高层建筑钢结构支撑体系设计要点探讨

宋和平

【摘要】钢结构具有节约能源、施工迅速、抗震性能好，符合环保及适应产业化生产等优势，在现代高层建筑施工中得到了广泛应用。本文阐述了高层建筑钢结构持撑体系选型设计、节点和构造设计要点，并通过工程实例进行了论证，以供类似工程参考。

【关键词】高层建筑；钢结构支撑体系；设计要点

一、前言

高层建筑钢结构是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱（包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱）为承重骨架。同传统的砖混和混凝土结构建筑相比，钢结构建筑是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。本文阐述了高层建筑钢结构持撑体系选型设计、节点和构造设计要点，并通过工程实例进行了论证，以供类似工程参考。

二、结构选型与结构布置

由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该具体工程具体分析。应根据工程的条件和特点，综合考虑建筑的使用功能、荷载性能、制作安装、材料供应等因素，择优选择抗震性能良好，而又经济合理的结构体系和结构形式，对高烈度设防的高层钢结构，宜选用钢框一支、钢框一筒或钢一筒中筒等钢结构体系。同时应与建筑师充分沟通合作，共同商定符合抗震、抗风原则的结构平面与立面布置。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线，否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。

三、预估截面

结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20-1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按1/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估，通常5O<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择H型钢截面等。对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。 除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。

四、构件、节点设计

构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如SS2000， SAP2000等。

连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接。连接的不同对结构影响甚大，比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据的不利结果。节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

节点设计还应考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

五、工程实例分析

某高层建筑5-8层为转换层，转换层结构形式为大型混凝土桁架结构。施工时，底部钢结构提供转换层施工的临时支撑，其平面尺寸为19.8m×10.9m，见

图1。该支撑体系采用钢桁架结构形式，底部用四根方钢管柱支撑钢桁架。

（1）荷载计算。综合考虑临时支撑的安全可靠、经济合理，该支撑体系的荷载计算范围为桁架自重及两边各1m宽楼面的荷载。楼面荷载包括5-8层恒荷载，施工期间一般只有一层活荷载，其中均布恒荷载和活荷载均取为4kN/m2。通过计算每榀桁架承受均布荷载为98.1kN/m。钢材采用Q235B。

（2）桁架设计。桁架计算简图见图2。采用计算软件计算该桁架的内力。受力最大的杆件（5）（6）（7）（8）选一种截面，采用截面350mm×200mm×12mm的矩形钢管。（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）选一种截面，为2∠125×10，节点板厚10mm。其余杆件受力很小，为制作方便，选等边双角钢2∠125×1O。

桁架设计时应注意以下几点：1）杆件的计算长度取值。2）杆件平面内稳定、平面外稳定的验算。3） 节点的焊缝计算。

（3）柱及支撑设计。柱承受轴心压力N=643.62kN，由于该支撑柱几何长度达13.55m，对整个支撑体系至关重要，偏安全采用截面450mm×450mm×14mm的方钢管，柱支撑按构造设计。

则λ=13550/178.1=76.1，截面为b类，φx=0.714。

N/φxA=643.62×103/0.714×24416=36.9N/mm2=210N/mm2，满足要求。

（4）预埋件计算。要保证支撑体系的安全有效，支撑体系应与原结构可靠连接，需在原结构上相应位置设置预埋件。本设计最关键的预埋件在钢桁架上下弦支座处。依据GB50367-2006混凝土结构加固设计规范来进行预埋件设计。

1）桁架下弦支座处：锚筋选用5.8级，锚筋直径d=25mm，锚板厚度16mm。锚筋排列为四排两列。锚筋长度750mm。2）桁架上弦支座处：锚筋选用5.8级，锚筋直径d=20mm，锚板厚度12mm。植筋排列为三排两列。锚筋长度600mm。3）墙体其他预埋件：锚筋选用5.8级，锚筋直径d=20mm，锚板厚度12mm。植筋排列为两排两列，锚筋长度600mm。

六、结论

高层建筑钢结构支撑体系一般包括支撑柱、柱间支撑、直接承受上部荷载钢

结构体系、預埋件等。其中直接承受上部荷载钢结构体系结构形式的选择直接关系支撑结构体系的支撑效果。一般应根据上部荷载情况及临时支撑的平而形式，选择合适的支撑结构体系。本次工程支撑体系采用钢桁架结构形式，底部用四根方钢管柱支撑钢桁架，满足工艺生产操作要求，取得了良好的施工效果。

参考文献：

[1]GB50017-2003. 钢结构设计规范

[2]JGJ99-98.高层民用建筑钢结构技术规程