高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

人口增長，住房緊張，地價昂貴，導(dǎo)致高層和超高層建筑迅速發(fā)展。50層--100層--？1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)性能的特點（和鋼筋混凝土相比）自重輕抗震性能良好能更充分地利用建筑空間建造速度快防火性能較差耐久性差1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點設(shè)計中要求更加注意對變形的控制，如頂點側(cè)移層間側(cè)移等；設(shè)計中要求采用更準(zhǔn)確和完善的設(shè)計方法，如考慮P-Δ效應(yīng)的非線性分析方法、罕遇地震的彈塑性時程分析方法；1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)體系的特點結(jié)構(gòu)體系：抗重力系統(tǒng)+抗水平側(cè)力系統(tǒng)為確保結(jié)構(gòu)整體工作，需設(shè)置水平剛性樓板柱腳應(yīng)與基礎(chǔ)可靠嵌固結(jié)構(gòu)荷載的特點水平荷載是設(shè)計控制荷載；風(fēng)荷載和地震荷載1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)的特點風(fēng)荷載和地震荷載性質(zhì)不同：風(fēng)荷載為直接施加在建筑物表面的風(fēng)壓，其值與建筑物的體形、高度及地形地貌有關(guān)，高層鋼結(jié)構(gòu)一般屬于柔性建筑，自振周期較長，可能由于風(fēng)振產(chǎn)生動力作用，可引入風(fēng)振系數(shù)后按靜載簡化計算，風(fēng)荷載作用時間長、頻率高，要求結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下處于彈性階段；1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)的特點風(fēng)荷載和地震荷載性質(zhì)不同：地震荷載是地震時地面運動迫使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時產(chǎn)生并作用于自身的慣性力，與建筑物質(zhì)量、自振特性和場地土條件有關(guān)，其動力反應(yīng)影響較大，必須按動力效應(yīng)分析計算，“大震不倒、小震不壞”；1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)體系包括各層樓蓋平面內(nèi)梁格系統(tǒng)和豎直平面內(nèi)梁、柱組成的平面剛接框架體系；結(jié)構(gòu)體系的整體性取決于梁、柱的剛度、強度以及節(jié)點剛接構(gòu)造的可靠性；層數(shù)、層高和柱距是結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮的主要因素；對30層左右的樓房較為合適。1.體系和布置框架結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系水平荷載是剛接框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載，水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形由彎曲變形和剪切變形兩部分組成，后者可占總水平位移的80%。優(yōu)點是建筑平面布置靈活，適用于各類建筑；缺點是側(cè)向剛度較差，在風(fēng)荷載或地震荷載作用下，層間側(cè)移較大。1.體系和布置框架結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系剪力墻是承受水平剪力、控制結(jié)構(gòu)水平側(cè)移的行之有效的結(jié)構(gòu)措施；剪力墻包括鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻及剛度較大的支撐；1.體系和布置框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系在水平荷載作用下，框架受彎，剪力墻受剪，共同承受水平荷載作用；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)適用于40層左右的高層鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高于40層時，應(yīng)采取加強和改進(jìn)措施，如在樓高度適當(dāng)位置加設(shè)水平層桁架；1.體系和布置框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系將幾何尺寸較大的外圈柱網(wǎng)組成能夠承受水平荷載的筒體，由該外筒體承受水平荷載，筒體內(nèi)框架梁柱承受豎向荷載；外筒可做成框架式筒或桁架式外筒，框架式外筒采用密排的柱和各層樓蓋處的梁剛接而成的密間距矩形網(wǎng)格，四周成圈，形成懸臂筒，適合高度為80層；桁架式外筒通過在框架式外筒的基礎(chǔ)上設(shè)置支撐構(gòu)件，增大筒體剛度，適合高度為100層。剪力滯后現(xiàn)象；1.體系和布置外筒式結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系除外筒外，在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)設(shè)置剪力墻式的內(nèi)筒（核心筒）進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，即為筒中筒結(jié)構(gòu)體系。樓蓋把外筒和內(nèi)筒聯(lián)合為整體，共同承擔(dān)水平和豎向荷載，筒中筒體系的適合高度為100層左右。1.體系和布置筒中筒結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系將多個筒體排列成整體，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平和豎向荷載，就形成了筒束結(jié)構(gòu)體系，可以改善剪力滯后現(xiàn)象，適用高度為110-120層，采用桁架式筒束結(jié)構(gòu)時，高度可達(dá)140層。1.體系和布置筒束結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系鋼外框架-鋼筋混凝土核心筒體系鋼筋混凝土核心筒承受全部側(cè)向荷載，鋼外框架僅承受豎向荷載優(yōu)點：鋼外框架不承受水平荷載，節(jié)點構(gòu)造簡單，跨度大，建筑布置方便靈活；缺點：核心筒布置不靈活，側(cè)向剛度不夠大；適用高度20-40層1.體系和布置鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)體系鋼筋混凝土外框筒-鋼內(nèi)框架體系鋼筋混凝土外筒承受全部側(cè)向荷載，鋼內(nèi)框架僅承受豎向荷載優(yōu)點：鋼內(nèi)框架不承受水平荷載，節(jié)點構(gòu)造簡單，跨度大，建筑布置方便靈活；混凝土外筒隔熱性能好，節(jié)能降耗。同時，鋼筋混凝土外筒抗扭剛度較大，故對結(jié)構(gòu)外形不要求完全對稱，平面布置較為靈活。適用高度50-80層1.體系和布置鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)布置建筑平面及體型宜簡單規(guī)則：力求抗側(cè)力中心與水平荷載中心重合，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；建筑開間、進(jìn)深應(yīng)盡量統(tǒng)一，減少構(gòu)件規(guī)格，便于制作和安裝。平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)包括：任意一層結(jié)構(gòu)偏心率大于0.15；結(jié)構(gòu)平面形狀有凹角，凹角部分兩個方向的長度都超過建筑物尺寸的25%；樓面不連續(xù)或有剛度突變，如開洞面積超過該層總面積的50%；抗側(cè)力構(gòu)件不平行也不對稱于抗側(cè)力體系的主軸。1.體系和布置結(jié)構(gòu)平面布置

高層鋼結(jié)構(gòu)布置高層建筑宜選用風(fēng)壓較小的平面形狀，風(fēng)荷載計算時應(yīng)考慮相鄰建筑的影響，應(yīng)避免風(fēng)荷載引起的橫向振動。高層建筑宜優(yōu)先采用方形、圓形、矩形及其他對稱平面。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置抗震縫或伸縮縫。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在平面布置中宜設(shè)置中心結(jié)構(gòu)核心，樓梯、電梯、管道等宜設(shè)置于結(jié)構(gòu)核心中，不宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)角部或端部。1.體系和布置結(jié)構(gòu)平面布置

高層鋼結(jié)構(gòu)布置高層鋼結(jié)構(gòu)豎向布置應(yīng)力求結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量均勻，規(guī)則。豎向布置不規(guī)則的情況包括：樓層剛度小于相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低超過50%；相鄰樓層有效質(zhì)量之比超過1.5，輕屋蓋除外；立面收進(jìn)部分尺寸較大時；豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)；任一樓層抗側(cè)力構(gòu)件總抗剪承載力小于相鄰上層的80%。1.體系和布置結(jié)構(gòu)豎向布置

高層鋼結(jié)構(gòu)布置高層鋼結(jié)構(gòu)的樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性，保證樓板與鋼梁可靠連接。對轉(zhuǎn)換樓層、設(shè)備、管道洞口較多的樓層或建筑物有較大天井時，應(yīng)采用水平剛性支撐、水平桁架或其他措施對樓板進(jìn)行加強，增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。設(shè)防烈度為7度或以上時，各種幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)采用柔性連接，避免增大主體結(jié)構(gòu)剛度。室外的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)采取隔熱和防火措施，減少溫度應(yīng)力的影響。1.體系和布置結(jié)構(gòu)布置其它要求

高層鋼結(jié)構(gòu)材料選用高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材力學(xué)性能保證項目基本保證項目：抗拉強度，屈服點，伸長率，冷彎試驗，沖擊韌性，板厚方向斷面收縮率抗震結(jié)構(gòu)鋼材附加規(guī)定：強屈比>=1.2，明顯的屈服臺階，伸長率>20%，可焊性1.體系和布置

高層鋼結(jié)構(gòu)材料選用化學(xué)成分保證項目除對鋼材的一般要求外，還應(yīng)將碳、硫、磷等3項化學(xué)成分作為保證項目。鋼材的選用宜用：Q235B、C、D，Q345B、C、D、E不宜用：Q235A，Q345A，Q390(15MnV)，15MnVq(橋)，16Mnq1.體系和布置豎向荷載：按荷載規(guī)范相關(guān)條文選取風(fēng)荷載地震作用2.荷載及荷載組合

風(fēng)荷載基本風(fēng)壓乘以1.1或1.2風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)荷載體型系數(shù)按規(guī)范取值，并應(yīng)考慮相鄰建筑影響，H0>=H/2時,增大系數(shù)d<=H0,1.3/d>=2H0,1.0，中間值內(nèi)插，必要時進(jìn)行風(fēng)洞試驗沿高度為等截面時，順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)按規(guī)范規(guī)定取值，頂部有小體型的突出部分（如電梯井、瞭望塔）時，確定風(fēng)振系數(shù)時應(yīng)考慮鞭梢效應(yīng)。圓筒形高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，可能發(fā)生橫風(fēng)向的渦流共振現(xiàn)象。2.荷載及荷載組合

地震作用三水準(zhǔn)，兩階段：小震不壞，中震可修，大震不倒；多遇地震作用下的承載力和變形驗算-底部剪力法/振型分解反應(yīng)譜法/時程分析法；罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算-時程分析法/推倒分析方法。2.荷載及荷載組合

地震作用第一階段抗震設(shè)計的原則：沿結(jié)構(gòu)兩個主軸方向分別考慮水平地震作用，各方向的水平地震作用全部由該方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)；有斜交抗側(cè)力構(gòu)件時，宜分別沿各抗側(cè)力構(gòu)件方向考慮水平地震作用；應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)偏心引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；2.荷載及荷載組合

地震作用第一階段抗震設(shè)計的原則：對8度及以上、平面特別不規(guī)則的高層鋼結(jié)構(gòu)，宜按雙向水平地震同時作用進(jìn)行抗震分析；9度設(shè)防的高層鋼結(jié)構(gòu)及8度及以上高層鋼結(jié)構(gòu)中的大跨度和長懸臂構(gòu)件應(yīng)考慮豎向地震作用；高層鋼結(jié)構(gòu)體型過于復(fù)雜，不能按平面結(jié)構(gòu)分析時，可進(jìn)行三維空間分析，并考慮結(jié)構(gòu)空間振型及其耦連作用。2.荷載及荷載組合

地震作用振型分解反應(yīng)譜法第一階段抗震設(shè)計地震影響系數(shù)重力荷載代表值參與組合振型數(shù)組合方式基本周期的估算2.荷載及荷載組合

地震作用參與組合振型數(shù)及組合方式空間振型9-15階，CQC法平面振型至少3階，SRSS法2.荷載及荷載組合振型分解反應(yīng)譜法

地震作用基本周期的估算2.荷載及荷載組合振型分解反應(yīng)譜法uT為各層重力荷載為各層水平集中荷載時結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生的最大水平位移（m)ξT考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件周期修正系數(shù)，0.9初步設(shè)計時

地震作用時程分析法彈性時程分析法/彈塑性時程分析法；地震波應(yīng)反映當(dāng)?shù)貓龅靥匦?，實測地震波或人工模擬地震波；地震波持時不宜過短，10-20s；加速度峰值根據(jù)設(shè)防烈度取值（比例調(diào)整法和綜合調(diào)整法）；2.荷載及荷載組合

地震作用時程分析法時間步長不宜超過地震波卓越周期的1/10及0.02s，可按步長減半計算后結(jié)構(gòu)反應(yīng)無明顯變化的原則確定；高層鋼結(jié)構(gòu)阻尼比：第一階段0.02，第二階段0.05；高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響；2.荷載及荷載組合

地震作用時程分析法高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析可采用桿系模型或?qū)娱g模型。采用桿系模型時，梁柱恢復(fù)力模型可采用二折線，不考慮剛度退化，鋼筋混凝土剪力墻、核心筒等采用二折線或三折線，考慮剛度退化，鋼支撐和耗能連梁應(yīng)按構(gòu)件特性確定其恢復(fù)力模型；采用層間模型時，可采用靜力彈塑性分析確定結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型的骨架曲線，靜力彈塑性分析的水平力分布應(yīng)與地震力分布一致或接近。2.荷載及荷載組合

荷載效應(yīng)組合2.荷載及荷載組合不考慮地震的組合：

考慮地震的組合：

一般原則與基本假定高層鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移一般按彈性方法計算，并考慮各種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，罕遇地震作用下允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析；通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋，可假定其在自身平面內(nèi)為絕對剛性，相應(yīng)地，在設(shè)計中應(yīng)采取構(gòu)造措施保證樓板剛度；3.內(nèi)力與位移分析

一般原則與基本假定樓板與鋼梁連接，在彈性分析中，考慮二者共同工作，在彈塑性分析中，樓板可能開裂，不宜按共同工作考慮；高層鋼結(jié)構(gòu)計算模型應(yīng)按具體結(jié)構(gòu)形式采用平面或空間模型；3.內(nèi)力與位移分析

一般原則與基本假定在內(nèi)力和位移計算中，應(yīng)考慮梁柱彎曲變形和柱軸向變形，梁軸力一般較小，可不考慮梁的軸向變形，高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件長度一般較小，應(yīng)考慮梁柱的剪切變形；梁柱節(jié)點域剪切變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小，但對結(jié)構(gòu)側(cè)移影響較大，應(yīng)根據(jù)節(jié)點域剛度對結(jié)構(gòu)側(cè)移進(jìn)行修正；3.內(nèi)力與位移分析

一般原則與基本假定一般情況下，柱間支撐按兩端鉸接考慮，偏心支撐中的耗能梁段應(yīng)取為單獨單元；現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻可按獨立豎向懸臂彎曲構(gòu)件考慮，剪力墻開孔較規(guī)則時，按帶剛域的框架考慮，開孔較為復(fù)雜時，可采用平面有限元法分析；沿結(jié)構(gòu)平面兩個主軸方向分別計算水平地震效應(yīng)時，共有鋼柱內(nèi)力應(yīng)按提高30%計算。3.內(nèi)力與位移分析

計算分析方法平面或空間的有限單元法：桿單元、梁單元、板單元近似計算方法：框架結(jié)構(gòu)/框架-剪力墻結(jié)構(gòu)/框筒結(jié)構(gòu)……3.內(nèi)力與位移分析

整體穩(wěn)定驗算3.內(nèi)力與位移分析不驗算整體穩(wěn)定性的條件：結(jié)構(gòu)各樓層的柱子平均長細(xì)比和平均軸壓比滿足：按一階線彈性計算的各樓層層間相對位移值

整體穩(wěn)定驗算3.內(nèi)力與位移分析整體穩(wěn)定的驗算方法有支撐且Δu/h=<1/1000的結(jié)構(gòu)，可按有效長度法驗算；無支撐結(jié)構(gòu)和Δu/h>1/1000的有支撐結(jié)構(gòu)，可采用能反映P-Δ效應(yīng)的二階分析方法驗算；

位移限值及舒適度驗算3.內(nèi)力與位移分析位移限值不考慮地震作用：1/500；1/400多遇地震作用：1/250罕遇地震作用：1/70舒適度驗算高層鋼結(jié)構(gòu)在水平脈動風(fēng)作用下，其水平運動加速度應(yīng)滿足居住舒適度的要求；頂點加速度限值：公寓0.2m/s2;公共建筑0.3m/s2;順風(fēng)向及橫風(fēng)向頂點加速度計算公式

梁的設(shè)計4.構(gòu)件及節(jié)點設(shè)計梁的抗彎強度；梁的穩(wěn)定性；梁的側(cè)向支撐點（塑性鉸區(qū)域）；梁的局部穩(wěn)定性（一般區(qū)域和塑性鉸區(qū)域）；多遇地震下的承載力驗算時，托柱梁內(nèi)力增大系數(shù)1.5

軸心受壓柱4.構(gòu)件及節(jié)點設(shè)計軸心受壓柱的穩(wěn)定性；λ<=120。

框架柱偏心受壓柱的強度和穩(wěn)定性；框架柱的計算長度：柱與上、下端匯交的梁的線剛度之和的比值決定框架柱計算長度，如有兩端鉸接柱，計算長度應(yīng)乘以放大系數(shù)4.構(gòu)件及節(jié)點設(shè)計

框架柱強柱弱梁驗算；局部穩(wěn)定（板件寬厚比）；梁柱連接處應(yīng)設(shè)置與梁上下翼緣相對的加勁肋；設(shè)防烈度7度及以上，λ<=60-80；設(shè)防烈度6度或不抗震，λ<=120；多遇地震下的承載力驗算時，與抗震墻相連的框架柱內(nèi)力增大系數(shù)1.5