第第#頁共9頁巨型框架結(jié)構(gòu)體系在鋼結(jié)構(gòu)高層建筑中的應(yīng)用成小寶（西南交通大學(xué)成都610031）摘要：介紹了巨型框架結(jié)構(gòu)體系的特征、結(jié)構(gòu)類型及在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用，和抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析的基本方法。關(guān)鍵詞：巨型框架鋼結(jié)構(gòu)高層建筑應(yīng)用TheApplicationofhugeFramedStructuralSysteminSteelHigh-riseBuildingsChengXiaobao（South-westJiaoTongUniversityChengDu610031）ABSTRACTFeatures,structuraltypeandtheapplicationinsteelhigh-risebuildingsofhugeframedstructurearebriefedinthispaper,aseismaticdesignandbasicanalysismethodofhugeframedstructuralsystemarealsoinit.KEYWORDhugeframedstructuresteelstructurehigh-risebuildingsapplication1引言今天全球呼吁保護(hù)環(huán)境，充分利用資源和減少破壞臭氧層的二氧化碳排放。從建筑領(lǐng)域來講，最理想的是著眼將來，建造有長遠(yuǎn)生命力的建筑物。由于鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、具有良好的延性、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)以及隨著我國鋼材產(chǎn)量的大幅度提高和鋼材價(jià)格的下降，另外由于近年來可持續(xù)性發(fā)展理論的提出、在政府的高度重視下，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國逐漸發(fā)展起來。而在高層建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)由于其適宜工廠大批量生產(chǎn)，工業(yè)化、商品化程度高、可以將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、安裝一體化，提高建筑產(chǎn)業(yè)化水平，更有著巨大的生命力。近幾年，隨著高層建筑的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式（如框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等）不能滿足現(xiàn)代高層建筑多功能、綜合用途的建筑空間要求，尋求新的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式便成為工程設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的問題。在一般的框架結(jié)構(gòu)中，框架的各層柱需要承擔(dān)其上所有樓層的豎向荷載，而且從

上到下柱的截面尺寸是相同的，一般不變，柱子截面尺寸通常也比較大。因此，框架結(jié)構(gòu)體系僅適用于頂層到底層使用性質(zhì)大體相同的樓層，若樓房各樓層的使用功能有較大變化，某些樓層要求有較大的無柱空間時(shí)，就需要采用新的結(jié)構(gòu)體系。大尺度的框架結(jié)構(gòu)（巨型框架結(jié)構(gòu)）體系是一種與傳統(tǒng)框架不同的結(jié)構(gòu)體系。（a）傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)體系；（b）巨型框架結(jié)構(gòu)體系圖1巨型框架結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)巨型框架的特征巨型框架結(jié)構(gòu)體系是把結(jié)構(gòu)體系中的框架部分設(shè)計(jì)成主框架和次框架。主框架是一種大型的跨層框架，每隔6~10層設(shè)置一根大截面梁，每個(gè)3~4個(gè)開間設(shè)置一根大截面框架柱（如圖1）。主框架大梁之間的幾個(gè)樓層，則另設(shè)置柱網(wǎng)尺寸較小的次框架。此框架僅負(fù)擔(dān)著幾個(gè)樓層的豎向荷載，并將它傳給主框架大梁，而這些樓層的水平荷載則通過各層樓蓋直接傳到框架上。因?yàn)榇丝蚣艿闹嘈?、荷載小，又不承擔(dān)水平荷載，因而梁、柱截面可以做的很小，以利于樓面的合理使用。主框架各大梁之間的各個(gè)次框架是相互獨(dú)立的，因而柱網(wǎng)的形式和尺寸均可互不相同，某些樓層也可以按照使用空間的需要抽去一些柱子，擴(kuò)大柱網(wǎng)。小框架的柱子甚至可以全部在其頂層樓蓋處中止，從而形成一個(gè)擴(kuò)大到整個(gè)樓面的無柱大空間，用作大會議室或展覽廳。荷載由巨型框架結(jié)構(gòu)集中承受，巨型柱或桁架梁承受很大的荷載，巨型框架構(gòu)件比同規(guī)?？蚣軜?gòu)件大，板厚也較大。在鋼筋混凝土巨型框架結(jié)構(gòu)中，主框架的柱和梁通常采用實(shí)心截面。從經(jīng)濟(jì)、合理的角度考慮，梁、柱的截面尺寸又不能做的很大。因此，這種框架抵抗抵抗水平剪力的能力有限，用于強(qiáng)臺風(fēng)或較高烈度地震區(qū)的高層建筑時(shí)，必須與抗震墻或筒體相配合，組成類似于框架-剪力墻體系或內(nèi)筒-外框架體系的巨型框架結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)巨型框架，是直斜桿等組合其中的巨型柱與巨型梁的大框架，無論對豎向荷載或水平荷載，巨型框架承受主要荷載，因此，巨型框架以外的部分，可形成比較自由的空間結(jié)構(gòu)。其次，鋼結(jié)構(gòu)巨型框架結(jié)構(gòu)與一般的高層建筑所使用的純框架結(jié)構(gòu)或框架-支撐結(jié)構(gòu)相比，具有剛度大的特點(diǎn)。即使是寬度與長度之比較大的細(xì)長比例結(jié)構(gòu)，在風(fēng)和地震力作用下也很難搖晃。利用這些特征，可實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置少柱的大辦公室空間，不僅留出下層部立體人行道的空間，在上層也可設(shè)置大的中庭。鋼結(jié)構(gòu)巨型框架結(jié)構(gòu)類型及應(yīng)用組合式巨型鋼結(jié)構(gòu)框架將巨型框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑，采用鋼結(jié)構(gòu)組合柱、鋼桁架組合梁作為巨型鋼結(jié)構(gòu)的巨型梁和巨型柱，充分利用高強(qiáng)度高性能鋼材，可顯著提高巨型框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度。在超高層建筑中采用有鋼結(jié)構(gòu)巨型框架結(jié)構(gòu)，巨型組合柱和巨型桁架梁本身就可以提供足夠的抗側(cè)移剛度，無需再設(shè)置剪力墻或核心筒體結(jié)構(gòu)以提高整體結(jié)構(gòu)的抗衡抗震能力。鋼結(jié)構(gòu)巨型框架結(jié)構(gòu)中，在何處配置構(gòu)成框架的巨型柱以及巨型梁成為問題所在。利用巨型梁剛度與高度較大的特點(diǎn)，可作為機(jī)械設(shè)備和書庫等荷載大的房間。其次，巨型柱中，設(shè)置緊急電梯、避難樓梯及設(shè)備通風(fēng)井。將巨型框架結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)備規(guī)劃相融合，隨樓層而上，設(shè)備減少，巨型柱也隨之減少，使空間更高的自由度。東日本國鐵公司大廈于1997年9月建成，是采用巨型鋼框架結(jié)構(gòu)的典型建筑。該建筑高達(dá)150.15m，由于使用了巨型框架結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置了26mX21m和26mX11m的無柱空間?？蚣芷拭鎴D如圖2所示。

21?2L「26—2Ll2^_Jl2Ll2Ll21―'21?2L「26—2Ll2^_Jl2Ll2Ll21―'T■3NT20—^lk118_”16—T^113―'■T2IT70~9~-8-~T~■6"5"(b)長跨方向剖面6400640064006400640064006400(a)短跨方向剖面圖2組合式巨型框架剖面圖吊掛式巨型框架鋼結(jié)構(gòu)以寶潔日本總公司技術(shù)中心為例，介紹吊掛式巨型框架結(jié)構(gòu)。本建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)架設(shè)計(jì)，采用以6層高作為一個(gè)單元的鋼結(jié)構(gòu)巨型吊掛式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)造成的空間無論在平面上還是在里面上都有很大的自由度；同時(shí)，這個(gè)巨型結(jié)構(gòu)露出在建筑的外部，創(chuàng)造出一個(gè)標(biāo)志性的建筑外觀。吊掛式巨型結(jié)構(gòu)設(shè)在南北服務(wù)中心之間。高層部分的面積為39.6mX23.3m,低層部分面積為39.6mX14.3m，內(nèi)部是完整的無柱空間。因?yàn)椴捎昧说鯍焓骄扌徒Y(jié)構(gòu)，也增大了垂直方向上建筑布置的自由度，而且可以在巨型結(jié)構(gòu)的單元中插入完全開放的內(nèi)部空間。1~4層的門廳、11~12層的圖書室及15~16層的食堂就是分別具有4層和2層高度的自由的空間。底層部分的中庭也是從底層的進(jìn)廳到11層的連續(xù)空間，平面尺度9mX28m，高42m,可以是來自上部的自然光進(jìn)入辦公室空間。巨型結(jié)構(gòu)的柱、梁以及吊掛支撐都采用組合箱形截面，梁柱截面為900mmX

1200mm。支撐截面為900mmX1100mm,板厚為19?100mm。在設(shè)計(jì)這些構(gòu)件時(shí)，使得在遭遇500年一遇的地震時(shí)也能保持各構(gòu)件的彈性狀態(tài)。桁架轉(zhuǎn)換層式巨型鋼結(jié)構(gòu)框架將巨型鋼桁架應(yīng)用于高層建筑轉(zhuǎn)換層,使上部荷載通過桁架弦桿傳遞到下部結(jié)構(gòu),使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上、下的空間布置具有更大的自由度,同時(shí),桁架轉(zhuǎn)換層有利于大型管道等設(shè)備系統(tǒng)的布置,使轉(zhuǎn)換層建筑空間得到充分利用。桁架轉(zhuǎn)換層,通常采用單層或疊層桁架結(jié)構(gòu),單層桁架可采用等節(jié)間空腹桁架、不等節(jié)間空腹桁架、混合空腹桁架等；疊層桁架有多個(gè)單層桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）疊合組成。典型結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。（a）疊層空腹桁架結(jié)構(gòu)（a）疊層空腹桁架結(jié)構(gòu)（b）疊層混合桁架結(jié)構(gòu)圖3桁架轉(zhuǎn)換層式舉行框架結(jié)構(gòu)于1993年2月建成于日本東京的兼松大廈,即采用此種結(jié)構(gòu)形式。由4根巨型柱和近乎橋梁規(guī)模的桁架（巨型桁架）構(gòu)成巨型框架高25m左右,由此承擔(dān)上部10層的全部荷重。參見圖4。

鋼結(jié)構(gòu)1巨型柱上部結(jié)構(gòu)2巨型桁架（10層）3系梁4基礎(chǔ)鋼骨混凝結(jié)構(gòu)2鋼結(jié)構(gòu)1巨型柱上部結(jié)構(gòu)2巨型桁架（10層）3系梁4基礎(chǔ)鋼骨混凝結(jié)構(gòu)2下部自由空間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)L3*5-4地下部分圖4兼松大廈巨型框架結(jié)構(gòu)示意圖巨型桁架部分在4根巨型柱上架設(shè)主桁架，內(nèi)部由次桁架組成井格型，目的是讓建筑物在平面上接近正方形，以使四周的主桁架、巨型柱在承受垂直荷載時(shí)以及地震荷載引起的附加軸力時(shí)，能達(dá)到受力均勻。聯(lián)體超高層巨型框架單體超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑由于自身長細(xì)比較大，結(jié)構(gòu)在風(fēng)載和水平地震力作用下橫向側(cè)移較大，將巨型框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于聯(lián)體超高層建筑，通過設(shè)置在兩棟單體高層建筑之間的巨型桁架連接結(jié)構(gòu)，可明顯減小高層建筑頂部迎風(fēng)面的水平變形，減小風(fēng)荷載的傾覆力矩。如圖5。（a）單體模型（b）聯(lián)體模型圖5傾覆彎矩比較圖（w喲為w的50%?70%）

于1993年3月在日本大阪建成的梅田摩天大樓采用此結(jié)構(gòu)體系，是兩幢超高層大樓用空中庭院連接的世界最早的連體式超高層建筑。該大樓由相隔54m的兩幢樓組成，西樓下部平面33mX54m，標(biāo)準(zhǔn)層平面27mX54m；東樓平面為27mX54m；兩樓從39到40層是剛性連接的空中花園。高層辦公樓部分地上地下都是鋼結(jié)構(gòu)?？罩型@由橫跨南北、連接?xùn)|西兩樓、高及39、40兩層樓的兩個(gè)巨型桁架、剛性井格梁組成，它承受自身重量，同時(shí)把東西兩樓剛性的連接起來。見圖6。n空中庭院外側(cè)剖面n空中庭院外側(cè)剖面i900,匚“““24000~9000900018000330005400027000圖6梅田摩天大樓框架示意圖在聯(lián)體超高層中，空中庭院發(fā)揮的主要結(jié)構(gòu)功能是：通過兩樓間的剛性連接，是水平荷載在2幢樓之間相互傳遞、并使兩棟有較大高寬比的大樓在梁跨方向連接后提高抗彎扭的能力。連接效果尤其反映在沿兩樓連接方向作用風(fēng)荷載時(shí)，對于單獨(dú)一幢超高層，由于高寬比大、迎風(fēng)面大，這是不利的外力方向；但由于兩樓并立，共同承擔(dān)僅與一幢樓同程度的風(fēng)力，加上頂部的抗彎扭約束，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力，特別是傾覆力矩以及變形，與單獨(dú)一幢樓的情況相比大幅度減?。ㄒ妶D5）。1995年1月神戶發(fā)生震級為7級的阪神大地震，本建筑離震中不遠(yuǎn)，但建筑物主體甚至包括幕墻都絲毫無損，證實(shí)了聯(lián)體超高層的安全性和連接效果?？拐鹪O(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析巨型框架結(jié)構(gòu)可以看成是巨大的多層框架結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下，其變形相類似。巨型框架與普通框架的差別在于（1）將組合柱、桁架梁看作是普通多層框架構(gòu)件來分析時(shí)，主框架梁柱比次級框架梁柱剛度大得多，因此，在次框架構(gòu)件與主框架構(gòu)件連接點(diǎn)處，存在剛域；（2）次級框架作為巨型框架的一部分，參與整體計(jì)算。巨型框架結(jié)構(gòu)體系分析時(shí)可采用以下計(jì)算假定：（1）假定次框架層樓板在自身平面內(nèi)剛度無限大，出平面剛度忽略不計(jì)；主框架層不考慮樓板剛度，而是根據(jù)桁架弦桿的變形來分析彎曲變形效果。（2）假定次框架梁、柱剛度很??；（3）主、次框架只考慮自身平面內(nèi)的剛度，出平面的剛度忽略不計(jì)。結(jié)構(gòu)靜力分析時(shí)，可采用三維或二維桿件模型；在進(jìn)行抗風(fēng)抗震動力分析時(shí)，可將結(jié)構(gòu)等效成每層作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的彎剪模型或剪切模型，巨型梁節(jié)點(diǎn)質(zhì)量較大。結(jié)構(gòu)分析時(shí)，推薦進(jìn)行以下步驟：（1）荷載分析對永久荷載、動荷載、風(fēng)荷載、地震荷載進(jìn)行分析；對施工荷載進(jìn)行分析，此階段很重要，有條件應(yīng)模擬施工過程進(jìn)行階段受力分析，應(yīng)考慮在巨型框架梁未安裝完成前，次級框架的受力情況和整個(gè)體系受力特征。（2）彈性分析豎向荷載、豎向、水平地震力作用分析，抗風(fēng)計(jì)算及結(jié)構(gòu)變形分析等。（3）彈塑性分析以彈性分析后設(shè)計(jì)的構(gòu)件為基礎(chǔ)，進(jìn)行構(gòu)件的彈塑性增量分析，以了解構(gòu)件端部的彈塑性性能，以次為基礎(chǔ)進(jìn)行最大級地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性應(yīng)用分析，確認(rèn)此時(shí)結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生塑性鉸。（4）有限元分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算之后，利用有限元分析軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)整體受力及變形進(jìn)行模擬分析，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果；并通過有限元分析方法對關(guān)鍵構(gòu)件及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，更明確的掌握了解構(gòu)件各階段的應(yīng)力狀態(tài)。巨型框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用高性能鋼材可以減小構(gòu)件的板厚，縮小構(gòu)件斷面；新型輕質(zhì)裝飾材料的應(yīng)用，也可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，大大提高結(jié)構(gòu)整體的抗風(fēng)抗震性能。巨型框架鋼結(jié)構(gòu)的安裝巨型框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝，一般采用逐層垂直吊裝法，或采用地面拼裝，整體吊裝或頂升的方法進(jìn)行施工。施工時(shí)，易產(chǎn)生如下問題：（1）構(gòu)件質(zhì)量巨大，安裝位置高，為確保施工安全，需要建造大規(guī)模高強(qiáng)度的臨時(shí)支架；（2）高空作業(yè)，安全問題突出因此，巨型框架鋼結(jié)構(gòu)的安裝的施工工藝有待進(jìn)一步的探討和實(shí)踐。6結(jié)束語巨型框架鋼結(jié)構(gòu)建筑，使建筑外形設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，外露的巨型框架構(gòu)件本身就是力與美的展現(xiàn)，隨著新