钢结构体系——多高层钢结构(纯框架结构体系、框架支撑体系、框架-核心筒体系、筒体结构、束简结构、巨型结构)

文摘   2024-10-07 06:00   上海  

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一、 纯框架结构体系
纯框架体系是指沿纵横方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构件组成的结构体系。框架的梁柱宜采用刚性连接。
钢框架结构一般可分为无支撑框架有支撑框架两种形式,层数不超过12层时可采用一个方向为纯框架,另一个方向为支撑框架的体系。
无支撑的纯框架体系,由钢柱和钢梁组成,在地震区框架的纵、横梁与柱一般采用刚性连接,纵横两方向形成空间体系,有较强的侧向刚度和延性,可承担两个主轴方向的地震作用。
二、 框架支撑体系
框架支撑体系是在框架体系中的部分框架柱之间设置竖向支撑,形成若干带竖向支撑的支撑框架如图4.3-1所示,周边则为刚接框架。此类结构水平荷载主要由支撑来承担,在水平荷载作用下,通过刚性楼板或者弹性楼板的变形协调与刚接框架共同工作,形成双重抗侧力结构的结构体系。

支撑形式有中心支撑、偏心支撑和嵌人式钢板及其他消能支撑。当用一般的偏心支撑满足不了结构的抗侧要求时,可用嵌入式钢板等其他消能支撑,

1、中心支撑

中心支撑的每个节点处,各杆件的轴心线要交汇于一点,中心支撑根据斜杆的不同布置,可形成十字交叉斜杆、单斜杆、人字形斜杆、K形斜杆,以及 V形斜杆等支撑类型。见图 4.3-2。

2、偏心支撑

所谓偏心支撑是指在构造上使支撑轴线偏离梁和柱轴线的支撑。一般在框架中支撑斜杆的两端,应至少有一端与梁相交(不在柱节点处),另一端交在梁与柱交点处,或偏离梁柱一段长度与另一根梁连接,在支撑斜杆杆端与柱之间构成一耗能梁段叫偏心支撑。见图 4.3-3。

3、钢板剪力墙

钢板剪力墙采用钢板或带加劲肋的钢板制成,一般需采用厚钢板,见图4.3-4。抗震设防烈度为7度或者7度以上的抗震建筑需在钢板的两侧焊接纵向或横向加劲肋,以增强钢板的稳定性和刚度。水平加劲肋和竖向加劲肋分别焊于墙板的正面和反面沿其高度或宽度的三分点处。

钢板剪力墙和框架共同工作时有很大的侧向刚度,而且重量轻、安装方便,但用钢量较大,一般用于40层左右抗震设防烈度小于等于8度的高层建筑。对非抗震的钢板剪力墙,当有充分根据时,可考虑其材料屈曲后的强度,但应使钢板的张力能传递给楼板梁和柱。


三、 框架-核心筒体系

1、受力特点

框架核心筒体系是结合建筑使用要求形成的,是以核心筒作为主要的抗侧结构体系常用于办公建筑。建筑使用核心筒作为电梯间和楼梯间等公用设施服务区,并在沿核心筒外侧周边形成办公区,结构上也相应地布置一圈外框架。这种核心简具有较大的侧向刚度,核心简与外框架的组合则构成框架-核心简结构体系。在这一体系中,核心筒是主要的抗侧力结构,框架-核心筒体系也是双重抗侧力结构的结构体系。框架核心筒结构示意图见图4.3-5。

2、工程实例

武汉中心总建筑面积34万m,地上88层,地下4层,高438m,平面尺寸为52.6mX52.6m,整个结构采用“稀柱框架-核心筒-伸臂桁架体系”,见图4.3-6。

天津于家堡03-08,地块建筑面积21万m,地上62层,地下4层,高297m,平面尺寸为5lmx51m,整个结构采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架体系”,见图 4.3-7。

四、 筒体结构
1、框结构
(1).受力特点
框筒结构是由布置在建筑周边的小柱距、高梁截面的密柱深梁组成。楼层剪力主要由与水平力方向平行的腹板框架来承担,而楼层倾覆力矩则由腹板框架与垂直于水平力方向的翼缘框架共同承担。平行于侧向荷载的框架起着多孔筒体的“腹板”作用,而垂直于侧向荷载的框架则起着“翼缘”的作用。竖向重力部分由外框架承担,部分由内柱或内筒承担。框简结构示意图见图4.3-8。
2).工程实例
框筒结构体系最早是由美国的Fazlur Khan 提出的。他设计了第一个框简结构,43层的芝加哥的 Dewitt-Chestnut 公寓,1965年竣工。前纽约世界贸易中心大厦,由两110层、高417m的钢框简结构组成。平面尺寸为63,5mX63.5m,标准层高3.66m,柱距1.02m,裙梁高1.32m。每32层设置一道7m高的钢板圈梁用以减小剪力滞后效应(图4.3-9)。

2、支撑框结构

(1)受力特点

为了给使用者提供无遮挡的开阔视野和明朗的外观,要求建筑周边采用较大的柱距和较浅的框架梁,即“稀柱浅梁”外框。但此种结构体系剪力滞后效应明显,不能形成筒体的空间作用,结构的抗侧效率很低。为此,通过在“稀柱浅梁”的各个立面上设置大型交叉支撑,各个平面的支撑斜杆在框筒转角处与角柱相交于一点,确保了支撑传力路线的连续,从而使结构形成了一个整体受力且空间作用良好的悬臂结构,此结构体系被称之为支撑框筒。支撑框简结构示意图见图 4.3-10。

2).工程实例

图4.3-11为1970年美国芝加哥建成的JohnHancock Center,100层,332m,它是一幢集办公、公寓和酒店为一体的多功能建筑。考虑上部公寓的进深不能太大,因此整个建筑体形采用了下大上小的四棱台体。底层平面尺寸为79.9mX46.9m,顶层平面尺寸为48.6mx30.4m,底层最大柱距达到13.2m,远大于框简结构要求的4.5m。

3、斜交网格筒结构
(1).受力特点
斜交网格筒是一种没有一般意义上的“柱”,而以网状相交的斜杆作为同时承受垂直和水平荷载构件的结构体系。与一般框筒结构不同之处在于,交叉布置的斜柱替代了常规结构中的垂直柱系统,使其具备同时承受结构竖向和侧向荷载的高效机制。斜交网格结构单元见图 4.3-12。
(2).工程实例
2004年建成的瑞士再保险总部大楼,见图4.3-13,位于英国伦敦“金融城”圣玛丽斧街30号,共40层,180m高,它是一幢办公建筑。大楼采用圆形周边放射平面,外形像一颗子弹,为螺旋型,每层平面的直径随大厦的曲度而改变,直径由底部50m变化至56m(17楼)之后续渐收窄。

五、 束简结构

1).受力特点

两个或两个以上的框筒紧靠在一起成“束”状排列,称为束筒。与框筒相比,束筒的腹板框架数量要多,也就使得翼缘框架与腹板框架相交的角柱增多,这样就大大减小了简体剪力滞后效应。

因此東筒结构与框简结构相比,具有更大的刚度,且可以组成较复杂的建筑平面形状,特别是针对外框筒边长过大,或平面狭长采用束简更为有效。

2).工程实例最著名的束筒结构为芝加哥Wills大厦,见图4.3-14,高443m,共110层,是世界上最高的钢结构建筑。底层平面尺寸为68.6mX68.6m,50层以下为9个框筒,51~66层为7个框筒,67~91层为5个框筒,91层以上为2个框,并在35层、66层和90层沿框架外周各设置一道环形桁架,用以提高结构的整体性和抗侧刚度。通过采用束筒的结构形式,整个结构的抗侧效率从61%提高到了78%。

六、巨型结构
巨型结构,是把常规尺寸的框架或桁架结构按照相似原理成比例放大而成。与常规的框架与桁架的杆件截面相比,巨型结构的构件截面尺寸要大得多。一般巨型梁会采用桁架的形式,巨型柱与支撑可以是由钢构件组合成的立体桁架,也可以是由钢与混凝土组成的巨型组合构件。
1、巨型框架
(1).受力特点
巨型框架是由巨型框架柱(由多根通过水平杆及斜撑形成的筒体或钢筋混凝土实腹筒)及巨型框架梁(大多为空间水平桁架)形成巨型结构体系,巨型梁隔若干层设置一根,巨型梁之间设置次要结构,结构整体抗侧刚度由巨型梁柱提供。巨型结构示意图见图4.3-15。
该体系受力明确,使用功能灵活且强度及刚度均较大,并且能很好地解决竖向构件的差异变形,因而是超高层建筑中很有前途的一种新的结构体系。
(2).工程实例
该体系的典型工程有台北101大厦,见图4.3-16,总建筑面积为37.4万m。地上101层,地下5层,高508m,底层平面尺寸为45.5mX45.5m,是一幢以办公为主的超高层建筑。整个塔楼的结构体系采用井字形布置的巨型框架,它由每八层设置一或两层楼高的水平桁架、巨型外柱及内部的巨型格构柱组成的11层高巨型框架单元所组成。

2、巨型桁架
(1).受力特点
与巨型框架相似,当整个建筑采用巨型柱、巨型梁以及巨型支撑组成的巨型桁架作为结构抗侧力体系被称为巨型桁架结构。实际设计时,常将周边各个面内的巨型架的斜腹杆交汇在角柱,围成一个巨型桁架筒以提高结构的整体性和抗侧刚度。在巨型桁架结构中巨型桁架是主结构,往往要跨越多个楼层,承担着主要的水平荷载与竖向荷载;而在每个析架单元内,也会设置一些次结构,用于传递架单元内楼层的竖向荷载。
与巨型框架相比,巨型桁架的层间剪力主要通过桁架斜腹杆的轴向力来传递,且巨柱均集中布置在结构平面的角部,最大限度利用了结构材料,是一种非常高效且经济的抗侧力体系。
2).工程实例
上海环球金融中心是典型的巨型桁架结构,图4.3-17,建筑面积为38万m,地上101层,地下3层,高492m,底层平面尺寸为57.6mX57.6m,它是一幢集办公、商贸酒店和观光为一体的超高层建筑。整个结构外框采用由巨型柱、巨型斜撑和水平环形桁架构成的巨型桁架结构。

本文来自《钢结构设计手册上册(第四版) 建工版》节选

(本章完)


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编辑:泓漫本尊(国家一级注册结构工程师,聚焦建筑行业多年。会点结构,懂点艺术。最大的愿望,就是国家富强,人民安居乐业!)


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