策 都已到位，但毕竟还处于发展的初期阶段，目前需解决的 问题还很多，主要有以下几个方面：
• 多层钢结构技术及配套技术有待于进一步开发研究和完善
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谢谢
参考资料《多层民用钢结构房屋》 （中国工业出版社）
请老师多加指教
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中国工商银行总行营业办公楼
• 位于北京市复兴门内大街 的中国工商银行总行营业 办公楼，见右图。总建筑 面积9.6万平方米，纯钢结 构体系。结构总用钢量 8500t，以美国产A572宽 翼缘H型钢和国产16Mn 钢为主，钢板最厚达 100mm。
多高层钢结构设计
多高层房屋结构的类别特点：侧向荷载效应的影响突出：风荷载、地震作用分类：框架结构、框剪结构、筒体结构框架结构特点：1】平面布置较灵活，刚度分布均匀2】侧向刚度小，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，一般在不超过30层框剪结构特点：1】支撑或剪力墙，双重设防2】不超过40~60层筒体结构特点：框筒结构1】框架形成的筒体结构，内筒及其它竖向构件主要承受竖向荷载，外层框架主要承受侧向荷载2】刚性楼面结构作为框筒的横隔3】剪力滞后造成角柱的轴力过大，两个措施：控制框筒平面的长宽比加大框筒梁和柱的线刚度之比4】适用的建筑高度可超过90层筒中筒结构1】减缓框筒结构的剪力滞后效应2】密柱深梁或钢筋混凝土内筒侧向位移模式：适用高度JGJ99-98) 依据地震设防烈度划分：非抗震设防的多层(£12层)钢结构房屋形式：1】纯采用框架结构或斜撑(或剪力墙)体系2】斜撑体系梁和柱的连接都可做成铰支即柔性连接抗震设防的多高层钢结构房屋形式：1】中心支撑体系，不超过12层2】偏心支撑体系，超过12层结构布置提要1】光滑曲线构成的凸平面形式：风载体型系数小2】采用中心对称或双轴对称的平面形式：减小或避免在风荷载作用下的扭转振动3】平面尺寸关系4】平面不规则结构5】结构竖向布置基础1】宜设地下室2】抗震设防基础埋深宜一致, 不宜采用局部地下室3】基础埋深，天然地基不宜小于H/15，桩基时不宜小于H/204】采用钢筋混凝土剪力墙或框剪结构型式5】设置钢骨(型钢)混凝土的过渡层，一般为2~3层如何做好多高层钢结构设计将十层以下、总高度小于24m的民用建筑和6层以下、总高度小于40m的工业建筑定义为多层钢结构；超过上述高度的定义为高层钢结构。
其中民用建筑层数和高度的界限与我国建筑防火规范相协调，工业建筑一般层高较高，根据实际工程经验确定。
轻型框架和轻型框架-支撑钢结构适用于多层民用建筑和楼面等效活载小于8KN/m2且建筑高度小于20m的工业建筑。
多高层钢结构的特点及分析控制
预组合方式
➢ （1）吊车柱预组合分别有“只考虑轮压的预组合 力”和“考虑轮压加刹车的预组合力”。
➢ 预组合1 —— 是吊车的“轮压+刹车”内力组合； ➢ 预组合2 —— 是吊车的“轮压”内力组合。
➢ （2）梁预组合也按照“只考虑轮压的预组合力” 和“考虑轮压加刹车的预组合力”这两种情况搜 索出梁的包络内力，即为：
➢ 在一对轨道内的吊车荷载称为第1组吊车荷载（不 论该对轨道内有几部吊车），第二对吊车轨道则 可以定义第2组吊车荷载等等。
➢ 吊车水平刹车力作用在上层的柱中间。
吊车结构的计算模型
➢ 由于吊车荷载作用在吊车柱的牛腿上，所以在牛 腿处应该设置一个标准楼层，并且在沿吊车运行 轨迹方向应定义框架梁，如吊车柱在吊车运行轨 迹方向没有框架梁，也应把吊车梁作为两端铰接 梁输入，吊车荷载的移动顺序是通过轨迹上的梁 所确定的，这是吊车运行轨迹方向必须布置梁的 原因。
2）吊车移动对整体结构的分析。 ➢ TAT、SATWE软件是分析第（2）项的内容。 ➢ STS中可以分析钢吊车梁。
程序分析吊车荷载的说明
➢ 在TAT和SATWE的吊车荷载计算中，没有考虑吊车 荷载对吊车梁的影响，即没有按照影响线的方式考 虑吊车梁，吊车梁应采用其它软件专门分析。
➢ 软件要求根据吊车的形式，如对各种轨道、轮压点 的吊车，给出最大轮压反力（或作用）及最小轮压 反力（及作用），不论该吊车运行轨道上有几部吊 车，均按这个方式给出。
一、多高层钢结构的特点及分析控制
➢多层钢结构的建模特点 ➢多层钢结构的分析模型 ➢高层钢结构的建模特点 ➢高层钢结构的设计控制 ➢总结--设计技术要点
1。多层钢结构的建模特点
➢ 结构方案的随意性：结构没有明显的楼层概念，它 只根据需要而设置钢梁、支撑、楼板等。
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第11讲多（高）层房屋钢结构——结构体系类型及其特点（一）
1、多层房屋钢结构的结构体系类型有哪些?阐述各自的抗侧力单元。
答：
多层房屋钢结构常见结构类型有纯框架体系、柱-支撑体系和框-支撑体系。
如果抗侧刚度不满足，还可采用双重抗侧力体系,主要采用钢框架-支撑体系、钢框架-剪力墙体系以及钢框架-核心筒体系。
纯框架体系的抗侧力单元为平面框架，柱-支撑体系的抗侧力单元为支撑，框-支撑体系的抗侧力单元为无支撑的平面框架和支撑；钢框架-支撑体系、钢框架-剪力墙体系以及钢框架-核心筒体系的抗侧力单元除了钢框架外，还分别由支撑、剪力墙以及核心筒作为抗侧力单元。
2、试述纯框架体系在水平荷载作用下的受力和变形特征?
答：
水平荷载作用下梁柱刚接的框架结构如同空腹桁架结构，结构一侧的部分柱脚产生轴向拉力，另一侧的部分柱脚则产生轴向压力，这些轴向力将形成力偶，平衡外部水平荷载产生的倾覆力矩；另外，楼层剪力使该层框架柱产生弯矩和剪力，而柱端弯矩又使框架梁两端产生反对称的梁端弯矩和剪力。
平面框架结构在水平荷载作用下的变形包括两部分，一部分是由于水平荷载作用下的倾覆力矩使竖向构件(柱)承受轴向拉力或压力，进而使结构整体产生弯曲变形；另一部分为各层梁、柱在剪力作用下引起的框架整体剪切变形。
因此，框架整体侧移曲线呈剪切型。
3、框架结构有哪些优点？适于多少层的钢结构房屋？
答：
优点：无承重墙，使建筑设计具有一定的自由度；外墙采用非承重构件，可使建筑立面设计灵活多变；轻质墙体的使用还可以大大降低房屋自重，减小地震作用，降低结构和基础造价；构件易于标准化生产，施工速度快，而且结构各部分的刚度比较均匀，自振周期长，对地震作用不敏感。
适用层数：因框架结构的抗侧刚度较小，适于30层以下的房屋建筑。
在地震区，一般不超过15层。
4、试述框架-支撑体系在水平荷载下的变形特点？
答：
在框架-支撑体系中，框架属于剪切型构件，支撑近似于弯曲型构件。
当楼板可视为刚性体且结构不发生整体扭转时，在刚性楼盖的协调下，使各榀框架与各个支撑的变形相互协调—致，因此，框架-支撑体系可以简化成用刚性连杆将框架与支撑并联，其侧移属于弯剪型变形。