Transcript 高层钢结构设计实例分析

高层钢结构设计实例分析
RBS
广州容柏生建筑结构设计事务所
RBS Structure Engineering Design Associates
魏 捷
2011年5月
一、前言
钢结构是一种质量较轻、刚度较大的结构体
系。 多遇地震作用下，地震力与质量有近似的
线性关系，即质量越大，地震力越大。因此，在
满足相同刚度的条件下，钢结构的地震力一般小
于钢筋混凝土结构。最为重要的是钢结构的延性
远远优于钢筋混凝土结构，具有优越的防倒塌能
力。
因此，在地震作用较大或地震作用为结构控制
工况时，钢结构应该成为结构选型考虑的主要型
式之一。
二、 国内近年钢结构的工程实例
北京银泰大厦。
高度250米，50层。
钢框架——筒体结构
（筒体为内嵌钢板墙）
• 天津津塔
• 高度333米，83层
• 钢框架——筒体
（钢板墙）体系
• 广州合景大厦
• 钢框架——支撑体
系
• 40层，180米。
• 厦门洪文世界山
庄二期
• 48层，188米
• 钢框架——支撑
（含钢板墙）体
系
• 在现有的工程应用实例中，结构高度从
100米至330米。反应出钢结构抗侧刚度
的局限性。（这里不讨论混合结构）
• 抗侧力构件的型式
• 抗侧力的构件主要有：钢支撑，钢板
墙，边框柱和钢板组成的筒体。
三、高层钢结构的规范依据
• 1、《钢结构设计规范》GB50017-2003
• 2、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
• 3、《高层民用建筑钢结构技术规程》
JGJ99-98（新标准JGJ99-2010正在报批）
四、高层建筑钢结构的适用高度
• 《抗规》表8.1.1
结构类型
6、7度
7度
（0.10g） （0.15g）
0.20g
8度
0.30g
9度
（0.40g）
框架
110
90
90
70
50
框架—中心支
撑
220
200
180
150
120
框架—偏心支
撑（延性墙板）
240
220
200
180
160
筒体和巨型框
架
300
280
260
240
180
• 表内的筒体不包括混凝土筒。
新版《高钢规》表4.1.2
结构类型
6、7度 7度
（0.10g）（0.15g）
8度
0.20g
0.30g
9度
非抗震
（0.40g）设防
框架
110
90
90
70
50
110
框架—中心支
撑
220
200
180
150
120
240
240
框架—偏心支
撑（延性墙板）
220
200
180
160
260
筒体和巨型框
架
280
260
240
180
360
300
五、《抗规》和新版《高钢规》
引入抗震等级的概念
• 《抗规》表8.1.3
房屋高度
烈度
6
≤50m
＞50m
四
7
8
9
四
三
二
三
二
一
• 与砼结构相似的“强柱弱梁、强剪弱弯、
强节点弱构件”的延性要求。
六、钢结构位移限值
• 多遇地震：1/250;
• 罕遇地震：1/50。
• 风荷载：1/250。
七、框架——支撑体系
• 由于框架结构的适用高度较小，高层钢
结构一般采用框架—支撑体系。实例分
析主要以各类支撑为主要对象。
1、《抗规》关于支撑的规定
• 《抗规》8.1.6条对支撑框架有以下几个规定：
• 1）支撑框架在两个方向的布置宜均匀对称，支撑框架
之间楼盖的长宽比不宜大于3。（砼结构：6，7度是6；
8，9度是5。）
• 2）三、四级且高度不大于50米的钢结构宜采用中心支
撑，也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。
• 交叉支撑
• 单斜支撑
• 人字支撑
• 3）中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用
人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑；
支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，偏
离交点时的偏心距不应超过支撑杆件宽度，并
应计入由此产生的附加弯矩。当中心支撑采用
只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾
斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆
的截面面积在水平方向的投影面积之差不应大
于10%。
• 支撑中心交汇于梁柱节点
• 支撑中心偏心，柱附加弯矩
• M=Ncsinα×e（偏心矩）
• 4）偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连
接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内与另一支
撑与梁的交点之间形成耗能梁段。
耗能梁
偏心支撑
• 《抗规》8.2.2条第2款：当偏心支撑框架部分承担的地
震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻
尼比可相应增加0.005。
• 实践中，偏心支撑的刚度较小，在弹性阶段很难满足
此条。因此，如果需要偏心支撑具有耗能特性，性能
目标中，必须使其在中震下达到耗能段屈服。（中震
计算需要弹性板假定）
• 5）采用屈曲约束支撑时，宜采用人字支
撑、成对布置的单斜杆支撑等形式，不
应采用K型或X形，支撑与柱堵塞夹角宜
在35°~55°之间。屈曲约束支撑受压
时，其设计参数、性能检验和作为一种
消能部件的计算方法可按相关要求设
计。
• 屈曲约束支撑的主要特点是
通过外加套筒，约束支撑不
发生屈曲，且保护梁柱构件
不破坏，支撑刚度和强度完
全发挥。其芯板钢材类型为
低屈服点钢材（屈服强度
100MPa，225Mpa），普通
低碳钢（SLY100，
SLY225）。
屈曲约束支撑和普通支撑的对比
• 承载力高 （相同刚度下，承载能力比普
通支撑提高2-10倍）
•
普通支撑轴向承载力设计值
Nb 
•
 Af
1  0.35  n
屈曲约束支撑轴向承载力设计值
N b  Af
原理
很大的不
平衡力
• 普通支撑
• 屈曲约束支撑
屈曲约束支撑的检验
• 《抗规》条文说明，P388第1，
2条有具体规定：“试验时，依
次在1/300,1/200,1/150,1/100支撑
长度的拉伸和压缩往复各三次变
形。试验得到的滞回曲线应稳定、
饱满，具有正的增量刚度，且最
后一级变形第3次循环的承载力
不低于历经最大承载力的85%，
历经最大承载力不高于屈曲约束
支撑极限承载力设计值的1.1
倍。”
6）钢板剪力墙
• 津塔钢板墙
国外某工程钢板墙应用
钢板墙特点
35
25
Load (kN)
• 容易满足建筑功能（墙厚较薄）；
• 刚度较大；
• 需要采取措施防止平面外屈曲；
15
5
-35
-25
-15
-5 -5
-15
-25
-35
Displacement (mm)
5
15
25
35
外包砼的钢板墙
含加劲肋的钢板墙
简化计算方法
• 等效支撑的截面积Ab
KH
Ab 
顶梁
E sin  sin 2
• 等效支撑屈服应力fy’
fy 
'
sin 2
sin 2
fy
• 等效支撑的屈服承载力
Qyb
Q yb 
Q yw
2 cos 
柱
支撑

支撑
底梁
2、抗侧力构件汇总
• 中心支撑—受力直接、刚度大；不能受
压。
• 偏心支撑—刚度小，弹性时作用很小；
在中震、大震时耗能；宜与中心支撑组
合使用。
• 屈曲约束支撑—受力直接、刚度大，受
拉、受压均可；造价较高。
• 钢板墙—受力直接、刚度大；必须有防
屈曲措施。
重要提示
• 所有抗侧力构件均应在安装
阶段消除自重传来的内力！
以避免构件过早屈曲。
八、工程实例介绍
广州合景大厦
特点：
38层办公楼
高度178米
钢管砼—钢支撑组合结构
最大钢管D1300X35
钢管中砼标号C80
用钢量104kg/m2
结构结算造价1280元/m2
标准层结构平面图