某高层建筑钢结构设计分析

某高层建筑钢结构设计分析

現代建筑要求结构经济合理、安全可靠。所以钢结构在结构设计中的应用比重越来越大，作者结合多年结构设计经验，从钢结构的特点出发，结合某高层钢结构设计实例进行分析，介绍了该工程的结构体系。

标签：高层；钢结构设计；钢框架-支撑体系；稳定问题；

1、钢结构的特点

随着建筑物越来越向着大跨度、大空间方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能完全满足建筑结构的多样化，钢结构弥补了混凝土结构的种种不足之处，且受到广泛的重视。与混凝土结构相比，钢结构一般具有如下的特点：

1） 结构构件自重轻。钢结构与钢筋混凝土结构相比要轻30% ～ 50% ，结构构件自重轻，因此相应的基础、地基处理费用也较低。此外，在相同地震烈度下结构的地震反应较小。2） 结构布置灵活。钢材结构组织均匀，而且强度、弹性模量高，可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便。3） 施工周期短。钢结构的主要构件和配件多为工厂制作，易于保证质量，除基础施工外，基本没有湿作业； 构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速，施工周期短。4） 经济效益高。钢结构构件采用先进自动化设备制造，运输方便，因此工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。5） 由于钢材本身的材质问题，钢结构耐候性、耐火性、耐腐蚀性，还存在着一些缺陷。6） 构件及结构的稳定性是钢结构的突出问题。钢结构的构件截面相对较小，造成了结构容易失稳。因此我们在钢结构设计和施工时，应采取相应的提高稳定的措施。

2、工程概况

某工程为钢框架支撑体系，高度约100m，共24层。由主楼和裙楼连接为一体。主楼部分长约70m，宽约26m，主楼建筑面积约34100m2，其中，主楼自19层起，西侧平面局部收进4个柱距，约34.8m，形成主楼建筑立面的台阶型。综合大楼裙楼共3层，同为钢结构受力体系，顶高15.55m，比对应主楼楼面高1.1m，建筑面积约10472m2，总建筑面积约4.4万 m2。

本工程设计使用年限为50年，抗震设防分类为丙类，上部结构安全等级为二级。基本风压取0.6kN/m2（100年重现期），地面粗糙度为 B类，基本雪压为0.25kN/m2，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类，特征周期Tg=0.90s。

3、结构体系介绍 3.1

竖向承载力系统

综合大楼为钢结构框架支撑体系，柱网尺寸为8.7m×8.7m，主楼南北向3个柱距，东西向9个柱距，如图1所示。

图1 典型楼层平面布置

综合大楼钢结构框架嵌固在地下室顶板标高处，框架柱与框架梁通过高强度螺栓（梁腹板）与二级焊缝（梁翼缘）形成刚接连接，每个柱网区格内（8.7m×8.7m）设次梁，典型区格内次梁设2道，南北向布置，间距2.9m，次梁通过高强螺栓铰接在框架梁上。

综合大楼框架柱采用箱型截面，平面根据结构受力特点区分为3种类型，其中，高区（东侧5个柱距范围）的支撑柱为第一种类型，截面为800mm×800mm，板厚为40，50mm，共8根；低区（西侧4个柱距范围）的无支撑柱为第二种类型，共12根；低区

的支撑柱与高区的无支撑柱为第三种类型，共16根，截面为800mm×800mm 和700mm×700mm，板厚为25～40mm，总特点是自西向东截面呈加强趋势，力求荷载中心与结构的抗力中心趋于重合。框架柱分类从立面上考虑受力变化，也分为3种截

面，1～8层为第一种，8～16层截面规格降低一个等级，16层以上再降低一个等级。由此，整个结构的用钢根据平立面的受力特点，适度设计为适应的规格，既充分考虑到大楼投资的经济合理要求，也符合宝钢的环境经营理念。

本大楼考虑强柱弱梁设计要求，针对规范有关偏心支撑的规定，为确保支撑柱的承载力，对支撑柱在裙楼高度以下设计为方钢管混凝土柱，钢柱内灌C40混凝土以满足 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（以下简称“抗震规范”）8.2.3条关于框架柱内力设计值的要求。

综合大楼框架梁柱及次梁均采用 Q345-B 材质，柱身拼接采用一级焊缝。

3.2 抗水平力系统

综合大楼采用框架支撑体系，钢框架和钢支撑共同抵御结构水平外力，其中以支撑系统作为主要抗水平力系统。

综合大楼支撑系统由纵横向支撑和均匀分布在高度方向的横向伸臂桁架共同构成。

本大楼南北向布置3道支撑，间距均为3个柱距，东西向布置在两列中柱间，东西向支撑中心间距为5个柱距，均满足抗震规范对支撑框架间楼盖长宽比不大于3的规定。

框架支撑采用偏心支撑形式，支撑两端相交于耗能梁上，耗能梁设计为剪切屈服型。偏心支撑体系兼顾了纯框架结构和框架中心支撑体系的优点，既能保证正常使用状态下的合理抗侧刚度，在大震作用时又可发挥其耗能效果，在超过12层的高层钢结构体系中采用偏心支撑能取得较好的抗震效果。

综合大楼主楼立面为台阶型，东西向荷载不对称，地震作用下两侧的水平力以及风荷载都呈现东侧稍大的特点，据此，本结构南北向的3道支撑截面自西向东逐步加大，与框架柱的布置特点匹配，确保结构刚度中心和水平荷载中心趋于重合。

本结构同时在南北向设置了2道伸臂桁架，分别布置在第7，13，18层。设置伸臂桁架，可有效提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力，从而增加框架承担的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效地增大结构的抗侧刚度，增强结构抗扭性能，减小结构侧移，同时也适当均匀化钢柱承担的竖向力，有利于结构基础的设计。

考虑到支撑为轴压构件的受力特点，综合大楼支撑截面设计为箱型，避免了 H 型截面强弱轴方向稳定性差异大的缺点，充分发挥材料性能，截面规格为250mm×250mm、300mm×300mm、500mm×300mm，板厚为10～20mm。本结构支撑构件及伸臂桁架斜杆材质设计为 Q345-B。

3.3 楼盖系统

综合大楼设计采用压型钢板组合楼盖结构，有利于各种复杂管线系统的铺设，且在施工过程中可减少传统模板支模拆模的繁琐作业，并可多层同时施工，在施工进度、安全性等综合效果上较其他楼板形式具有优势。

本大楼楼板压型钢板拟采用闭口型。从满足防火性能要求的角度，可有效减小楼板总厚度要求，增加楼层净空。闭口型压型钢板板底平整，腹板贴合，能适应不同功能房间对天花板的建筑设计；且闭口型压型钢板内铺设的钢筋更贴近板底，增加钢筋力矩，充分发挥截面优势，同等荷载条件下较开口型压型钢板楼板含筋率更低。本工程压型钢板典型跨距2.9m，材质为Q345，楼板混凝土强度等级C30。

4、钢结构设计的稳定问题 4·1梁端为刚接的钢梁稳定问题。通常情况下，梁上有密铺楼板，因此上翼缘不存在稳定问题，跨中下翼缘一般也不存在稳定问题，但靠近支座处是梁的负弯矩区，下翼缘受压，可能存在稳定问题，《高层民用建筑钢结构技术规程》8·5·4条规定：抗震设防时，框架横梁下翼缘在距柱轴线1/8～1/10梁跨处，应设置侧向支撑构件。

4·2柱子在楼层位置应有侧向钢梁保证其施工过程的稳定性。设计中可能会

出现柱子有一个方向没有梁的连系，在使用阶段，由于有楼板的侧向约束，柱子的稳定是有保证的，但在施工阶段，楼板后做，《高层民用建筑钢结构技术规程》建议相差不宜超过5层，而实际工程中这一差别往往超过10层。这时应验算柱子的稳定，如果有问题，可以在没有梁的方向设置一根次梁或临时支撑来保证其稳定。

4·3《钢结构设计规范》中对钢构件板件的宽厚比限值，是防止板件屈曲、保证构件全截面有效的构造保证，在某些工程中，如在转换层的位置，梁的腹板按这些要求设计，很难实现，且非常不经济。这时可以从防止腹板屈曲考虑，通过可靠的分析和论证，设置梁腹板的纵、横加劲肋来保证腹板不会屈曲。

5、结束语

作为一名专业设计人员，设计出结构合理、安全可靠、经济适用的设计产品是我们的职责，但在钢结构设计过程中，仍有许多问题都需要我们在实际工程中不断总结，不断改进和提高。