高层建筑钢结构设计原理与应用_宋岩著.pdf

高层建筑钢结构设计原理与应用宋 岩 著中国海洋大学出版社青岛高层建筑钢结构设计原理与应用出 版 人 杨立敏出版发行 中国海洋大学出版社有限公司社 址 青岛市香港东路 23 号邮政编码 266071网 址 http:/www.ouc-责任编辑 郑雪姣电 话 0532-85901092电子邮箱 zhengxuejiaoouc-图片统筹 河北优盛文化传播有限公司装帧设计 河北优盛文化传播有限公司印 制 定州启航印刷有限公司版 次 2018 年 9 月第 1 版印 次 2018 年 9 月第 1 次印刷成品尺寸 170mm240mm印 张 16.25字 数 206 千印 数 1-1000书 号 ISBN 978-7-5670-2003-0定 价 62.00 元订购电话 0532-82032573（传真）18133833353发现印刷质量问题，请致电 18133833353 进行调换。高层建筑钢结构设计原理与应用/宋岩著.-青岛:中国海洋大学出版社,2018.9ISBN 978-7-5670-2003-0.高 .宋 .高层建筑钢结构结构设计 .TU973.1中国版本图书馆 CIP 数据核字(2018)第 223545 号图书在版编目（）数据钢结构是世界范围内早期多层、高层建筑中最先使用的一种结构类型，因其具有自重轻、抗震性能好、绿色环保、工业化程度高、综合经济效益显著等诸多优点，深受国内外建筑师和结构工程师的青睐，在未来高层建筑中具有广阔的发展前景。我国自改革开放以来，基础建设的效率和技术难度越来越高，加上我国政策、钢材生产、建筑设计等多方面的条件正越来越成熟，高层建筑钢结构在我国得到了越来越广泛的应用。但由于我国现代建筑起步较晚，相关人才建设还不完善，尤其是高层建筑钢结构方面的人才奇缺，因此笔者认为，非常有必要对高层建筑钢结构的设计原理以及相关应用进行一次系统的梳理，以方便相关专业、行业的人员。本书是在笔者多年教学、科研和工程实践的基础上写成的，力求理论与实践相结合，不止创新更要务实。衷心希望本书能够对我国未来建筑业的发展和相关人才的培养起到积极作用。在本书编写过程中，徐州工业职业技术学院程建伟、王永两位老师参与编写部分章节，在此表示感谢。书中的不足之处，望读者朋友们不吝赐教，提出宝贵意见。宋岩2018 年 7 月PREFACE前 言CONTENTS目 录第一章 绪论/001第一节 国内外高层建筑钢结构发展情况/001第二节 钢结构、钢混凝土结构及钢骨混凝土结构的应用/003第三节 结构体系的分类及应用/010第四节 高层建筑钢结构的地震震害经验/013第二章 高层建筑钢结构结构类型与体系分析/022第一节 结构类型与特征/022第二节 结构体系与特性/023第三章 钢结构材料及强度设计值综述/051第一节 结构钢材/051第二节 连接材料/081第三节 高层建筑钢结构的钢材选用/089第四节 钢材及连接材料的强度设计值/092第四章 高层建筑钢结构概念设计/096第一节 选择有利的建筑场地/096第二节 确定合适的建筑体型/097第三节 变形缝的设置/102第四节 选择有效的抗侧力结构体系/104第五节 抗侧力构件的布置/110第六节 竖向承重构件的布置/114第七节 削减结构地震反应的措施/115第八节 楼盖结构的选型与布置/116第九节 地下结构的设计原则/122I第五章 高层建筑钢结构构件设计/129第一节 构件设计概述/129第二节 钢构件设计的内容/130第三节 钢梁的设计/132第四节 钢柱的设计/142第五节 中心支撑框架的设计/165第六节 偏心支撑框架的设计/170第六章 高层建筑钢结构节点设计/179第一节 节点设计概述/179第二节 梁柱连接节点/181第三节 梁梁连接节点/196第四节 柱柱节点/202第五节 钢柱柱脚/207第六节 支撑连接节点/217第七节 抗震剪力墙板与钢框架的连接/223第八节 钢梁与钢筋混凝土构件的连接/224第七章 钢结构防火与防腐设计/226第一节 钢结构防火设计/226第二节 钢结构防腐设计/232第八章 案例解析钢结构的制作和安装/236第一节 钢结构制作/236第二节 钢结构安装/245参考文献/253结语/254II 第一章 绪 论001第一章 绪 论第一节 国内外高层建筑钢结构发展情况一、国外超高层建筑发展概况（一）超高层建筑的数量在增加200m 以上的超高层建筑自 20 世纪 30 年代至今，除 40 年代因受第二次世界大战的影响外，均在持续增加，尤其是 70 年代后更显著。（二）较多的是 280 400m 的超高层建筑当今世界上有 20 幢 400m 以上的超高层建筑，其中 3 幢建于 20 世纪 70 年代，3 幢建于 90 年代，其余 14 幢均建于 21 世纪初的十年。建于 20 世纪 70 年代高为443m 的西尔斯大厦属当时世界上最高建筑，于 1996 年建成的高为 450m 的吉隆坡石油大厦在高度上与西尔斯大厦基本相同，而如今世界上最高建筑为位于迪拜的哈里发塔，高达 828m。100 幢超高层建筑中有 20 幢的建筑高度为 410 830m，80 幢为280 400m 高的建筑，这表明后者的建筑高度适用性得到开发商的关注。（三）超高层建筑的用途在拓宽20 世纪 80 年代以前的超高层建筑大部分用作办公建筑，但在 20 世纪 90 年代至今的这段时间则较多地增加了多功能建筑和旅馆建筑的比例，拓宽了建筑用途，相应地结构材料和结构体系的选择也需适应其要求。（四）结构材料在多样化在 20 世纪 70 年代以前和 70 年代建造的超高层建筑绝大部分采用钢结构，在 80002高层建筑钢结构设计原理与应用年代增加了钢混凝土结构的比例，90 年代至今在非地震区增加了钢筋混凝土结构的比例。如上所述，这些结构材料的变化除受建筑用途影响外，由于经济原因和防火要求，后两种结构材料的应用比例有所增加。对于地震区超高层建筑则仍以钢结构为主，少量的采用钢混凝土结构。二、国内高层建筑钢结构发展概况在 20002017 年期间，由于钢材品种继续开发，对全钢结构高层建筑的抗震性能的优越性有了更多的共识，因此这类结构得到了进一步应用，如高度为 190m 的北京摩根中心、高度为 250m 的北京银泰中心、高度为 20Om 的北京电视中心、高度为 260m 的天津国际贸易中心等早已建成。台北 101 层的台北金融中心在 2003 年竣工。目前我国国内最高建筑为上海中心大厦高达 632m。从对我国多幢高层建筑钢结构和钢-混凝土结构的归纳结果分析，得出下列结论。（一）三分之二的工程及 5 幢最高建筑是钢混凝土结构20 世纪 80 年代之前，我国多数高层建筑项目由外商设计。当时设计的项目主要采用钢结构，其原因是多方面的，一是考虑到建于地震区，钢结构的抗震性能较好；二是根据国外的经验，因劳务费高，认为钢结构造价低于混凝土结构，施工周期也短。在 20 世纪 90 年代则主要采用钢混凝土结构（包括少量的钢骨混凝土结构），其中原因主要在于投资商结合我国国情，采用钢混凝土结构可降低结构造价。此外，我国目前上述 5 幢最高建筑均是采用钢混凝土结构。（二）建筑高度多数为 150 300m我国高层建筑中 60%的建筑高度为 150 300m，其中有受城市规划和商业适用性的影响；在结构上因建于地震区，受钢筋混凝土高层建筑结构适用高度的影响，主要考虑选用钢结构和钢混凝土结构。（三）29 幢高层建筑均建于抗震设防区我国较多的大中城市位于抗震设防区，尤其是沿海商业城市。因此，设计时很重视钢筋混凝土结构、钢混凝土结构和钢结构的选用，以及结构体系的选择。相应地促进钢结构和钢混结构的发展，也推动科研工作和规范的制订。在这一过程中，关于钢混凝土结构在地震区高层建筑中的应用问题受到工程界的关注。（四）高层建筑的用途多样化我国与国外在高层建筑用途的多样化发展方面基本相同，即在数量上虽然办公楼占多数，但多功能及旅馆用途的高层建筑逐渐增多，以适应当今开发商在商业上的需要。第一章 绪 论003三、国内钢材生产和钢结构制作安装技术概况（一）钢材质量及规格在不断提高和开发高层建筑钢结构中的柱子及竖向支撑常需采用大于 40mm 的厚钢板，而且要求符合 Z 向断面收缩率的规定。目前，厚钢板的生产质量在逐渐提高，已能生产符合断面收缩率要求的厚钢板，如舞阳钢铁公司及上海宝山钢铁公司等。H 型钢的生产供应已处于开发供应阶段。自 1997 年开始，已有马鞍山钢铁公司、鞍山第一轧钢厂及莱芜钢铁公司等厂家生产 H 型钢。马钢公司可供应的最大截面：宽翼缘 H 型钢为 400mm400mm，中翼缘 H 型钢为 600mm300mm，窄翼缘 H 型钢为 700mm300mm。前一时期国内高层建筑钢结构的钢材主要采用进口钢材。现随着国内厂家的产品开发，规格增多、价格趋于合理等，已使国产钢材的采用数量有很大增加。（二）钢结构制作安装专业公司在扩大高层钢结构的制作及安装技术要求，一般情况下要高于钢筋混凝土结构。近年来，随着国内高层钢结构工程不断增多以及国内厂商与外商在制作和安装的合作，并经历了北京、上海和深圳等一批大中项目的实践，已形成一些专业公司，具有较好的技术水平。国内有些专业公司已具备高层钢结构总承包商的条件。第二节 钢结构、钢混凝土结构及钢骨混凝土结构的应用我国的高层建筑结构，目前主要采用钢筋混凝土结构，这既符合我国国情，可适应使用要求和降低工程造价，也符合规范关于适用高度的规定。对于建于抗震设防区的超高层建筑，由于国内外对钢筋混凝土结构的实践经验还较少，因此在考虑结构方案时，主要关注钢结构和钢骨混凝土结构等方案，而且这类结构还有其他方面的优点。现就高层建筑中钢结构、钢混凝土结构和钢骨混凝土结构等三类结构的主要优缺点做一粗略分析。一、高层建筑钢结构（一）主要优点1.抗震性能优于钢筋混凝土结构相对于钢材来说，混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，延性也差，混凝土构件开裂004高层建筑钢结构设计原理与应用后的承载力和变形能力将迅速降低。钢材基本上属各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，更重要的是它具有良好的延性。在地震作用下，钢结构因有良好的延性，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力。2.减轻结构自重降低基础工程造价一般钢筋混凝土框剪结构和框架筒体结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为 15 17kN/m2，其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为 10 12kN/m2。相同条件下采用钢结构时，全部重力荷载约为 10 12kN/m2，其中钢结构和混凝土楼板的结构自重约为 5 6kN/m2。由上述可知，两类结构的结构自重的比例为 2 1，全部重力荷载的比例约为 1.5 1，这相当于 75 层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于 50 层高的钢筋混凝土结构高层建筑。荷载值的很大差异造成相应的地震作用数值也大为减小，基础荷载大为减轻，同时，基础技术处理的难度、基础工程造价等均将受到很大影响。3.减少建筑中结构所占的面积对于 30 40 层的钢筋混凝土结构的高层建筑建于地震区时，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值，一般为（1.8m1.8m）（2.0m2.0m），核心筒在底部的壁厚将达 0.6 0.8m，以符合结构侧向刚度和层间位移的要求，这两项结构面积约为建筑楼层面积的 7%。采用钢结构，柱截面大为减小，核心筒采用钢柱及钢支撑时，包括它外侧的装修做法，其厚度仍比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑楼层面积的 3%，比钢筋混凝土结构可减少约 4%，这对投资方来说，将产生不小的经济效益。4.施工周期短钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，然后在现场安装。钢构件安装时，一般不搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板作为混凝土楼板的永久性模板，无须另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行。钢筋混凝土结构除钢筋可在车间内下料外，大量的支模、钢筋