【钢结构·技术】高层钢结构设计实例分析 本文授权转载自公众号小钢学社 作者：容柏生事务所魏捷 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。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。
作者：容柏生事务所魏捷
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。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、国内近年部分钢结构的工程实例
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
180米 40层
钢框架——支撑体系
厦门帝景苑
249米 60层
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）
抗侧力的构件主要有：钢支撑，钢板墙，边框柱和钢板组成的筒体。
与砼结构比较实例
三、高层钢结构的规范依据
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）
《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2010
四、高层建筑钢结构的适用高度
五、《抗规》和《高钢规》引入抗震等级的概念
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）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
单斜杆支撑
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。
《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）。
工作原理
《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。”
约束屈曲支撑试验图片
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： 易满足建筑功能（墙厚较薄）；刚度较大；需采取措施防止 平面外屈曲。
外包砼的钢板墙
含加劲肋的钢板墙
简化计算方法
2、抗侧力构件汇总
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。
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、钢结构舒适度的控制
超高层钢结构刚度小、自振周期长。在风荷载较大的沿海地区，舒适度不容易满足要求。
规范规定：住宅0.15m/s2，办公0.20m/s2
解决舒适度问题的途径：1、提高结构刚度；2、加大结构阻尼
阻尼器的设置
粘滞阻尼器剖面示意图
阻尼器的设置原理
厦门帝景苑阻尼器的设置
本结构加设阻尼器的主要目的在于满足脉动风荷载下结构的舒适度，而舒适度则根据楼层加速度来评估。根据风洞试验报告，结构X方向的楼层加速度已经满足0.15m/s2的限值要求，Y方向结构62层的加速度则超过了0.2 m/s2。
考虑了两种阻尼器减震方案。方案一为在结构的Y方向全楼范围内隔层布置阻尼器，每层对称布置两套套索连接的阻尼器，共计56套阻尼器，具体布置情况见图2。方案一所用阻尼器吨位较小，但数量较多；为了尽可能不对建筑的外观和使用功能造成影响，方案二将8个大吨位的阻尼器分别加设在结构中部的两个加强层，具体布置情况见图3。
方案一和方案二的阻尼器参数分别为1500kN(s/m)0.3和13000kN(s/m)0.3。
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