多高层钢结构各种结构体系的优点和不足

梁鹏花

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

高层钢结构的主要优点是材料的强度高，结构自重轻，有良好的延性，抗震性能好，能够满足建筑上超高层，大跨度，大空间以及多用途的各种要求，施工速度快，工期短，建设成本低。同时钢结构建筑有助于环保和可持续发展，即使在高强混凝土等新型材料已经出现的今天，钢结构仍不失为超高层建筑，特别是地震地区高层建筑的一种经济有效的结构类型［1］。

随着城市建设的不断扩大，城市高层建筑的需求与日俱增。传统的钢结构体系已经不能满足现代化超高层建筑的要求，随着高层建筑结构的发展，新的钢结构体系不断涌现。常见的高层钢结构体系可以分为四大类型:框架结构体系，框架—支撑结构体系，筒体结构体系，巨型结构体系［2-4］。

各种结构体系都有各自的结构特征，使用范围以及各自的优缺点，下面具体分析各个结构体系［5，6］。

1 框架结构体系

1.1 结构特征

框架结构体系是沿着房屋的纵向和横向均采用框架作为承重的抵抗侧力的主要构件所构成的结构体系。框架结构一般可分为无支撑框架和有支撑框架两种形式，无支撑框架是由钢柱和钢梁组成的，地震区的高楼采用框架体系时，框架的纵，横梁与柱的连接一般采用刚性连接。

1.2 框架结构体系的优缺点

能够提供较大的内部空间，建筑平面布置灵活，能适应各种类型的使用功能。需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，使用灵活。外墙用非承重构件，可使建筑立面灵活多变。如果采用轻质隔板做外墙，就可以大大降低房屋的自重，节省材料。结构简单，构件易于标准化和定型化，施工速度快，对层数不多的高层建筑结构而言，框架结构体系是一种比较经济合理，运用广泛的结构体系。

框架结构的缺点是抗侧刚度小，在地震荷载作用下侧向位移大。当侧向位移过大时，框架结构上部的竖向荷载作用会进一步加大杆件内力和结构侧移，会产生严重的二阶效应，严重时还会危及框架的总体稳定。框架结构的抗侧力能力主要取决于梁和柱的受弯能力。房屋层数增多时，侧力总值增大，而要提高梁和柱的抗弯能力和刚度，只有加大梁和柱的截面尺寸，截面过大，就会使框架结构失去其经济合理性。此外由于框架结构体系的刚度不足，地震时侧向位移大，容易引起非结构性构件的破坏，有时甚至会造成结构的破坏。纯框架结构一般适用于层数不超过30层的高层钢结构。

1.3 框架结构体系的工程应用

现在，采用框架结构体系的建筑比较多，如北京长富宫中心，法国巴黎图书馆，美国休斯顿市的第一印第安纳广场大厦。

北京长富宫中心分地下2层，地上26层，平面尺寸为48 m×25.8 m，按8度抗震设防，采用的是钢结构框架结构体系，基本柱网尺寸为8 m×9 m。美国休斯顿市的第一印第安纳广场大厦29层，高121 m，采用钢框架结构体系，柱距约7.6 m。经过计算分析，不仅能有效地抵抗住风力，而且也能满足抗震要求。

2 框架—支撑结构体系

2.1 结构特征

在框架体系中，沿结构的纵横两个方向均布置一定数量的支撑，形成框架支撑结构体系，简称为框撑结构体系。在这种结构体系中，框架布置的原则和柱网尺寸，基本上与框架结构体系相同，支撑沿着结构的周围布置，纵横交错的支撑相连接，形成支撑芯筒。

2.2 框架—支撑结构体系的优缺点

框架—支撑结构体系相对于框架结构体系而言，除了具有框架结构的优点外，其一个显著的优点是其抗侧力刚度比框架结构明显增大，在地震发生时，框架体系和支撑体系形成两道抗震防线，其抗震性能有明显的提高［7］。

当建筑物的层数较大时，可以每隔若干层设置一层加劲桁架层，将内部支撑和外圈框架连为一整体弯曲构件，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩。不仅增强了建筑物的整体抗侧力刚度，同时也增大了框架—支撑体系的适用高度。

框架—支撑体系可以和钢筋混凝土剪力墙混合使用，根据使用功能需求可以灵活布置剪力墙，这样水平剪力主要由剪力墙承担，结构的抗侧力刚度得到显著的提高，地震作用的层间位移也显著减小，地震区层数较高的建筑可以使用这样的结构体系。采用错列的桁架体系来构成框架—支撑体系，可以获得较大的开间。

框架支撑体系设置较多的支撑，使得结构受力分析复杂，施工难度加大，用钢量也增大了。其次支撑的设置容易与建筑立面处理，门窗布置等建筑要求发生冲突。框架—支撑结构体系的支撑成为整个结构体系的重要部位，在外力的作用下，支撑长期处于拉压的周期作用，容易引起支撑构件的疲劳破坏，使其在突然的较大外力，如地震发生时会有很大的变形或者屈曲，从而引起整个建筑的较大变形。

在框架—支撑及剪力墙结构体系中钢筋混凝土剪力墙与钢柱连接困难，容易引起温度变形，且其刚度较大，地震时易发生应力集中，导致墙体产生斜向大裂缝而发生脆性破坏。

框架—支撑结构由于抗侧力刚度有限，不能使用于超高层钢结构建筑，一般用于40层～60层的高层钢结构建筑。

2.3 框架—支撑结构体系的工程应用

在城市的高层钢结构建筑中，框架—支撑体系是运用的比较多的一种结构体系，如纽约42层的ETW大厦，北京国贸中心(高155.2 m，地下3层，地上39层)，上海世界广场(高度150 m，地下2层，地上38层)等都是采用的钢框架—支撑结构体系。此外，如北京京广中心(总高度208 m，地下3层，地上57层，基础埋深－16.4 m)，上海锦江饭店(高度153 m，地下1层，地上46层)等采用的是框架—支撑及剪力墙结构体系。

3 筒体结构体系

3.1 结构特征

筒体结构是由若干纵横交错的框架，抗剪桁架所围成的筒状封闭结构。在建筑物外围由密柱，深梁组成的封闭式筒体通过悬臂作用来抵抗侧向荷载，内部柱子或核心只承受竖向荷载。

筒中筒结构体系是由内外设置的几个筒体，通过有效的连接形成一个共同作用的骨架体系，这种体系一般是利用作为垂直运输，管道及服务设施的结构核心部分充作内筒，并与外层通过各层楼面梁板的连系形成一个能共同受力的空间筒状骨架。

束筒结构体系是把几个筒体并列组合在一起的结构整体，它以外框筒为结构基础，在其内部增设一榀以上的腹板框架组成，增设的内部腹板框架可以是密柱深梁组成的框架。

3.2 筒体结构体系的优缺点

筒体结构有较大的刚度，有较强的抗侧力能力，所以能形成较大的使用空间，满足一些大空间建筑的需求，而且因其良好的性能，使得筒体结构体系在超高层建筑中被广泛应用。

筒体结构是高层结构中受力较好的结构体系，内外筒均可形成较强抗弯刚度，共同承受水平力的作用，可形成两道抗震防线的效果，一般外筒应承受最少30%～40%的水平力。又由于筒体结构的对称性，使得结构体系有均匀对称的抗侧刚度和抗扭刚度，能抵御任何方向较大的倾覆力矩和扭转力矩。有较好的延性，抗震性能很好。

桁架筒体结构，筒中筒结构，束筒结构体系的剪力滞后效应比框架筒体结构体系有了很大的改善。其中束筒结构体系由一些刚度很大的筒体结构组成，可以组合成任何外形和平面，各个筒体可以终止于不同的高度，能使建筑物形成稳定的塔形结构，而又不增加结构的复杂性。利用束筒结构体系可以设计出外观独特，结构稳定的超高层建筑。

在框筒结构中，由于存在框架横梁的剪切变形，使框架柱的实际内力呈非线性分布，这种剪力滞后效应使得房屋的角柱要承受比中柱更大的轴力，并且结构的侧向挠度呈明显的剪切变形。剪力滞后效应对筒体的效能有很大的影响，而且梁，柱的线刚度比越小，这种影响越明显。

框筒结构体系由于内筒平面尺寸较小，抗侧刚度不大，不宜用于强震地区。在束筒结构体系中，存在着大量的交叉节点，构造比较复杂，而且开窗要受斜杆的影响。

3.3 筒体结构体系的工程应用

筒体结构体系由于其自身巨大的抗侧力刚度，所以在当代的超高层建筑中比较有广泛的应用。如中国国际贸易中心主楼，地下2层，地上39层，高155 m，按8度地震设防，采用了筒中筒结构体系。美国芝加哥希尔斯大厦，采用了束筒结构体系，该大厦由9个22.86 m×22.86 m的方形钢框筒组成，内部有一些共用柱使筒体相连。

4 巨型结构体系

4.1 结构特征

巨型结构体系是把一般的框架结构体系按照一定的比例放大得到的，与一般框架的杆件为实腹截面不同，巨型结构体系的梁和柱是格构式立体构件。巨型框架结构是以巨型框架(主框架)为结构主体，并在其间设置普通的小型框架(次框架)所组成的结构体系。巨型框架的“柱”一般布置在房屋的四角，一般多于四根。除角柱外，其余柱沿房屋的周边布置。巨型框架的“梁”一般每隔12个～15个楼层设置一根，其中间楼层是仅承受重力荷载的一般小框架。

4.2 巨型结构体系的优缺点

巨型柱本身具有较大的抗侧刚度和抗扭刚度，将巨型柱沿巨型结构体系的四角和周边布置后，具有更大的力臂，整个结构的抗侧刚度和抗扭刚度都有了很大的提高，能抵御特大的水平荷载和扭转荷载。该结构体系特别适用于特大型超高层建筑［8］。

巨型框架另外一个显著的优点是具有良好的建筑适应性，有较大的灵活空间可以布置次框架，形成多层房间，也可以满足大开间的建筑功能要求，在巨型框架的下部若干层高度范围内，可以按需要设置大空间的无柱中庭、展览厅和多功能厅等。

巨型结构中可将多种结构形式及不同材料进行组合，实现建筑的多功能化，满足有特殊功能要求的建筑。巨型框架结构体系施工速度快，可先施工其主框架，待主框架完成后分开各个工作面同时施工次框架，施工进度较快。

巨型结构体系的首要缺点是由于其结构的复杂化、构件受力不规则，导致在结构的设计方面有很大的难度，加上目前还没有现成规范规定巨型结构的抗风和抗震设计，需要专门的研究验证。

其次，巨型结构不利于消防、其外表玻璃幕墙会造成光污染、低层房间日晒得不到正常保证、其风环境易对城市环境及周围建筑产生不利影响，并干扰电视信号的接收和影响鸟类飞行等。

4.3 巨型结构体系的工程应用

巨型结构体系因为其巨大的抗侧刚度和抗扭刚度，使得在一些大型超高层建筑中有广泛的应用。如日本千叶县的NEC办公大楼，采用的就是巨型框架结构体系，该大楼地面以上43层，高180 m。建筑布置时，在底层到13层之间设置了内部大庭园，13层～15层之间还设置了横贯整个房屋的具有3层楼高的大开口，上海证券大厦，采用了钢筋混凝土核心筒与巨型钢框架的组合，总高度120.9 m，地下2层，地上27层。

5 结语

在钢结构飞速发展的今天，新型的钢结构体系不断涌现，这就要求我们去思考每一种结构的优缺点以及它的使用范围，从而为钢结构的结构体系选型提供一定的参考。笔者认为，多层、高层钢结构体系应考虑建筑功能(建筑的采光、通风、用途等)、结构设计要求(结构的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础、材料供应和施工条件等)、结构体系特征(结构的整体刚度、承载能力以及结构、构件的延性等)等因素选择经济合理的结构形式。

［1］郑延银.高层建筑钢结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［2］李国强.多高层建筑钢结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［3］陈富生.高层建筑钢结构设计［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4］郭 兵，纪伟东.多层民用钢结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［5］崔 鸿.超高层建筑钢结构在我国的发展［J］.建筑结构学报，1997，18(1):60-71.

［6］Burstrand H.Light-gauge steel framing leads the way to an increased productivity for residential housing［J］.Journal of Constructional Steel Research，1998，46(1-3):183-186.

［7］王长宁，王禄鹏.高层全钢框架支撑结构体系的优越性分析［J］.钢结构，2006，21(84):22-24.

［8］宋 萌.浅谈巨型结构体系［J］.科技资讯，2009(21):37-38.

［9］吴 迪，贾国亭.谈芯筒—框架体系在高层建筑设计中的应用［J］.山西建筑，2012，38(21):61-62.