多高层钢结构体系

1/9多高层钢结构各种结构体系的优点与不足摘要：我国大陆地区的大城市多数位于沿海或6度以上地震区，强风或地震引起的侧力成为高层建筑的决定性荷载。有关专家也指出，设计实践中抗侧力结构体系的优选与否，不仅使结构用钢量大幅增减，也关系到房屋建筑的重大安全。因此，作为一名结构设计从业人员，有必要了解多高层钢结构各种体系的特点、使用条件和适用高度，明确其优点与不足，才能正确地选择合适的结构体系。

关键词：多高层；钢结构；结构体系近年来，我国各个城市相继兴建了大量高层建筑，随着楼房的日益增高，钢筋混凝土结构已不再是唯一经济有效的结构类型。对于40层以上的高楼，若采用传统的普通钢筋混凝土结构，则会带来以下问题：构件截面尺寸较大，建筑使用面积相对减小，单位使用面积造价相对上升；自重大，使基础和地基处理复杂，费用昂贵；现场工作量大，施工周期大，推迟建筑的启用，减小了经济效益等。而多高层钢结构的应用，极大地缓解了上述问题。多高层钢结构，一般是指六层（或30m）以上，主要采用型钢、钢板机械连接或焊接成构件，再经机械连接、焊接而成的结构体系。具有材料强度高、延性好，抗震性能优越；自重轻、截面小，室内有效面积大；与玻璃幕墙结合，建筑外形现代感很强；施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率；现场作业环境污染小；材料可重复利用等优点。因此，当今多高层钢结构建筑蓬勃发展，业已成为都市化水平的标志和经济技术实力的象征。在高层建筑设计中，由于结构高度与宽度尺寸相差悬殊，高层建筑类似嵌固于地面上的“悬臂柔杆”，其抗侧力作用成为必须考虑的重要问题。根据荷载规范与抗震规范可知，高层建筑的水平侧力主要包括经常性的风荷载和偶发性的地震作用。其中：风荷载的影响是使建筑产生侧向变形，风大时产生振动，进而影响人们在正常生活和工作下的舒适感；地震作用则往往导致建筑结构的倒塌或损坏。对于地震区的高层建筑，应考虑地震作用时不破坏，至少不倒塌。随着建筑高度的增长，风荷载一般逐渐增大，达到一定高度后，风荷载稳定下来，波动较小；并且，随着高度的增长，风荷载对结构设计的控制作用越来越强，甚至超过地震荷载的影响。一般来说，风荷载与结构的抗侧刚度关系不大，而地震作用的大小则与其有着密切关系：从抗风振的角度来看，自然希望结构刚度大些，而从抗地震力的观点上，较大的刚度反而会导致较大的地震力，但太小又会因二阶效应等原因引起结构破坏甚至倒塌，因此结构刚度应大小适当。由于风荷载、地震作用都是侧力，对于地震区的高层建筑设计，特别要求结构体系既能适应风荷载作用，又能承受地震作用。根据我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）规定，高层建筑钢结构体系分为四类：框架结构、框架-支撑（剪力墙板）结构、筒体、有混凝土剪力墙的钢结构。在此基础上，有关学者从不同的研究角度，衍生出多个结构体系（见图1）。各种结构体系根据自身特点适用于不同的建筑高度、使用功能和抗震设防要求。以下就多高层钢结构各种体系的优点与不足进行详细论述。2/9

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)图1高层钢结构建筑常见结构体系上图中，(a)——框架体系；(b)——错列桁架体系；(c)——框架-支撑桁架体系；(d)——有水平带状支撑的框架体系；(e)——框架-核心筒体系；(f)——开口筒体系；(g)——外框筒体系；(h)——筒中筒体系；(i)——束筒体系；(j)——外围桁架筒体系

一框架体系钢框架结构，即由钢梁与钢柱构成的“杆件弯曲体系”。框架结构的变形主要由剪切变形和整体弯曲变形构成。当层数较少时，大部分位移由剪力引起的梁、柱弯曲产生，随着层数增高，框架有如一根悬臂梁，由于柱子轴向伸长和压缩，使整体弯曲变形所占的比例相对增加。按梁与柱的连接形式，钢框架结构又可分为半刚接钢框架与刚接钢框架两种形式。工程应用实例：美国休斯顿第一印第安纳广场大厦（29层、高121m）、上海金沙江大酒店（反Z形平面、高42.4m）、北京长富宫饭店（矩形去四角平面、高89m）。

优点：结构各部分刚度相对来说比较均匀；在垂直平面上不需要设置斜杆，使建筑物形成较大空间，并且为平面布置提供最大的灵活性；构造简单、易于施工；由于框架结构较软，具有较大延性，对地震作用不敏感，因此是一种好的抗震结构形式。在钢框架结构体系中，为了节约钢材，改善受力特性，提高防火性能，也可在下面若干层用钢骨混凝土代替钢框架。不足：半刚接框架梁仅按重力作用下简支梁选择截面，梁与柱连接不承受重力荷载产生的弯矩，而用近似分析法得到的风荷载弯矩计算节点，在地震区还要进行地震作用验算；刚接框架虽更全面地考虑节点承受的弯矩，但节点构造较复杂；纯框架的抗侧刚度主要取决于梁与柱的抗弯能力，在侧力作用下梁柱节点弯矩过大；当层数增高时（半刚接框架超过20层，刚接框架达到30层以上），则楼层剪力很大，必须靠加大梁、柱的截面来提高其抗推能力，采用该结构将变得不经济。

二框架-抗剪结构体系由于纯钢框架体系是靠梁柱的弯曲来抵抗水平力的，当房屋层数较多，或者3/9

风力较大、地震烈度较高时，将不能有效地利用构件强度，采用纯钢框架结构体系就很不经济，而采用框架-抗剪结构体系就可以弥补这一不足。框架-抗剪结构体系的特点是主要依靠抗剪结构体系来抵抗侧力。根据抗剪结构的不同，该体系又分为以下几种类别：

（1）框架-剪力墙结构在钢框架中通过布置一定数量的剪力墙（钢筋混凝土剪力墙、带缝剪力墙或钢板剪力墙）来提高框架结构的抗侧力刚度。剪力墙的布置有独立式、核心式、内廊式、并列式和棋盘式等几种。工程应用实例：北京香格里拉饭店（Z形平面、高82.3m）、京广中心（扇形平面、高208m）、上海瑞金大厦（矩形平面、高106.9m）、深圳发展中心（3/4圆形平面、高160m）。优点：剪力墙的作用有如竖向悬臂梁，发生弯曲时顶部挠度最大，而框架结构主要发生剪切变形，在底部剪力最大处变形最剧烈。当二者共同工作时，由于彼此相互约束，在结构底部钢框架的变形受到了限制；而在上部，框架又限制了剪力墙过大变形，从而克服了纯钢框架在30层以上高层建筑中强度不能充分发挥的问题；以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40~60层的高层钢结构。不足：钢框架与剪力墙存在刚度均衡的问题。与钢框架并用的钢筋混凝土剪力墙刚度较大，在地震时易于发生应力集中现象，以致产生斜向大裂缝而脆性破坏；剪力墙部分仍要受楼板跨度的限制，灵活性有所减弱；在设计中必须注意剪力墙中心线与边缘约束框架柱的中线重合，否则引起偏心。为避免上述现象，可采用带裂缝剪力墙，该形式由日本学者武藤清提出，即在钢筋混凝土墙体中按一定间距设置竖缝，在竖缝中设置两块重叠的石棉纤维板作隔板（日本方案）。这样做既不妨碍竖缝剪切变形，还能起到隔音和防火作用，从而将墙体分成许多并列的壁柱，在风荷载和小震下处于弹性阶段，确保结构的使用功能；在强震时进入塑性阶段，吸收大量的地震能量，而各壁柱继续保持其承载能力以防止建筑物倒塌。工程应用实例（带裂缝剪力墙）：日本京王广场饭店、东邦人寿保险总社大厦、新宿三井大厦等。钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙结构，钢板厚约8~10mm，与钢框架组合，起到刚性构件的作用，在水平刚度相同的条件下，框架-钢板剪力墙结构的耗钢量比纯框架结构要省。剪力墙也可配合建筑要求上下层错开布置，呈棋盘状。其优点是可以避免刚度集中，使地震作用力分散开，缺点是剪力墙的整体性受到减弱并影响抗侧力性能。

（2）框架-支撑（支撑桁架）结构众所周知，就杆件自身的力学特性而言，与杆件的抗弯刚度相比较，杆件的抗压或抗拉刚度则要大得多。因此，在该体系中，采用属于“轴力体系”的竖向支撑来加强框架，就能获得较大的抗推刚度。框架-支撑桁架体系由沿竖向或横向布置的支撑（或支撑桁架）结构和框架梁柱构成，桁架结构起着剪力墙的作用，水平力主要由竖向桁架结构承担，工作原理类似于嵌固在基础上的悬臂梁，梁柱框架可以是铰接或半刚接，其侧向刚度可以忽略不计，柱仅承受墙、梁、楼板传来的竖向荷载。该结构体系是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系，一般适用于40~60层的高层建筑。根据钢支撑形式不同，该结构体系又分为中心支撑4/9

结构和偏心支撑结构两种。工程应用实例：加拿大蒙特利尔38层贝尔公司和国家银行办公大楼、日本神户贸易中心大厦（26层）、上海国际贸易中心（矩形去四角平面、高140m）、北京京城大厦（去掉四角的十字方形平面、高182.8m）、香港的MacauFerryTerminal大楼（42层）。中心支撑：支撑斜杆、梁、柱的中心线都交汇于一点。形式有十字交叉型、三角型、K型、V型、菱形等。优点：在侧力作用下，框架属剪切型，上部层间位移小，下部层间位移大，而支撑系统为弯曲型，顶部层间位移大，下部层间位移小，两者并联，可以明显减小下层的层间位移角；用钢量较纯框架结构少；梁柱节点构造相对简单。另外，采用桁架支撑的节间高，方便了施工；由于框架与支撑系统协同工作，竖向支撑桁架起到剪力墙的作用，承担大部分水平剪力。罕遇地震中若支撑系统破坏，尚可内力重分布由框架承担水平力，即所谓两道抗震设防。不足：在强烈地震交变力作用下，支撑的侧向受压屈曲位移很大，中心支撑的承载能力将显著降低，同时结构的耗能性能变差，并可能引起周围构件的破坏。但随着支撑桁架的宽度、数量和布置位置不同，结构效能有较大差异，在结构设计中，尚应进行深入分析和研究。模型试验也指出：支撑在反复荷载作用下，杆件如果重复地屈曲，抗压能力将显著降低，短柱轴压承载力的降低值达50%，长柱的降低幅值则更大；压杆两端有很小的轴向位移，导致压杆发生很大的侧向挠度，例如，压杆两端的轴向位移为1cm时，压杆的侧向挠度即达15cm；反向荷载作用下，较细长的支撑斜杆从弯曲状态拉直时，迅速获得的刚度对支撑框架是一种撞击荷载，不仅产生振动效应，也促使支撑斜杆本身特别是杆端的连接因产生超应力而破坏；支撑斜杆一旦屈曲后，在反向荷载下不可能完全拉直，而在反向荷载下，另一根支撑斜杆又将出现屈曲，楼层抗剪刚度进一步降低；支撑杆件的局部屈曲，会导致钢板因出现裂缝而过早断裂。偏心支撑：支撑的中心线偏离于梁柱交点，交点之间的一段梁被称为“剪梁”，它在往复荷载下具有良好的塑性，大大改善支撑框架的抗震性能。自70年代中期以来，美国、日本等国对这种支撑形式进行了较为全面的受力变形分析，特别是美国加州大学伯克利分校的地震研究中心对此还专门进行了一系列的理论和试验研究。优点：在轻微和中等地震侧向力作用下，可以具有很大的刚度，减少地震作用下房屋的侧移；而在强烈地震时，由于体系的耗能，连梁首先发生剪切屈服，从而吸收大量能量，它一方面保护支撑斜杆不再因受压失稳而发生侧向挠度，使斜杆始终保持平直状态，避免斜杆在反复荷载作用下重复地屈曲而引起轴压承载力的大幅度降低，保证主要受力构件不致失效，另一方面也增加了支撑框架的延性，从而进一步提高了整个结构体系的抗震可靠度；据专家推算，使用偏心支撑可以节省用钢量约18%~30%，从而降低结构造价；另外，偏心支撑更容易解决门、窗及管道的设置问题。不足：连杆是偏心支撑-框架设计的关键，为了防止扭转失稳，耗能梁与柱的连接形式不宜采用铰接，应采用刚接形式，所以耗能杆件相对来说不易更换；另外，当截面腹杆进入塑性之后，翘曲变形将不容忽视。重要的是，由于偏心支撑受杆件的长细比限制，截面尺寸较大，受压时也易失稳屈曲，在强风区或高烈度的地震区的建筑结构，一般的支撑体系满足不了要求。