高層鋼結構體系與結構概念設計

高層鋼結構設計鋼結構(2)–鋼結構設計第一講

高層鋼結構體系與結構概念設計第二講高層鋼結構材料與荷載作用第三講高層鋼結構分析

(1)結構分析

(2)結構驗算第四講高層鋼結構構件設計第五講高層鋼結構節(jié)點設計第六講高層鋼結構防護與施工

講授內容【1】鄭延銀，高層鋼結構，機械工業(yè)出版社。【2】陳富生，邱國樺，范重，高層建筑鋼結構設計，

中國建筑工業(yè)出版社?！?】鐘善桐，高層鋼管混凝土結構，黑龍江科學技術出版社。【4】周堅，高層建筑結構力學，機械工業(yè)出版社。【5】王國周、瞿履謙，鋼結構-原理與設計，清華大學出版社?！?】鋼結構設計規(guī)范，GB50017-2003?！?】高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程，JGJ99-98?！?】建筑抗震設計規(guī)范，GB50011-2001。

參考文獻1.1高層鋼結構現(xiàn)狀與發(fā)展1.2高層鋼結構體系1.3高層鋼結構概念設計第一講:高層鋼結構體系

與結構概念設計1、高層建筑的定義中國：住宅為10層及10層以上，其他建筑≥24m；蘇聯(lián)：住宅為10層及10層以上，其他建筑為7層；美國：22-25m，或7層以上；法國：住宅＞50m，其他建筑＞28m；英國：24.3m;

日本：11層，31m；德國：≥22m(從室內地面起)；比利時：25m(從室內地面起).

國際上把高度在30層或100m以上的高層建筑稱為超高層建筑。第一講:高層鋼結構體系

與結構概念設計2、世界100棟超高層(225m以上)▲鋼或鋼-砼混合結構，純混凝土結構僅十余棟?！R來西亞吉隆坡雙塔，88層，高450m.▲朝鮮平壤柳京大廈，101層，高300m.▲Skidmore,Owings&Merrill設計13棟；CesarPelli設計6棟.▲日本計劃興建空中城市，高度可達1000m，可以同時居住數(shù)萬至幾十萬人.第一講:高層鋼結構體系

與結構概念設計1.1.1高層建筑鋼結構的發(fā)展概況

據(jù)文獻統(tǒng)計，在全世界100幢最高建筑物中，全鋼結構占58幢，鋼與混凝土混合結構占26幢，兩項合計占總數(shù)的84%，鋼筋混凝土結構僅占16%；目前的統(tǒng)計資料顯示，高層鋼結構所占比例有所增加。世界十大高樓中（見表1-1），要么是全鋼結構，要么是以鋼結構為主的混合結構?？梢姼邔咏ㄖ?，特別是超高層建筑最適合的結構類型應是鋼結構或以鋼為主的混合或組合結構。這充分體現(xiàn)了該結構類型具有廣闊的發(fā)展前景。1.1高層鋼結構現(xiàn)狀與發(fā)展表1-2為日本部分超高層建筑構想。表1-1目前（到2004年）世界10幢最高的高層建筑

序號建筑物城市建成年份層數(shù)高度(m)材料用途1101大廈臺北2004101508鋼/砼多功能2雙塔大廈吉隆坡199788452鋼/砼多功能3西爾斯大廈芝加哥1974110443鋼辦公樓4金茂大廈上海199888421鋼/砼多功能5世界貿易中心北樓紐約1972110417鋼辦公樓6世界貿易中心南樓紐約1973110415鋼辦公樓7瑞凱特廣場吉隆坡199877382鋼/砼多功能8帝國大廈紐約1931102381鋼辦公樓9中心廣場香港199278374鋼/砼辦公樓10中國銀行大廈香港198872368鋼/砼辦公樓臺北101大廈

吉隆坡雙塔大廈美國西爾斯大廈上海金貿大廈美國約翰漢考克大廈美國世貿中心大廈美國帝國大廈深圳帝王大廈香港中國銀行大廈香港匯豐銀行大廈法蘭克福商業(yè)銀行中心新大樓

中國超高層建筑

▲上海金茂大廈88層，421m（世界第3）.▲香港中環(huán)廣場78層，374m（世界第6）.▲香港中國銀行70層，369m（世界第7）.▲臺灣高雄銀行85層，348m（世界第8）.▲深圳地王大廈81層，325m（世界第11）.▲廣州中天廣場80層，320m（世界第12）.▲深圳賽格廣場65層，300m（世界第20）.▲香港皇后大道中心69層，292m（世界第23）.▲香港ChengKong中心64層，283m（世界第30）.Ⅳ、《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程（JGJ99—98）》表1-2日本部分超高層建筑構想

建筑物名稱設計單位層數(shù)高度(m)材料結構形式TAK-600竹中工務店106600鋼不詳DIB-200鹿島建設200800鋼分離式巨型筒體MillenniumTower大林組150800鋼圓錐形巨型桁架筒體空中城市1000竹中工務店不詳1000鋼巨型框架+巨型桁架空中大都會2001大林組5002001鋼巨型框架TRY-2004空中都市清水建設不詳2004鋼不詳X-SEED4000大成建設8004000鋼不詳1.1.2高層建筑鋼結構的設計特點

（1）水平荷載成為決定因素

圖1-1荷載內力與側移

豎向荷載作用下的最大軸力：

水平均布荷載作用下的最大彎矩：

水平倒三角形分布荷載作用下的最大彎矩：圖1-2高層建筑結構用鋼量隨層數(shù)的變化圖1-2為風荷載作用下的5跨鋼框架各分項用鋼量隨房屋層數(shù)而變化的示意圖，從中可見水平荷載的影響遠遠大于豎向荷載的影響，而且隨著房屋層數(shù)的增加而急劇增加。（2）結構側移可能成為控制指標由圖1-1所示的計算簡圖確定的結構頂點側移為：水平均布荷載作用時

水平倒三角形分布荷載作用時

從上式可以看出，結構頂點側移△與結構總高度H的四次方成正比。這說明，隨著房屋高度的增加，水平荷載下結構的側向變形速率增大。因此，與較低房屋相比，結構側移已上升為高層建筑結構設計的關鍵因素，可能成為結構設計的控制指標。圖1-1荷載內力與側移（3）軸向變形不容忽視

1）支座產生沉陷效應圖1-3框架中連續(xù)梁的彎矩分布

2）下料長度調整

框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，這種軸向壓縮差異將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁的中間支座產生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大(a)中柱軸向變形??；(b)中柱軸向變形大；

考慮梁、柱節(jié)點域剪切變形后，其梁、柱彎矩均有所增加，側向水平位移增加顯著。與不考慮其剪切變形的情況相比，頂層絕對側移量增大8.8%，若以層間側移而論，第一層增大1.2%，第二層增大9.7%，頂層則可增大達25.7%左右。可見，在進行高層鋼框架的內力和側移計算時，不能忽視其梁、柱節(jié)點域的剪切變形影響。（4）梁柱節(jié)點域的剪切變形影響不能忽視1-4節(jié)點域變形對框架側移的影響(a)鋼框架節(jié)點域的剪切變形；(b)框架側移曲線；(c)層間側移曲線

（5）結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，除選用延性較好的材料外，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。（6）盡量選用空間構件

為使高層建筑適應各種使用情況的不同要求，在實際工作中，盡管出現(xiàn)多種結構體系，然而，組成這些結構體系的構件可歸納為線形構件、平面構件和空間構件3類基本形式，如圖1-5。

1）線形構件具有較大長細比的細長構件，稱為線形構件或線構件。線構件是組成框架-支撐體系、框架-剪力墻體系的基本構件。

2）平面構件具有較大橫截面寬厚比的片狀構件，稱為平面構件或面構件。面構件是組成框架-剪力墻體系、框架-核心筒體系的基本構件。圖1-5抗側力構件的基本形式

(a)線形構件；(b)實體平面構件；(c)桿系平面構件；(d)空間構件（一）；(e)空間構件（二）3）空間構件由線構件和(或)面構件組成的具有較大橫截面尺寸和較小壁厚的組合構件，稱為空間構件或立體構件。空間構件是框筒體系、筒中筒體系、束筒體系、支撐框筒體系、大型支撐筒體系及巨型結構體系中的基本構件。與線構件和面構件相比，它具有較大的抗扭剛度和極大的抗推剛度，在水平荷載下的側移較小，因而在高層或超高層建筑中，宜盡量選用空間構件。（7）抗火設計必不可少

鋼材雖為非燃燒材料，但它耐熱不耐火，在火災高溫下，結構鋼的強度和剛度都將迅速降低，而火災升溫又十分迅速，故無防火保護措施的鋼構件在火災中很容易破壞。因此，高層建筑鋼結構必須進行恰當?shù)目够鹪O計，以減少或避免財產損失和人員傷亡。（8）防銹處理必須到位

由于鋼材耐腐蝕性差，鋼結構構件易生銹腐蝕，影響結構使用壽命，所以高層建筑鋼結構中的所有鋼結構構件均應進行合理的防銹處理，以保證結構的長期使用。（9）避雷系統(tǒng)完整可靠

高層建筑上遭受雷擊的機會比一般建筑要多，一年中的雷擊次數(shù)與建筑物的高度有關，建筑物越高，受到的雷擊次數(shù)越多。在雷擊放電時便有可能引起火災或產生其它電擊、機械性的事故。因此，為了保證高層建筑的防雷安全，高層建筑要設置可靠的避雷系統(tǒng)。（10）結構動力響應成為關鍵因素

低層房屋一般采用簡單方法計及結構動力響應對荷載的影響后，設計主要按靜力問題處理；而由于風和地震作用的隨機性和復雜性，高層建筑風振和地震響應分析,高層建筑風振、地震動響應是由結構特征、環(huán)境作用等諸因素綜合影響決定的，是結構整體性能的體現(xiàn)，同時也表明，要獲得滿意的結構動力響應特征，必須綜合考慮結構系統(tǒng)，因此高層建筑動力響應成為設計考慮的關鍵因素。（11）減輕結構自重具有重要意義

高層建筑結構設計要求盡可能采用輕質、高強且性能良好的材料，一方面減小重力荷載，進一步減小基礎壓力和造價；另一方面因結構所受動力荷載大小直接與質量有關，減小質量有助于減小結構動力荷載。

（12）結構體系合理與否取決于能否有效提供抗側能力在滿足建筑造型和空間設計的前提下，結構體系和結構方案主要由如何有效形成抗側力體系確定。結構體系的經濟性也主要取決于抗側力體系的有效性。正因為如此，合理確定抗側力結構成為高層建筑結構設計成敗的關鍵。高層建筑隨高度不同而結構體系有較大變化。圖1-6為常用結構體系適用最多層數(shù)示意圖。圖1-6鋼結構高層建筑結構體系

1.1.3高層建筑鋼結構的發(fā)展趨勢

隨著城市建設和社會發(fā)展，高層建筑必將會高速發(fā)展。在確保高層建筑具有足夠可靠度的前提下，為了進一步節(jié)約材料和降低造價，結構構件和材料正在不斷更新，設計概念也在不斷發(fā)展。高層建筑鋼結構的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在下列方面：

（1）構件立體化

（2）巨柱周邊化1-8DIB-200的空間巨型框架

(b)1-7法蘭克福商業(yè)銀行新大樓結構平面1-10香港中國銀行大樓的結構體系

(a)支撐的平面位置；(b)型鋼混凝土角柱；

(c)南立面的大型支撐圖1-9美國漢考克大廈

（3）支撐大型化

圖1-11空中城市大廈-1000（a）巨型框架體系單元體；（b）懸掛樓蓋系統(tǒng)

圖1-12日本“空中城市大廈-1000”的結構剖面

（4）體系巨型化日本千年塔樓（5）體形圓錐化

日本DIB-200大廈，地下7層，地上200層，高800m，建筑總面積150萬m2。在安裝了人工智能化動力反應控制系統(tǒng)后，其結構在地震作用下的側移削減40%左右。（8）結構分析設計高度集成化

近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和結構分析理論的不斷深入，為研究和發(fā)展能夠集穩(wěn)定理論與塑性理論之大成的高等分析設計方法（AdvancedAnalysisDesignMethod）,提供了現(xiàn)實條件和理論基礎。該法主張在充分考慮影響結構性能的各種因素，特別是非線性因素情況下，能夠準確分析剛性或半剛性連接結構中各構件塑性漸變的全過程，能夠準確預測結構及其組件的破壞模式與極限荷載，徹底免除冗長繁瑣的構件驗算過程，使結構可靠度更為統(tǒng)一。因此，代表最新技術的高等分析將成為二十一世紀結構工程師的基本設計工具，基于可靠性的結構集成設計（Reliability-basedIntegratedDesign,RID）方法將是高層鋼結構設計方法發(fā)展的必然趨勢。（7）動力反應智能化

（6）材料高強輕型化

根據(jù)主要結構所用材料或不同材料的組合可將高層建筑結構分為：鋼筋混凝土結構、純鋼結構、鋼-混凝土混合結構、鋼-混凝土組合結構四種結構類型。后三種結構類型可歸屬于高層建筑鋼結構范圍，統(tǒng)稱高層建筑鋼結構。其主要特征為：

（1）純鋼結構這種結構類型的梁、柱及支撐（含等效支撐，如鋼板剪力墻、嵌入式內藏鋼板支撐剪力墻和帶豎縫的混凝土剪力墻）等主要構件均采用鋼材。該類型主要用于純框架體系或框架-支撐（等效支撐）體系。

（2）鋼-混凝土混合結構這種結構類型的梁、柱構件采用鋼材，而主要抗側力構件采用鋼筋混凝土內筒或鋼筋混凝土剪力墻。該類型主要用于框架-內筒體系或框架-剪力墻體系。1.2.1高層建筑結構類型與特征1.2高層鋼結構體系（3）鋼-混凝土組合結構這種結構類型包括鋼骨（型鋼）混凝土結構、鋼管混凝土結構。該類結構的柱和主要抗側力構件（筒體、剪力墻等豎向構件）常采用鋼骨混凝土或鋼管混凝土，而梁等橫向構件仍采用鋼材。如深圳帝王大廈、賽格廣場等工程。

高層建筑鋼結構的主要優(yōu)點是材料強度高、結構自重輕，有良好的延性，抗震性能好，能滿足建筑上大跨度、大空間以及多用途的各種要求，同時施工速度快。即使在高強混凝土等新型建筑材料已出現(xiàn)的今天，鋼結構仍不失為高層、超高層建筑，特別是地震區(qū)高層建筑的一種經濟有效的結構類型。隨著經濟的發(fā)展、技術的進步，高層鋼結構建筑的優(yōu)點將日益顯現(xiàn)，必將得以大發(fā)展。1.2.2高層建筑鋼結構體系與特性

根據(jù)抗側力結構的力學模型及其受力特性，可將常見的高層建筑鋼結構分成如下四大體系：框架結構體系、雙重抗側力結構體系、筒體結構體系和巨型結構體系。

框架體系由于結構自身力學特性的局限，對于３０層以上的樓房經濟性欠佳。雙重抗側力體系是在框架體系中增設支撐或剪力墻或核心筒等抗側力構件，其水平荷載主要由抗側力構件承擔，可用于30層以上的樓房。當房屋層數(shù)更多時，由于支撐等抗側力構件的高寬比值超過一定限度，水平荷載傾覆力矩引起的支撐等抗側力構件柱的軸壓應力很大，結構側移也較大，宜采用加勁框架-支撐體系，利用外柱來提高結構體系的抗傾覆能力。隨著房屋高度的增大，水平荷載引起的傾覆力矩，按照房屋高度二次方的關系急劇增大。因此當房屋層數(shù)很多時，傾覆力矩很大，此時宜采用以立體構件為主的結構體系，即筒體體系或巨型結構體系。這種結構體系能夠較好滿足很高樓房抗傾覆能力的要求。1.2.2.1框架結構體系（1）體系特征

框架體系是：指沿房屋的縱向和橫向均采用鋼框架作為主要承重構件和抗側力構件所構成的結構體系。其鋼框架是由水平桿件（鋼梁）和豎向桿件（鋼柱）正交連接形成。地震區(qū)的高樓采用框架體系時，框架的縱、橫梁與柱的連接一般采用剛性連接。在某些情況下，為加大結構的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也可采用半剛性連接。常用于層數(shù)不超過30層的高層建筑。圖1-13框架的平面布置（2）受力特性

圖1-14水平荷載下高樓結構中柱的受力狀態(tài)

(a)鉸接框架；(b)剛接框架

高層建筑的框架結構，在豎向荷載作用下，僅框架柱的軸向壓力自上而下逐層增加（框架梁、柱的彎矩和剪力自上而下基本無變化）；在水平荷載作用下，框架梁、柱的彎矩、剪力和軸力自上而下均逐層增加，上小下大，而且第二層邊跨的框架梁梁端內力常為最大。鋼框架結構除了具有一般框架結構的性能以外，還存在著一種不可忽視的效應，即框架的二階效應。圖1-15框架的幾何非線性效應圖（3）變形特點

框架在側力作用下所產生側向位移Δ（圖1-16a）由兩部分組成：傾覆力矩使框架發(fā)生整體彎曲所產生的側移（圖1-16b）和各層水平剪力使該層柱、梁彎曲（框架整體剪切）所產生的側移（圖1-16c）?？蚣苷w側移曲線呈剪切型，層間側移呈下大上小狀。最大的層間側移常位于底層或下部幾層。

圖1-16水平荷載下框架的側移及其組成(a)總變形；(b)整體彎曲變形；(c)整體剪切變形

在水平荷載作用下，框架節(jié)點因腹板較薄，節(jié)點域將產生較大的剪切變形（圖1-17），從而使框架側移增大10%至20%（“高鋼規(guī)程”規(guī)定，應計入其影響）；對內力的影響在10%以內（可不計其影響）。

圖1-17節(jié)點域變形對框架側移的影響(a)鋼框架節(jié)點域的剪切變形；(b)框架側移曲線；(c)層間側移曲線1.2.2.2雙重抗側力結構體系

當房屋高度較大時，可以參照單層工業(yè)廠房設柱間支掌的做法，在框架的縱、橫方向設置支撐或剪力墻等抗側力構件，這樣就形成了框架和支撐或剪力墻共同抵抗側向力的作用，故稱之為雙重抗側力體系。該體系又可分為三類：鋼框架-支撐結構體系、鋼框架-剪力墻（現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻、現(xiàn)澆型鋼混凝土剪力墻、嵌入式鋼板剪力墻、嵌入式內藏鋼板支撐的預制鋼筋混凝土剪力墻和預制的帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻）結構體系和鋼框架-核心筒（鋼筋混凝土核心筒或鋼骨混凝土核心筒或鋼結構支撐心筒）結構體系。在鋼框架-支撐心筒體系中，若設置連接支撐心筒與外框架的剛性伸臂，則稱之為加勁框架-支撐心筒體系，簡稱加勁框架-支撐體系或支撐心筒-剛臂體系。1.2.2.2.1鋼框架-支撐體系（1）體系特征

在框架體系中，沿結構的縱、橫兩個方向或其他主軸方向，根據(jù)側力的大小，布置一定數(shù)量的豎向支撐，所形成的結構體系稱之為框架-支撐體系，簡稱為框-撐體系（如圖1-18）?？蚣荏w系一般用于40層以下的樓房較為經濟?？癸L及抗震設防烈度為7度以下時，可采用中心支撐；抗震設防烈度為8度及以上時，宜采用偏心支撐。圖1-18高層鋼結構的框架-支撐體系(a)結構平面；(b)結構剖面

（2）變形特點

在框-撐體系中，在水平荷載作用下，框架屬剪切型構件，底部層間位移大，支撐近似于彎曲型豎構件，底部層間位移小，兩者并聯(lián)，其側移曲線屬彎剪型，呈反S狀。可以明顯減小建筑物下部的層間位移和頂部的側移，如圖1-19。

圖1-19水平荷載作用下框-撐體系的變形特點(a)框架-支撐并聯(lián)模型；(b)側移曲線（3）受力特性在水平荷載作用下，在結構的底部，單獨支撐層間位移?。▓D1-20a），單獨框架層間位移大（圖1-20b）；在結構的上部，正好相反。兩者并聯(lián)，其側移應協(xié)調一致，因此，在支撐與框架之間產生相互作用力，在結構的上部為推力，在結構的下部為拉力（圖1-20c）。

圖1-20框-撐體系的受力特性(a)單獨支撐側向變形；(b)單獨框架側向變形；(c)框-撐并聯(lián)體的相互作用力1.2.2.2.2鋼框架-剪力墻體系（1）體系特征

鋼框架-剪力墻體系是在鋼框架的基礎上，沿結構的縱、橫兩個方向或其他主軸方向，根據(jù)側力的大小，配置一定數(shù)量的剪力墻而形成。鋼框架-剪力墻體系的受力特性和變形特點與鋼框架-支撐體系相似。剪力墻可分為現(xiàn)澆和預制兩大類。預制剪力墻板通常嵌入鋼框架框格內，因此常被稱為嵌入式墻板。（2）鋼框架-嵌入式剪力墻板體系

1）體系的組成

鋼框架-嵌入式墻板體系是以鋼框架為基礎，根據(jù)側力的大小，在結構的縱、橫兩個方向或其他主軸方向的鋼框架梁、柱形成的框格內嵌入一定數(shù)量的預制墻板而組成的體系，如圖1-21。此類結構體系適用于抗震設防烈度為8度或9度、總層數(shù)超過12層的鋼結構建筑。

預制墻板有以下幾種類型：帶縱、橫肋的鋼板；內藏鋼板支撐的鋼筋混凝土墻板；帶豎縫的鋼筋混凝土墻板；帶水平縫的鋼筋混凝土墻板。為使墻板承受水平剪力而不承擔豎向荷載，墻板四周于鋼框架梁、柱之間應留縫隙，僅有數(shù)處與鋼框架梁、柱連接。1-21鋼框架-嵌入式墻板體系的結構布置(a)典型層結構平面；(b)帶豎縫的鋼筋混凝土墻板

2）結構受力特性整個建筑的豎向荷載全部由鋼框架來承擔；水平荷載引起的水平剪力由鋼框架和墻板共同承擔，并按兩類構件的層間抗推剛度（側向剛度）比例分配（一般情況，水平剪力主要由墻板來承擔）；水平荷載引起的傾覆力矩，由鋼框架和鋼框架-墻板所形成的組合體來承擔。鋼框架-嵌入式墻板體系的變形特點與鋼框架-支撐體系相似。（3）鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系

1）體系的組成

鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系是以鋼框架為基礎，在結構的縱、橫兩個方向或其他主軸方向的鋼框架之間布置一定數(shù)量的現(xiàn)澆剪力墻板而組成的結構體系。工程中，現(xiàn)澆剪力墻板可以是鋼筋混凝土墻板或型鋼混凝土（鋼骨混凝土）墻板。鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系的受力與變形與鋼框架-支撐體系相似，側移曲線屬彎剪型，呈反S狀。1.2.2.2.3鋼框架-核心筒體系

（1）體系特征

鋼框架-核心筒體系是指由外側鋼框架與內部芯筒所組成的混合結構體系。內部芯筒可以是鋼筋混凝土芯筒或鋼骨混凝土芯筒或鋼結構支撐芯筒。鋼框架與核心筒之間通過鋼梁連接。鋼梁與鋼筋混凝土核心筒常為鉸接連接，與鋼骨混凝土核心筒及鋼結構支撐核心筒一般宜采用剛接，也可鉸接；鋼梁與鋼框架的連接宜采用剛接，也可鉸接。

鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系的受力與變形與鋼框架-支撐體系相似，側移曲線屬彎剪型，呈反S狀。圖1-22鋼框架-芯筒體系的構成

1.2.2.2.4加勁的鋼框架-芯筒體系

（1）體系特征

加勁的鋼框架-芯筒體系，是在鋼框架-芯筒體系中，增設連接芯筒與外圍鋼框架的大型桁架（稱為加勁伸臂桁架，簡稱剛臂）以及增設連接外圍鋼框架的周邊大型桁架（稱為加勁周邊桁架簡稱外圍桁架）所組成的結構體系（如圖1-23）。圖1-23加勁的鋼框架-芯筒體系的構成

這一體系基本上可不改變鋼框架-芯筒體系的結構布置，只是通過設置剛臂和外圍桁架，使外圍鋼框架的所有柱均參與整體抗彎作用，從而提高了整個結構的側向剛度，減少了內筒所承擔的傾覆力矩，也減小了結構的水平側移。加勁伸臂桁架和加勁周邊桁架應設在同一樓層，該層常被稱為水平加強層，常用作設備層或避難層，其設置位置及間隔的樓層數(shù)量，應綜合考慮設備層或避難層的設置位置以及以減小結構位移和內力為目標的優(yōu)化分析結果而定。（2）受力特性

在一般的鋼框架-芯筒體系（無剛臂時）中，由于連接外柱與芯筒（支撐）的鋼梁跨度大，截面小，抗彎剛度很弱。當整個體系受到水平荷載作用時，外柱基本上不參與整體抗彎，芯筒幾乎承擔全部的傾覆力矩。而在加勁鋼框架-芯筒體系中，整個體系受到水平荷載作用時，由于加勁桁架的豎向抗彎及抗剪剛度均很大，芯筒（支撐）受彎時，各層水平桿繞水平軸作傾斜轉動，加勁桁架也隨水平桿一起轉動，迫使外柱參與整體抗彎。一側外柱受壓，一側外柱受拉，形成與傾覆力矩方向相反的力矩（如同剛臂處作用一反向彎矩），將抵消一部分由水平荷載產生的傾覆力矩，從而減小了芯筒（支撐）所受的傾覆力矩，如圖1-24。圖1-24加勁鋼框架-芯筒體系的受力狀態(tài)(a)無剛臂；(b)設帽剛臂；(c)增設腰剛臂

由于加勁桁架的強大豎向剛度和外柱的較大軸向剛度，不僅使整個加勁鋼框架-芯筒體系頂面各點發(fā)生同一轉角而位于同一斜面上，而且使柱頂面轉角減小，使該體系整體彎曲所產生的側移，得以較大幅度的減小（減小幅度一般為20%--30%），如圖1-25。也使該體系可用于建造比一般的鋼框架-芯筒體系（無剛臂時）更大高度的高樓。（3）體系變形特點圖1-25美國第一威斯康星大廈(a)典型層結構平面；(b)結構體系的側向變形；(c)兩種側移曲線的比較1.2.2.3筒體結構體系

筒體結構體系因其抗側移構件采用了立體構件而使結構具有較大的抗側移剛度，有較強的抗側力能力，能形成較大的使用空間，在超高層建筑中運用較為廣泛。所謂筒體結構體系，就是由若干片縱橫交接的“密柱深梁型”框架或抗剪桁架所圍成的筒狀封閉結構。每一層的樓面結構又加強了各片框架或抗剪桁架之間的相互連接，形成一個具有很大空間整體剛度的空間筒狀封閉構架。根據(jù)筒體的組成、布置、數(shù)量的不同，可將筒體結構分為框架筒、筒中筒、框筒束等結構體系。1.2.2.3.1框架筒體系（1）體系特征

框筒體系是由建筑平面外圍的框架筒體和內部承重框架所組成的結構體系(圖1-26)。

外圍框架筒體的梁與柱采用剛性連接，以便形成剛接框架。內部承重框架的梁與柱鉸接即可，僅承受重力荷載。由于內部承重框架僅承受重力荷載，所以，其柱網可以按照建筑平面使用功能要求隨意布置，不要求規(guī)則、正交，柱距也可以加大，從而提供較大的靈活使用空間。（2）受力及變形特點

作用于樓房的水平荷載所引起的水平剪力和傾覆力矩，全部由外圍框筒承擔（水平剪力由平行于側力方向的各片腹板框架承擔，傾覆力矩則由平行于和垂直于側力方向的各片腹板框架和翼緣框架共同承擔）；各樓層的重力荷載，則是按受荷面積比例分配給內部承重框架和外圍框筒?？蚣芡搀w系由于存在框架橫梁（窗裙梁）的豎向彎剪變形，使之產生剪力滯后效應。圖1-26框架筒體系的典型平面

剪力滯后效應使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力，并且結構的側向撓度將呈現(xiàn)明顯的剪切型變形。剪力滯后效應將削弱框筒作為抗側力立體構件空間效能?？蛲步Y構的剪力滯后效應越明顯，則對筒體效能的影響越嚴重。1.2.2.3.2筒中筒體系（1）體系特征

筒中筒結構體系是由分別設置于內外的兩個以上筒體通過有效的連接組成一個共同工作的結構體系，如圖1-27所示。

圖1-27筒中筒結構體系的典型平面(a)二重筒體系；(b)三重筒體系

由于筒中筒結構體系的內外筒體共同承受側向力，所以結構的抗側移剛度很大，能承受很大的側向力。（2）受力特性筒中筒體系的內筒，平面尺寸比外筒小，可顯著減小剪力滯后效應，結構側移中剪切變形與彎曲變形的比例，內框筒比外框筒要小，內框筒更接近于彎曲型抗側力構件；其外框筒，平面尺寸比內筒大，剪力滯后效應嚴重，結構側移中剪切變形所占比例較大，因而外框筒屬于彎剪型抗側力構件。內、外框筒通過各層樓蓋的聯(lián)系，將共同承擔作用于整個結構的水平剪力和傾覆力矩。（3）變形特點由于筒中筒體系的外框筒屬于彎剪型抗側力構件，而內框筒更接近于彎曲型抗側力構件，內、外框筒通過各層樓蓋協(xié)同工作，側移趨于一致，其側移曲線形狀與雙重抗側力體系相似。由于筒中筒體系的彎曲型構件與剪彎型構件側向變形的相互協(xié)調，對于減小結構頂點位移和結構下半部的最大層間側移角都是有利的。

1.2.2.3.3框筒束體系

（1）體系特征框筒束體系是由兩個以上的框筒并列組合在一起形成的框筒束及其內部的承重框架共同組成的結構體系（圖1-28），或者以一個平面尺寸較大的框筒為基礎，然后根據(jù)結構受力要求，在其內部縱向或橫向，或者縱、橫兩個方向，增設一榀以上的腹板框架所構成（圖1-29a）。增設的內部腹板框架，可以是密柱深梁型框架或帶支撐（含等效支撐，如嵌入式墻板）的稀柱淺梁型框架。

圖1-28框筒束結構體系工程實例(a)梯形平面框束筒；(b)梭形平面框束筒；(c)雙矩形平面框束筒

（2）受力特點

①水平荷載下的框筒束，水平剪力由平行于剪力方向的各榀內、外腹板框架承擔，傾覆力矩則由平行于和垂直于側力方向的各榀腹板框架和翼緣框架共同承擔。②內、外翼緣框架中的各柱,基本上僅承受軸向力；內、外腹板框架中的各柱，除軸向力外，還承受沿框架所在平面的水平剪力及由此引起的彎矩。③框筒束各框筒單元內部的框架柱，僅承擔其荷載從屬面積范圍內的豎向荷載。④框筒束各柱的軸力分布，比較接近于實腹筒的分布，其軸力與該柱到中和軸的距離大致成正比，這說明框筒束的剪力滯后效應甚弱（圖1-29）。圖1-29美國希爾斯大廈的束筒體系（a）結構平面(b)風載下框筒柱的軸力分布曲線1.2.2.4巨型結構體系

隨著城市建設的發(fā)展，人們對建筑外形、建筑功能、建筑空間和建筑環(huán)境提出了更多的要求。高樓平面正在向大尺寸發(fā)展，為了模擬自然，改善內部辦公條件，有效地利用較大內部空間，需要在建筑內部每隔若干樓層設置一個庭園。這樣的建筑布置使以往的結構體系不再適用，需要采用能夠提供特大空間的巨型結構體系。巨型結構體系具有良好的建筑適應性和潛在的高效結構性能，正越來越引起國際建筑業(yè)的關注。巨型結構在國外特別是亞洲發(fā)達地區(qū)，近些年來發(fā)展迅速。這些巨型建筑物已成為該國國家經濟繁榮、科技進步的標志。如日本NEC辦公大樓、日本東京市政廳大廈、日本神戶TC大廈、美國芝加哥的約翰?漢考克大廈、美國依儂中心大廈、休斯頓西南銀行、新加坡IBM大廈、巴黎GrandApsiu高層綜合樓和德國法蘭克福商業(yè)銀行中心新大樓等。1.2.2.4.1巨型結構的概念與分類（1）概念巨型結構的概念產生于60年代末，由梁式轉換層結構發(fā)展而形成。巨型結構體系又稱超級結構體系，它是由不同于常規(guī)梁柱概念的大型構件——巨型梁和巨型柱所組成的主結構與常規(guī)結構構件組成的次結構共同工作的一種高層建筑結構體系。（2）分類巨型結構從材料上可分為巨型鋼結構、巨型鋼骨鋼筋混凝土結構（SRC）、巨型鋼-鋼筋混凝土結構混合以及巨型鋼筋混凝土結構；按其主要受力和組成，體系可分為：巨型框架、巨型支撐外框筒（巨型支撐框筒）、巨型支撐筒（巨型桁架筒）和巨型懸掛結構等基本類型。

1.2.2.4.2巨型結構的特點及應用巨型結構具有一系列不同于普通結構的特點：（1）結構整體剛度大。由矩形截面梁的截面剛度EI=E×bh3/12中可知，截面剛度與截面高度的三次方成正比。由于巨型構件截面尺寸比常規(guī)構件大得多，因此其剛度必然比普通結構剛度大很多。

（2）側向剛度大，且沿高度分布均勻，傳力途徑明確，是一種理想的抗側力結構體系。（3）體系靈活多樣，有利于抗震。巨型結構可以有各種不同的變化和組合，主結構和次結構可以采用不同的材料和體系。巨型結構是一種大體系，可以在不規(guī)則的建筑中采取適當?shù)慕Y構單元組成規(guī)則的巨型結構，對抗震有利。（4）巨型結構的次結構只是傳力結構，故次結構的柱子不必連續(xù)，建筑物中可以布置大空間或空中臺地或大門洞。次結構中的柱子僅承受巨型梁間的少數(shù)幾層荷載，截面可以做得很小，給房間布置的靈活性創(chuàng)造了有利條件。（5）施工進度快。巨型結構體系可先施工其主結構，待主結構完成后分開各個工作面同時施工次結構，大大縮短了施工周期。（6）具有更大的穩(wěn)定性和更高的效能，可節(jié)省材料，降低造價，使建筑物更加經濟實用。例如香港中國銀行大樓采用巨型桁架體系，節(jié)省鋼材40%左右。

（7）具有良好的建筑適應性和潛在的高效結構性能。能滿足綜合功能或一些特殊功能要求，能滿足建筑設計和結構設計有機結合的要求，使其良好的建筑適應性和經濟性均能得到充分的體現(xiàn)。（8）可清楚地劃分為主、次結構，傳力途徑明確。1.2.2.4.3巨型框架體系

（1）組成與布置

巨型框架,可以說是把一般框架按照一定比例放大而成。與一般框架的桿件為實腹截面不同,巨型框架的梁和柱是格構式立體構件。（a）中段樓層結構平面（b）底段樓層結構平面（c）結構縱剖面圖1-30巨型框架體系的典型布置

（2）受力特點

主結構（巨型框架）承擔全部作用于樓房的水平荷載（產生水平剪力和傾覆力矩）和豎向荷載；巨型梁間的次結構（次框架）僅承受巨型梁間的重力荷載，并將其傳給主結構（巨型框架）。

（3）變形特點由于巨型框架具有很大的抗側移剛度和抗傾覆能力，加之，巨型梁具有很大的抗彎剛度和抗剪剛度，使其側向位移曲線在巨型梁處，有如加勁的框架-芯筒體系的側向位移曲線類似的內收現(xiàn)象（如1-31圖），因此，其側向位移較常規(guī)體系大為減小。該體系的側移曲線，在巨型梁處出現(xiàn)內收現(xiàn)象，總體呈剪切型，與加勁的框架-芯筒體系的側移曲線類似。該體系特別適于超高層或有特殊、復雜及其綜合功能要求的高層建筑。圖1-31巨型框架體系的側移

1.2.2.4.4巨型支撐外框筒體系

（1）體系特征框筒體系由于橫梁的柔軟性，使得筒體出現(xiàn)程度不同的剪力滯后效應，筒體的空間效能因而受到一定的削弱。為了進一步增強筒體結構的剛度，沿“稀疏淺梁型”外框筒的各個面增設巨型交叉支撐構成巨型支撐框筒體系（如圖1-32所示的美國約翰漢考克大廈）。巨型支撐外框筒體系是由建筑周邊的巨型支撐框筒和內部的承重框架所組成。巨型支撐框筒的支撐斜桿軸線與水平面的夾角一般取45度左右；相鄰立面上支撐斜桿在框筒轉角處與角柱相交于同一點，使整個結構組成空間幾何不變體系，并保證支撐傳力路線連續(xù)性。巨型支撐外框筒體系（簡稱支撐框筒）不再像一般框筒那樣要求密排柱和高截面窗裙梁。圖1-32巨型支撐體系的典型布置

（2）受力狀態(tài)

水平荷載引起的水平剪力和傾覆力矩，全部由巨型支撐外框筒承擔；豎向荷載則由巨型支撐外框筒和內部的承重框架共同承擔，并按各自的受荷面積比例分擔。巨型支撐外框筒，在水平荷載作用下發(fā)生整體彎曲時，本來應該由框筒各層窗裙梁承擔的豎向剪力（圖1-33a），絕大部分改由支撐斜桿來承擔（圖1-33b）。圖1-33水平荷載作用下巨型支撐外框筒受力狀態(tài)(a)框筒的豎向剪力分布；(b)支撐桿件內力

在巨型支撐外框筒體系中，是靠支撐斜桿的軸向剛度（而不是靠窗裙梁的豎向彎剪剛度）所提供的軸向承載力來抵抗水平剪力和豎向剪力，而且桿件的軸向剛度遠大于桿件的彎剪剛度，加之支撐又具有幾何不變性，所以水平荷載作用下巨型支撐外框筒的水平和豎向剪切變形均很小，基本上消除了剪力滯后效應，從而能更加充分地發(fā)揮抗側力立體構件的空間工作效能。

（3）變形特點在巨型支撐外框筒體系中，是靠支撐斜桿的軸向剛度所提供的軸向承載力來抵抗水平剪力和豎向剪力，加之支撐又具有幾何不變性，因此巨型支撐外框筒體系具有很大的水平和豎向剛度。在水平荷載作用下，整個結構體系產生的側移中，整體彎曲產生的側移，約占８０％以上，而結構剪切變形所產生的側移約占２０％以下。

（1）體系特征巨型支撐筒體系又稱巨型桁架筒體系。該體系是建筑平面周邊的巨型或大型立體支撐、支撐節(jié)間內的次（?。┛蚣芗皟炔康囊话憧蚣埽ɑ騼炔苛Ⅲw或空間支撐）所組成的結構體系。在巨型立體支撐的每個節(jié)間區(qū)段內設置“次框架”，以承擔該區(qū)段內若干樓層的重力荷載。在樓房內部，通常設置次一級的立體或空間支撐（有時設置一般鋼框架），用以承擔各樓層內部的重力荷載。1.2.2.4.5巨型支撐筒體系圖1-34巨型支撐筒體系的典型布置

（2）受力狀態(tài)作用于樓房的水平荷載產生的全部水平剪力和傾覆力矩，由建筑平面周邊的巨型或大型立體支撐承擔，其水平剪力由巨型或大型立體支撐中平行于荷載方向的斜桿承擔，傾覆力矩則由大型立體支撐中所有立柱承擔。

重力荷載由次框架、樓房內部空間支撐及大型立體支撐中所有立柱共同承擔，并按荷載從屬面積比例分配。巨型或大型立體支撐中所有立柱均布置在建筑的周邊，可獲得最大的抗傾覆力臂，從而使該體系獲得最大的抗推剛度和抗傾覆能力。由于該體系是通過大型立體支撐中的支撐斜桿的軸向剛度（而不是依靠橫梁的抗彎剪剛度）來傳遞剪力，消除了剪力滯后效應。1.2.2.4.6巨型懸掛結構體系

（1）體系特征巨型懸掛結構體系是利用鋼吊桿將大樓的各層樓蓋，分段懸掛在主構架各層巨型梁上所形成的結構體系。主構架一般采用巨型鋼框架，其立柱可以是類似豎放空腹桁架或立體剛接框架或者支撐筒；其橫梁通常均采用立體鋼桁架。

主構架每個區(qū)段內的吊桿，通常是采用高強度鋼材制作的鋼桿，或者采用高強度鋼絲束。每個區(qū)段內的吊桿一般只吊掛該區(qū)段內的樓蓋。懸掛結構體系可以為樓面提供很大的無柱使用空間。位于高烈度地區(qū)的樓房，懸掛結構體系的使用，還可顯著減小結構地震作用效應。

（2）受力狀態(tài)懸掛結構體系的主構架，幾乎承擔整幢大樓的全部水平荷載和豎向荷載，并將其直接傳至基礎。主構架每個區(qū)段內的鋼吊桿僅承擔該區(qū)段各層樓蓋的重力荷載。

為防止主構架橫梁撓曲和吊桿伸長造成樓面過度傾斜，可采取橫梁起拱或者對吊桿施加預應力等措施加以解決。（3）變形特點在水平荷載作用下，結構的側移曲線呈剪切型，但由于巨型懸掛結構具有很大的抗側移剛度和抗傾覆能力，加之巨型梁具有巨大的抗彎剛度和抗剪切剛度，使其側向位移曲線在巨型梁處，有如加勁的框架-芯筒體系的側向位移曲線類似的內收現(xiàn)象（如圖1-35），因此，其側向位移較常規(guī)體系大為減小。

圖1-35巨型懸掛體系的典型布置主要從以下四個方面考慮：（1）避免地面變形的直接危害：選擇建筑場地時，應避開對建筑抗震危險的地段；（2）避免不利地形：不利地形一般指：條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘、非巖質的陡坡、河岸和邊坡的邊緣；（3）避開不利場地：避開厚場地覆蓋層這類不利場地；（4）避開不利地基土：不利地基土主要是指：①飽和松散的砂土和粉土（該類土易產生土層液化現(xiàn)象）；②泥炭、淤泥和淤泥質土等軟土（該類土在地震時易發(fā)生較大幅度的突然沉陷、常稱之為震陷土）。1.3.1選擇有利的建筑場地1.3高層鋼結構概念設計1.3.2確定合適的建筑體形

建筑體型與建筑平面形狀、建筑立面形狀和房屋的高度等因素密切相關。因此，選擇合適的建筑體型可歸結為選擇合適的建筑平面形狀、建筑立面形狀和房屋的高度。1.3.2.1建筑平面形狀確定建筑平面形狀時，宜從降低風荷載和地震作用兩方面考慮。（1）抗風設計

1）宜優(yōu)先選用圓形、橢圓形等流線型平面；

2）應盡量選擇方形、圓形、橢圓形、矩形、正多邊形等雙軸對稱的規(guī)則平面；在實際工程中，常采用矩形、方形、甚至三角形等建筑平面，但在其平面的轉角處，常采用圓角或平角（切角）的處理方法。這樣處理后，既可減小建筑的風載體型系數(shù)，又可降低風載作用下框筒或束筒體系角柱的峰值應力。德國法蘭克福商業(yè)銀行新大樓就采用了這種處理方式。3）注意建筑平面長寬比的限值對于鋼框筒結構體系，若采用矩形平面鋼框筒，其長邊與短邊的比值不宜大于1.5。主要原因是：框筒由于剪力滯后效應嚴重而不能充分發(fā)揮作為立體構件的空間作用，從而降低框筒抵抗側力的有效性。若該比值大于1.5時，宜采用束筒結構體系。(b)(a)法蘭克福商業(yè)銀行新大樓結構平面(b)框筒剪力滯后效應(c)風載下框筒柱的軸力分布曲線圖1-36德國法蘭克福商業(yè)銀行平面布置（2）抗震設計

1）宜優(yōu)先選用簡單規(guī)則平面圖1-37平面尺寸圖示

高鋼規(guī)程（JGJ99-98）規(guī)定，對抗震設防的高層建筑鋼結構，其常用平面的尺寸關系應符合表3-1和圖3-1的要求，凡符合該要求者，均可視為規(guī)則平面。

2）盡量避免選用不規(guī)則平面比圖1-37中更為復雜的平面均為不規(guī)則平面。對于圖1-37中的平面形狀，當其尺寸關系不滿足表1-3的限值者，也視為不規(guī)則平面。表1-3圖1-36所是平面尺寸

L，l,l′B′的限值L/BL/Bmaxl/bl′/BmaxB′/Bmax≤5≤4≤1.5≥1≤0.5

1.3.2.2建筑立面形狀（1）抗風設計

1）宜選用上小下大的梯形或三角形簡單規(guī)則的立面

這是因為，作用于房屋的風荷載標準值是隨離地面的高度而增加的。樓房周邊向內傾斜的豎向構件軸力的水平分力，可部分抵消各樓層的風荷載水平剪力（圖1-38a、b）

。

2）立面可設大洞或透空層對于位于臺風地區(qū)的層數(shù)很多、體量較大的高樓，可結合建筑布局和功能要求，在樓房的中、上部，設置貫通房屋的大洞，或每個若干層設置一個透空層（圖1-38c、d），可顯著減小作用于樓房的風荷載。圖1-38高樓的簡單立面形狀（2）抗震設計

1）宜優(yōu)先選用矩形、梯形、三角形等沿高度均勻變化的簡單規(guī)則的立面：避免采用樓層平面尺寸存在劇烈變化的階梯形立面，更不能采用由上而下逐步收進的倒梯形建筑。

2）盡量避免選用不規(guī)則立面：當階梯形建筑的立面收進尺寸比例為B1/B2<0.75或立面外挑尺寸比例為B1/B2>1.1時(字母意義見圖1-39)，均屬于不規(guī)則立面形狀，不宜用于地震區(qū)的高層建筑。當無法避免時，應對結構進行精細的地震反應分析，以獲取較確切地地震內力與變形，并采取相應的抗震措施。圖1-39結構立面收進或外挑圖示1.3.2.3房屋高度（1）房屋總高度

高鋼規(guī)程（JGJ99-98）根據(jù)國內外的工程經驗，對鋼結構和有混凝土剪力墻的鋼結構高層建筑的常用體系規(guī)定了高度限值（見表1-4），供工程設計參考。

鋼結構和有混凝土剪力墻的鋼結構高層建筑的適用高度（m）表1-4

結構種類結構體系非抗震設防抗震設防烈度6、789鋼結構框架1101109070框架支撐（剪力墻板）260220200140各類筒體和巨型框架360300260180有混凝土剪力墻的鋼結構鋼框架-混凝土剪力墻22018010070鋼框架-混凝土核心筒22018010070鋼框筒-混凝土核心筒22018015070（2）房屋高寬比房屋高寬比是指房屋總高度與房屋底部順風（地震）向寬度的比值。它的數(shù)值大小直接影響到結構的抗推剛度、風振加速度和抗傾覆能力。我國現(xiàn)行高鋼規(guī)程（JGJ99-98）根據(jù)國內外的工程經驗，對鋼結構和有混凝土剪力墻的鋼結構高層建筑的高寬比限值做出規(guī)定，現(xiàn)結合我國現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范（GB5001—2001）的有關規(guī)定，將其列于表1-5，供工程設計參考。

鋼結構和有混凝土剪力墻的鋼結構高層建筑的高寬比限值表1-5

結構種類結構體系非抗震設防抗震設防烈度6、789鋼結構框架5543框架支撐（剪力墻板）6654各類筒體6.56.565.5有混凝土剪力墻的鋼結構鋼框架-混凝土剪力墻5544鋼框架-混凝土核心筒5544鋼框筒-混凝土核心筒6654

1.3.3變形縫的設置

變形縫分為伸縮縫（溫度縫）、防震縫和沉降縫，應按下列原則處理：（1）伸縮縫高鋼規(guī)程（JGJ99-98）規(guī)定：高層建筑鋼結構不宜設置伸縮縫。當必須設置時，抗震設防的結構伸縮縫應滿足防震縫的要求。（2）防震縫

高鋼規(guī)程（JGJ99-98）規(guī)定：高層建筑鋼結構不宜設置防震縫。其薄弱部位應采取措施提高抗震能力。（3）沉降縫為了保證高層建筑鋼結構的整體性，在其主體結構內不應設置沉降縫。當主樓與裙房之間必須設置沉降縫時，其縫寬應滿足防震縫的要求，同時，應采用粗砂等松散材料將沉降縫地面以下部分填實，以確保主樓基礎四周的可靠側向約束；當不設沉降縫時，在施工中宜預留后澆帶。1.3.4選擇有效的抗側力結構體系位于地震區(qū)的鋼結構高層建筑，其結構體系應符合下列基本要求：

（1）具有明確的計算簡圖（2）應有合理的傳力途徑從上部結構、基礎到地基，應該具有最短的、直接的傳力路線。結構體系最好能具備多條合理的地震力傳遞途徑。

（3）采用多道抗震防線

1）必要性若采用具有多道抗震防線的雙重或多重抗側力體系（如圖1-40，框架-支撐體系，框架-剪力墻體系，框架-筒體體系和筒中筒體系等），當?shù)谝坏揽拐鸱谰€的抗側力構件破壞后，還有第二道甚至第三道抗震防線的抗側力構件來替補，從而大大增強結構的抗倒塌能力。圖1-40具有多道抗震防線的結構體系(a)框架-支撐體系；(b)框架-剪力墻體系；(c)框架-筒體體系；(d)筒中筒體系2）第一道防線的設置方法

①選擇軸壓應力小的構件

②選擇受彎構件（4）采用立體構件（5）力爭實現(xiàn)結構總體屈服機制

結構在水平荷載作用下發(fā)生的屈服機制，大致可劃歸為兩大基本類型：①樓層屈服機制；②總體屈服機制。

樓層屈服機制，是指構件在側力作用下，豎向桿件先于水平桿件屈服，導致某一樓層或某幾個樓層發(fā)生側向整體屈服?？赡馨l(fā)生樓層屈服機制的高層結構有：弱柱型框架（圖1-41a、b）；弱剪型支撐（圖1-41c）。圖1-41結構的樓層屈服機制（a,b）弱柱型框架；（c）弱剪型支撐；(d)側移曲線

總體屈服機制，是指構件在側力作用下，全部水平桿件先于豎向桿件屈服，最后才是豎向桿件底層下端的屈服。可能發(fā)生總體屈服機制的高層結構有：強柱型框架（圖1-42a）；強剪力支撐（圖1-42b、c）。

圖1-42結構的總體屈服機制(a)強柱型框架；(b)、(c)強剪型支撐；(d)側移曲線

結論：結構的總體屈服機制是耐震性能最佳的破壞機制，結構發(fā)生總體屈服機制所能耗散的地震能量，遠遠大于樓層屈服機制。所以，進行結構體系設計時，應力爭使結構實現(xiàn)總體屈服機制。（6）遵循耐震設計四準則

1）強節(jié)弱桿即遵循所謂的強節(jié)點弱桿件設計準則。

2）強豎弱平即遵循所謂的強柱弱梁設計準則。

3）強剪弱彎在計算和構造上采取措施，使構件中各桿件截面的抗剪屈服承載力系數(shù)大于抗彎屈服承載力系數(shù)。

4）強壓弱拉對于型鋼混凝土桿件和鋼-混凝土混合結構中的鋼筋混凝土桿件，進行受彎桿件的截面設計時，應使受拉鋼筋配筋率低于平衡配筋率，確保桿件受彎時，實現(xiàn)受拉鋼筋屈服，不發(fā)生受壓區(qū)混凝土的壓潰破壞。（7）增多結構的超靜定次數(shù)為此，確定結構體系時，應盡量做到：

1）桿系構件中各桿件的連接，均采取剛接；

2）框架與支撐之間、芯筒與外圈框架或框筒之間的連接桿件（贅余桿件）的兩端或一端采取剛接；

3）各層樓蓋的梁和板與抗側力構件之間的連接，在不妨礙各豎構件差異縮短（壓縮、溫度變形等）影響的條件下，盡量采取剛接。（8）使結構具有良好的延性提高構件延性，實現(xiàn)構件剛度、承載力和延性相互匹配的途徑，可以是：采用偏心支撐取代中心支撐，采用帶豎縫墻板取代整體式墻板。構件試驗結果指出：水平荷載作用下，整體式鋼筋混凝土墻板的彈性極限變形角約為0.3×10-3rad；而帶豎縫的鋼筋混凝土墻板，彈性極限變形角則高達1.3×10-3rad[10].（9）盡量做到豎向等強設計沿豎向，整個結構體系應該做到剛度和承載力的均勻變化，使各樓層的屈服承載力系數(shù)大致相等，避免因剛度或承載力的突變而出現(xiàn)柔樓層或弱樓層，導致在某一個樓層或幾個樓層發(fā)生過大的應力集中和塑性變形集中。1.3.5抗側力構件的布置原則1.3.5.1.抗側力構件的平面布置（1）基本原則鋼結構高層建筑的動力特性取決于各抗側力構件的平面布置狀況。為使各構件受力均勻，獲得抵抗水平荷載的最大承載力，抗側力構件沿建筑平面縱、橫方向的布置應盡量做到“分散、均勻、對稱”。（2）平面不規(guī)則結構的判斷及處理方法判斷：考慮抗震設防的鋼結構高層建筑，在結構平面布置上具有下列情況之一者，則屬于平面不規(guī)則結構：

1）不論平面形狀規(guī)則與否，任一樓層的偏心率（不包括附加偏心距）大于0.15時，或者樓層的最大彈性層間側移大于該樓層兩端彈性層間側移平均值的1.2倍（但不應超過1.5倍），即（見圖1-43），均屬于“扭轉不規(guī)則”結構。

2）存在樓板尺寸或水平剛度突變或者局部樓板有效寬度小于該層樓板典型寬度的50%（見圖1-44a）或者樓板開洞面積超過該層樓面總面積的30%（見圖1-44b）,或者樓蓋不連續(xù)（有較大的錯層，圖1-44c）。圖1-43結構平面扭轉不規(guī)則

圖1-44樓板有突變的建筑

3）結構平面形狀帶有缺口，缺口在兩個方向的凹進深度和長度，分別超過樓層平面各該方向總邊長的30%（圖1-45）。

4）具有較大抗推剛度的抗側力構件，既不平行又不對稱于抗側力體系的兩個相互垂直的主軸。處理方法：在構件布置上應力求避免出現(xiàn)上述情況。無法避免時，屬于上述1）、4）者應計算結構的扭轉影響；屬于上述2）者應采用相應的計算模型，對結構進行精細的作用效應計算，合理確定薄弱部位以及復雜傳力途徑中各構件的內力，并采取針對性的構造措施；屬于上述3）者應采用相應的構造措施。

圖1-45帶有缺口等形式的不規(guī)則建筑平面（3）抗側力構件的選用與布置

1）支撐和墻板在高層建筑鋼結構中，可根據(jù)具體情況選用中心支撐、偏心支撐、內藏鋼板支撐的混凝土墻板、帶豎縫或帶水平縫的鋼筋混凝土墻板、鋼板剪力墻等作為主要抗側力構件，以提高結構的抗推剛度。

2）剛性伸臂

①對于框架-芯筒體系、筒中筒體系，以及沿樓面核心區(qū)周邊布置豎向支撐或抗剪墻板的框-撐體系和框-墻體系，宜在頂層及每隔若干層沿縱、橫方向設置剛性伸臂（如圖1-46）。使外柱參與結構整體抗彎，減輕外框筒的剪力滯后效應，以增加整個結構抵抗側力的剛度和承載力。

圖1-46美國紐約的４２層ＥＴＷ大樓(a)豎向支撐與伸臂桁架；(b)周邊桁架

②剛性伸臂由立體桁架所構成，為充分發(fā)揮其剛性伸臂的作用，沿房屋縱向和橫向布置的桁架，均應貫穿房屋全寬。

③為避免給樓面使用帶來不便，并盡可能增大剛性伸臂的有效高度，剛性伸臂一般均安置在設備層。在頂層布置的剛性伸臂，一般稱為帽桁架；布置在中間樓層的剛性伸臂，一般稱為腰桁架。

④在剛性伸臂布置處，沿房屋周邊應設置帶狀桁架（外圍加勁桁架），如圖1-46，以便外柱能充分發(fā)揮結構整體抗彎作用。

3）中庭水平桁架在多功能的高層建筑中，在上部樓層中往往要求設置旅館或公寓。此類建筑用作公共活動的下部樓層，平面尺寸較大；而用作旅館或公寓的上部樓層，房間進深較小。因而，在上部樓層需要布置內天井或中庭。為了增加整個結構的抗扭剛度，減小上部樓層的變形，應在中庭的上下兩端樓層（有時也在中間的個別樓層）處布置水平桁架。1.3.5.2抗側力構件的豎向布置（1）基本原則對于地震區(qū)的高層建筑，抗側力構件沿高度方向的布置，應符合下列原則：

1）各抗側力構件所負擔的樓層質量沿高度方向無劇烈變化；

2）沿高度方向，各側力構件（如支撐、剪力墻）宜連續(xù)布置；

3）由上而下，各抗側力構件的抗推剛度和承載力逐漸加大，并與各構件所負擔的水平剪力、彎矩和軸力成比例地增大。

4）除底部樓層和外伸剛臂所在樓層外，支撐的形式和布置在豎向宜一致。（2）設置型鋼混凝土結構過渡層

將與剛性地下室相銜接的底層或底部兩、三層改用型鋼混凝土結構（SRC），在地下室與上部鋼結構之間形成一個具有較大抗推剛度的過渡層，以減緩樓層剛度的變化幅度，縮小相對柔弱樓層塑性變形集中效應,改善整個結構的耐震性能，提高結構的抗震可靠度。1.3.6豎向承重構件的布置（1）柱網形式柱網形式和柱距是根據(jù)建筑使用要求而定。高樓的豎向承重構件大致可分為如下三種布置方式：

1）方形柱網以沿建筑縱、橫兩個主軸方向的柱距相等的方式布置柱子所形成的柱網，為方形柱網（如圖1-47a）。該柱網多用于層數(shù)較少、樓層面積較大的樓房。

2）矩形柱網為了擴大建筑的內部使用空間，可將承重較輕的次梁的跨度加大的方式布置柱子所形成的柱網，為矩形柱網（如圖1-47b）。

3）周邊密柱型柱網層數(shù)很多的塔樓，內部采用框架或芯筒，外圍則采用密柱、深梁型的鋼框筒（框筒的柱距多為3m左右，樓蓋承重鋼梁沿徑向布置）所形成的柱網，為周邊密柱型柱網（如圖1-47c）。圖1-47高層建筑平面的柱網布置(a)方形柱網；(b)矩形柱網；(c)周邊密柱型柱網（2）柱網尺寸柱網尺寸一般是根據(jù)荷載大小、鋼梁經濟跨度及結構受力特點等因數(shù)確定。

1）框架梁，一般采用工字形截面；受力很大時，采用箱形截面。大跨度梁及抽柱樓層的轉換層梁，可采用桁架式鋼梁。

2）就工字形梁而言，主梁的經濟跨度為2—12m；次梁的經濟跨度為8—15m。

3）對于建筑外圈的鋼框筒，為了不使剪力滯后效應過大而影響框筒空間工作性能的充分發(fā)揮，柱距多為3—4.5m。（3）鋼柱截面形式高層建筑需要承擔風荷載、地震作用產生的側力，框架住在承受豎向重力荷載的同時，還要承受單項或雙向彎矩。因此，確定鋼柱的截面形式時，應根據(jù)它是作為承受側力的主框架住，還是僅承受重力荷載的次框架柱而定。高層建筑鋼結構鋼柱常用的截面形式有：H形截面、方管截面、圓管截面和十字形截面，如圖1-48所示。圖1-48鋼柱的常用截面形式(a)H形截面；(b)方管截面；(c)圓管截面；(d)輕型十字形截面；(e)重型十字形截面

H形截面又分軋制寬翼緣H型鋼和焊接H型鋼兩種，軋制寬翼緣H型鋼是高層建筑鋼框架柱最常用的截面形式。方（矩）管截面也有軋制方（矩）形鋼管和焊接方（矩）形鋼管兩種截面，在工程中，常用焊接方（矩）形鋼管。圓管截面同樣可分軋制圓形鋼管和焊接圓形鋼管兩種截面，在工程中，常用鋼板卷制焊接而成的焊接圓形鋼管。十字形截面都是焊接組合而成，圖1-48d多用于僅承受較小重力荷載的次框架中的軸向受壓柱，特別適用于隔墻交叉點出的柱（與隔墻連接方便，而且不外露）；圖1-48e多用于型鋼混凝土結構柱，以及由底部鋼筋混凝土結構向上部鋼柱轉換時的過渡層柱。（1）避開地震動卓越周期應綜合考慮場地周期與建筑物周期的關系,使建筑周期與地震動卓越周期錯開較大距離。（2）加大結構阻尼由于結構阻尼可以削減結構地震反應的峰值，所以，從削減地震反應這一角度出發(fā)，應設法加大高層建筑鋼結構的阻尼比。常采用下列方法：

1）增設粘彈性阻尼器等附加阻尼裝置；

2）在鋼框架或鋼框筒中嵌入鋼筋混凝土墻板，鋼結構和鋼筋混凝土結構的彈性阻尼比分別為2%和5%；

3)在框架-支撐體系中可采用連接節(jié)點摩擦耗能或構件非彈性性能的特殊連接裝置；

4）在巨型結構體系中，可采用懸掛次體系等特殊處理方式。（3）提高結構延性選用延性比較大的材料，可以減小作用于結構上的等效地震力。（4）采用有效的隔震方法傳統(tǒng)的結構抗震設計，是利用結構的強度和變形能力來抵御所受到的地震力和耗散地震能力，這是直接對抗地震的被動防震方法。近期得到較快發(fā)展的結構隔震設計，是利用隔震裝置來控制和阻隔地震對結構的作用，從而大幅度地減小結構所受到的地震力，并使地震力大致定量在某一水平上。隔震設計避開了地震對結構的直接沖擊，是一種以柔克剛的主動防震方法。1.3.7削減結構地震反應的措施1.3.8樓蓋結構的選型與布置

1.3.8.1鋼-混凝土組合樓蓋的類型及其組成在高層鋼結構房屋建筑中，常采用鋼-混凝土組合樓蓋。該樓蓋按樓板型式可分為如下四種類型：（1）現(xiàn)澆鋼筋混凝土板組合樓蓋這類組合樓蓋是在鋼梁上現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板而形成。在高層鋼結構工程中，現(xiàn)已很少采用該類組合樓蓋。（2）預制鋼筋混凝土板組合樓蓋該組合樓蓋是將預制鋼筋混凝土樓板，支承于已焊有栓釘連接件的鋼梁上，然后用細石混凝土澆灌槽口（在有栓釘處混凝土板邊緣所留）和板縫而形成。由于該類組合樓蓋整體剛度較差，因此，在高層鋼結構中不宜采用。（3）預應力疊合板組合樓蓋這種組合樓蓋是先將預制的預應力鋼筋混凝土薄板（厚度不小于40mm）鋪在鋼梁上，然后在其上現(xiàn)澆混凝土覆蓋層（此時的預制混凝土板作為模板使用），待覆蓋層混凝土凝固后與預制的預應力鋼筋混凝土板及鋼梁共同形成組合樓蓋。當能保證樓板與鋼梁有可靠連接時，方可考慮該類組合樓蓋用于高層鋼結構之中。（4）壓型鋼板-混凝土板組合樓蓋該類組合樓蓋是利用成型的壓型鋼板鋪設在鋼梁上，通過抗剪連接件與鋼梁上翼緣焊牢，然后在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土（或輕質混凝土）構成。

該組合樓蓋不僅具有優(yōu)良的結構性能與合理的施工工序，而且綜合經濟效益顯著，優(yōu)于其它組合樓蓋，是較理想的組合樓蓋體系。因此，該類組合樓蓋在高層鋼結構建筑中應用最廣，是高層鋼結構樓蓋的主要結構形式。1.3.8.2鋼梁的布置（1）鋼梁布置原則

1）鋼梁應成為結構體系中各抗側力構件的連接構件，以便更充分地發(fā)揮結構體系的整體空間作用。所以，每根鋼柱在縱、橫方向均應有鋼梁與之可靠連接，以減小柱的計算長度，保證柱的側向穩(wěn)定。例如，在筒中筒體系中，內框筒的每根鋼柱均應有鋼梁與外框筒鋼柱相連接。

2）將較多的樓蓋自重直接傳遞至抵抗傾覆力矩而需較大豎向荷載作為平衡重的豎桿件。一般而言，主梁應與豎桿件直接相連。主梁的布置，應使結構體系中的外柱承擔盡可能多的樓蓋重力荷載，在框筒體系中，框筒角柱出現(xiàn)高峰軸向拉應力，需要利用較大的豎向荷載來平衡，所以，應在樓層平面四角，沿對角線方向布置斜主梁，承托沿縱橫方向布置的次梁（圖1-49）。圖1-49筒中筒體系的樓面鋼梁

3）鋼梁的間距應與所采用樓板類型的經濟跨度相協(xié)調。在鋼結構高層建筑中應用較多的壓型鋼板混凝土樓板，其經濟跨