某高層建筑鋼結構設計分析

摘 要：現代建筑要求結構經濟合理、安全可靠。所以鋼結構在結構設計中的應用比重越來越大，作者結合多年結構設計經驗，從鋼結構的特點出發，結合某高層鋼結構設計實例進行分析，介紹了該工程的結構體系。

關鍵詞：高層；鋼結構設計；鋼框架-支撐體系；穩定問題；

1、鋼結構的特點

隨著建筑物越來越向著大跨度、大空間方向發展，傳統的鋼筋混凝土結構已不能完全滿足建筑結構的多樣化，鋼結構彌補了混凝土結構的種種不足之處，且受到廣泛的重視。與混凝土結構相比，鋼結構一般具有如下的特點：

1） 結構構件自重輕。鋼結構與鋼筋混凝土結構相比要輕30% ～ 50% ，結構構件自重輕，因此相應的基礎、地基處理費用也較低。此外，在相同地震烈度下結構的地震反應較小。2） 結構布置靈活。鋼材結構組織均勻，而且強度、彈性模量高，可采用大開間布置，使建筑平面能夠合理分隔，靈活方便。3） 施工周期短。鋼結構的主要構件和配件多為工廠制作，易于保證質量，除基礎施工外，基本沒有濕作業； 構件之間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速，施工周期短。4） 經濟效益高。鋼結構構件采用先進自動化設備制造，運輸方便，因此工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。5） 由于鋼材本身的材質問題，鋼結構耐候性、耐火性、耐腐蝕性，還存在著一些缺陷。6） 構件及結構的穩定性是鋼結構的突出問題。鋼結構的構件截面相對較小，造成了結構容易失穩。因此我們在鋼結構設計和施工時，應采取相應的提高穩定的措施。

2、工程概況

某工程為鋼框架支撐體系，高度約100m，共24層。由主樓和裙樓連接為一體。主樓部分長約70m，寬約26m，主樓建筑面積約34100m2，其中，主樓自19層起，西側平面局部收進4個柱距，約34.8m，形成主樓建筑立面的臺階型。綜合大樓裙樓共3層，同為鋼結構受力體系，頂高15.55m，比對應主樓樓面高1.1m，建筑面積約10472m2，總建筑面積約4.4萬 m2。

本工程設計使用年限為50年，抗震設防分類為丙類，上部結構安全等級為二級。基本風壓取0.6kN/m2（100年重現期），地面粗糙度為 B類，基本雪壓為0.25kN/m2，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅳ類，特征周期Tg=0.90s。

3、結構體系介紹

3.1

豎向承載力系統

綜合大樓為鋼結構框架支撐體系，柱網尺寸為8.7m×8.7m，主樓南北向3個柱距，東西向9個柱距，如圖1所示。

圖1 典型樓層平面布置

綜合大樓鋼結構框架嵌固在地下室頂板標高處，框架柱與框架梁通過高強度螺栓（梁腹板）與二級焊縫（梁翼緣）形成剛接連接，每個柱網區格內（8.7m×8.7m）設次梁，典型區格內次梁設2道，南北向布置，間距2.9m，次梁通過高強螺栓鉸接在框架梁上。

綜合大樓框架柱采用箱型截面，平面根據結構受力特點區分為3種類型，其中，高區（東側5個柱距范圍）的支撐柱為第一種類型，截面為800mm×800mm，板厚為40，50mm，共8根；低區（西側4個柱距范圍）的無支撐柱為第二種類型，共12根；低區

的支撐柱與高區的無支撐柱為第三種類型，共16根，截面為800mm×800mm 和700mm×700mm，板厚為25～40mm，總特點是自西向東截面呈加強趨勢，力求荷載中心與結構的抗力中心趨于重合。框架柱分類從立面上考慮受力變化，也分為3種截

面，1～8層為第一種，8～16層截面規格降低一個等級，16層以上再降低一個等級。由此，整個結構的用鋼根據平立面的受力特點，適度設計為適應的規格，既充分考慮到大樓投資的經濟合理要求，也符合寶鋼的環境經營理念。

本大樓考慮強柱弱梁設計要求，針對規范有關偏心支撐的規定，為確保支撐柱的承載力，對支撐柱在裙樓高度以下設計為方鋼管混凝土柱，鋼柱內灌C40混凝土以滿足 GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》（以下簡稱“抗震規范”）8.2.3條關于框架柱內力設計值的要求。

綜合大樓框架梁柱及次梁均采用 Q345-B 材質，柱身拼接采用一級焊縫。

3.2 抗水平力系統

綜合大樓采用框架支撐體系，鋼框架和鋼支撐共同抵御結構水平外力，其中以支撐系統作為主要抗水平力系統。

綜合大樓支撐系統由縱橫向支撐和均勻分布在高度方向的橫向伸臂桁架共同構成。

本大樓南北向布置3道支撐，間距均為3個柱距，東西向布置在兩列中柱間，東西向支撐中心間距為5個柱距，均滿足抗震規范對支撐框架間樓蓋長寬比不大于3的規定。

框架支撐采用偏心支撐形式，支撐兩端相交于耗能梁上，耗能梁設計為剪切屈服型。偏心支撐體系兼顧了純框架結構和框架中心支撐體系的優點，既能保證正常使用狀態下的合理抗側剛度，在大震作用時又可發揮其耗能效果，在超過12層的高層鋼結構體系中采用偏心支撐能取得較好的抗震效果。

綜合大樓主樓立面為臺階型，東西向荷載不對稱，地震作用下兩側的水平力以及風荷載都呈現東側稍大的特點，據此，本結構南北向的3道支撐截面自西向東逐步加大，與框架柱的布置特點匹配，確保結構剛度中心和水平荷載中心趨于重合。

本結構同時在南北向設置了2道伸臂桁架，分別布置在第7，13，18層。設置伸臂桁架，可有效提高水平荷載作用下的外框架柱的軸力，從而增加框架承擔的傾覆力矩。它對結構形成的反彎作用可以有效地增大結構的抗側剛度，增強結構抗扭性能，減小結構側移，同時也適當均勻化鋼柱承擔的豎向力，有利于結構基礎的設計。

考慮到支撐為軸壓構件的受力特點，綜合大樓支撐截面設計為箱型，避免了 H 型截面強弱軸方向穩定性差異大的缺點，充分發揮材料性能，截面規格為250mm×250mm、300mm×300mm、500mm×300mm，板厚為10～20mm。本結構支撐構件及伸臂桁架斜桿材質設計為 Q345-B。

3.3 樓蓋系統

綜合大樓設計采用壓型鋼板組合樓蓋結構，有利于各種復雜管線系統的鋪設，且在施工過程中可減少傳統模板支模拆模的繁瑣作業，并可多層同時施工，在施工進度、安全性等綜合效果上較其他樓板形式具有優勢。

本大樓樓板壓型鋼板擬采用閉口型。從滿足防火性能要求的角度，可有效減小樓板總厚度要求，增加樓層凈空。閉口型壓型鋼板板底平整，腹板貼合，能適應不同功能房間對天花板的建筑設計；且閉口型壓型鋼板內鋪設的鋼筋更貼近板底，增加鋼筋力矩，充分發揮截面優勢，同等荷載條件下較開口型壓型鋼板樓板含筋率更低。本工程壓型鋼板典型跨距2.9m，材質為Q345，樓板混凝土強度等級C30。

4、鋼結構設計的穩定問題

4·1梁端為剛接的鋼梁穩定問題。通常情況下，梁上有密鋪樓板，因此上翼緣不存在穩定問題，跨中下翼緣一般也不存在穩定問題，但靠近支座處是梁的負彎矩區，下翼緣受壓，可能存在穩定問題，《高層民用建筑鋼結構技術規程》8·5·4條規定：抗震設防時，框架橫梁下翼緣在距柱軸線1/8～1/10梁跨處，應設置側向支撐構件。

4·2柱子在樓層位置應有側向鋼梁保證其施工過程的穩定性。設計中可能會出現柱子有一個方向沒有梁的連系，在使用階段，由于有樓板的側向約束，柱子的穩定是有保證的，但在施工階段，樓板后做，《高層民用建筑鋼結構技術規程》建議相差不宜超過5層，而實際工程中這一差別往往超過10層。這時應驗算柱子的穩定，如果有問題，可以在沒有梁的方向設置一根次梁或臨時支撐來保證其穩定。

4·3《鋼結構設計規范》中對鋼構件板件的寬厚比限值，是防止板件屈曲、保證構件全截面有效的構造保證，在某些工程中，如在轉換層的位置，梁的腹板按這些要求設計，很難實現，且非常不經濟。這時可以從防止腹板屈曲考慮，通過可靠的分析和論證，設置梁腹板的縱、橫加勁肋來保證腹板不會屈曲。

5、結束語

作為一名專業設計人員，設計出結構合理、安全可靠、經濟適用的設計產品是我們的職責，但在鋼結構設計過程中，仍有許多問題都需要我們在實際工程中不斷總結，不斷改進和提高。