高层建筑结构论文.docx

PAGE \* MERGEFORMAT9 多高层钢结构各种结构体系的优势与不足 1．概述 多高层钢结构的优点主要是强度高，重量轻。钢结构材料在达到同样的强度时，钢构件的截面较小，占地面积少，相对的建筑适用面积就会增大。同时由于其自重轻的特点，特别适用于大跨空间结构；另外，钢结构材料质地均匀，各向同性，材料离散性小，更能结构分析的可靠性，并且钢材具有很大的塑性，具有很好的结构延性和抗震性能；同时，钢结构构件都是工厂中直接生产好的，工地现场只需按照设计安装到位，工期大大缩短，所以钢结构不失为超高层建筑，特别是地震地区高层建筑的一种经济有效的结构类型。 众所周知，对于建筑结构，侧向作用（主要指风作用和地震作用）对结构体系的选择起着决定性的作用。它不仅关系到整体结构的受力性能、使用性能，更关系到整个建筑的造价。因此结构体系的选择是结构设计之本，是必须放在结构设计第一位的。 随着高层建筑结构的发展，新的钢结构体系不断涌现。各种结构体系有其各自的优缺点，针对这些优缺点适用于不同的建筑，作为建筑设计人员必须明确。本文就针对几种常见的多高层结构体系进行简要介绍。 2. 多高层钢结构的结构体系及各自特点 多高层钢结构的结构体系按照抗侧力构件的形式、材料、受力性能等因素区分。根据抗侧力体系的不同，广义高层钢结构主要的结构体系如下：纯框架结构体系、框架—支撑结构体系、框架—剪力墙结构体系、桁架结构体系、筒体结构体系、巨型组合结构体系等[1]。 2.1 纯框架结构体系 框架结构体系是沿着房屋的纵向和横向均采用框架作为承重的抵抗侧力的主要构件所构成的结构体系。钢框架包括刚接框架、半刚接框架和铰接框架。它的优缺点概括如下[2]： 优点： ①建筑平面布置灵活，对建筑的平面限制较少； ②框架杆件截面小，可提供较大的内部空间，适用于各类性质的建筑； ③杆件类型少，构造简单，施工周期短； ④外墙用非承重构件，可使建筑立面灵活多变。如果采用轻质隔板做外墙，就可以大大降低房屋的自重。 缺点： ①结构高度增加，水平力作用使得框架底部梁柱构件的???矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加。 ②结构超过一定高度后，材料用量和造价较大，故设计中的层数和高度有所限制。 ③结构抗侧刚度小，高度较大时，水平力作用下会产生很大的侧向位移。 2.2 框架—支撑结构体系 在框架体系中，沿结构的纵横两个方向均布置一定数量的支撑，形成框架支撑结构体系，简称为框撑结构体系。概括来说，它的优缺点如下[3]： 优点： ①抗侧力刚度比框架结构明显增大，在地震发生时，框架体系和支撑体系形成两道抗震防线，其抗震性能有明显的提高； ②当建筑物的层数较大时，可以每隔若干层设置一层加劲桁架层，将内部支撑和外圈框架连为一整体弯曲构件，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩； ③采用错列的桁架体系来构成框架—支撑体系，可以获得较大的开间。 缺点： ①设置较多支撑，使得结构受力分析复杂，施工难度加大，用钢量增加； ②支撑的设置容易与建筑立面处理，门窗布置等建筑要求发生冲突； ③支撑成为整个结构体系的重要部位，外力作用下，支撑长期处于拉压的周期作用，易引起支撑构件的疲劳破坏，在突然的较大外力下，会有很大的变形或者屈曲，从而引起整个建筑的较大变形； ④由于抗侧力刚度有限，不能使用于超高层钢结构建筑，一般用于40层～ 60层的高层钢结构建筑。 框架—支撑结构又可按照所设置的支撑受力性质和受力要求分为框架—中心支撑结构、框架—偏心支撑结构和框架—耗能支撑结构。下面将对这几种类型分别进行简要介绍。 2.2.1 框架—中心支撑结构。 框架—中心支撑结构中的支撑系统，可认为是通过柱与支撑的轴向刚度以抵抗侧向荷载的悬臂竖向桁架。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，如图1。 图1 中心支撑示意图 框架—中心支撑结构的优点： 具有有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平位移，改善结构的内力分布。 缺点： 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，直接影响结构的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。 2.2.2 框架—偏心支撑结构。 框架—偏心支撑结构是近 20 年来发展起来的抗震结构，其特点是每根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连，以形成一个先于支撑斜杆屈服的“耗能梁段”。在中小地震时，结构处于弹性阶段，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。几种典型的偏心支撑（图2）： 图2 偏心支撑示意图 （a—柱；b—支撑；c—消能梁端；d—其他梁端） 2.2.3框架—耗能支撑结构