一级结构师

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2012年一级结构工程师高层建筑结构方案设计汇总

2.4 高层钢结构方案设计基本原则和方法

高层建筑钢结构设计中，结构工程师应与建筑师紧密配合，要考虑建筑特点、功能、荷载性质、材料供应、制作安装等多种因素，择优选取利于抗震、抗风又经济合理的结构体系和平立面布置。常用的高层建筑钢结构体系有框架体系、双重抗侧体系(钢框架—支撑或剪力墙板体系、钢框架—混凝土剪力墙体系、钢管混凝土框架—剪力墙体系、钢框架—混凝土核心筒体系)、筒体体系(框筒体系、筒中筒体系、桁架筒体系、框筒束体系)和巨型框架体系。

无论采用什么结构体系，具体设计中都应使结构具有明确的计算简图、合理的传力途径、多道抗震防线，力求形成立体构件或尽量使结构能趋向于实现总体屈服机制。结构布置和设计中应尽量使结构具有以下几方面的特点，或注意考虑到以下一些原则。

⑴ 使结构构件能形成立体化，在竖向构件布置时，尽量使由墙或密柱与深梁能组成筒体或巨型柱，使结构单元形成不同力学特性的立体构件，构成在任何方向都具有较大的刚度与抵抗力矩的能力。

⑵ 使柱或巨型柱周边布置，将柱沿平面周边设置使结构整体具有更大的抗侧和抗扭刚度。

⑶ 使结构支撑化。在框筒结构体系中由于水平力作用下存在固有的剪力滞后效应，当功能需要加大柱间距时剪力滞后效应更易削弱结构的抗侧刚度，影响水平承载力，因此在框筒中增设支撑能强化框筒;当房屋四角有巨柱采用支撑使其形成立体支撑体系更有利于抵抗各向力，发挥其材料潜力。

(4)园锥形能减小风载体型系数和增大抗侧抗扭刚度,特别在非地震区由风荷载起控制作用的高层建筑，采用园锥体型能节约材料经济性好。

(5)选用高强、轻质材料，有条件时设置安装传感器、质量驱动装置等减振设置使其动力反应智能化。

(6)应积极探讨将目前的整体结构分析、单个构件设计向整体结构分析、整体结构构件设计方向发展考虑，使各构件的承载力可靠度尽量一致。

(7)用增大结构阻尼方法以减小结构加速度;用合理的几何平、剖面图形合理的墙板及构件连接方法来减小侧向位移，而不要随意采用加大柱截面的方法来提高抗侧抗弯刚度。实践证明外柱布置远离平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向内全高度倾斜等方法均能有效地减小侧向位移值，用增加主梁的线刚度EI/L在框架中也能起到减少侧向位移的作用;而采用加大柱截面的方法来提高框架抗侧刚度其效果将很小且不经济。一般框架刚度通常取决于大梁刚度而不是柱的刚度，因为一般跨度和层高的建筑中柱的刚度比梁刚度已大很多。

(8)在结构的平面与剖面设计中应尽量避免出现不规则体型。建筑的开间进深应尽量统一，框筒、墙、支撑的布置尽量对称。常用的框筒结构中为充分发挥框筒作用应严格控制房屋的高宽比，且内筒边长不宜小于相应外筒边长的1/3，框筒柱跨不宜大于层高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒结构为矩形平面时其长宽比不宜大于1.5:1，否则应改用框筒束体系。筒的墙面开洞面积宜小于50%墙面积，内外筒之间的间距一般可取10~16m，为了保证角柱具有足够的承载力，角柱宜为中心柱截面积的1.5~2倍。一般还应该根据具体情况选用支撑，型钢混凝土墙板、竖缝钢筋混凝土墙板或钢板剪力墙等作为主要抗侧构件。注意应使支撑、剪力墙能沿高度竖向一致连续布置。边柱外柱应尽量使其参与结构整体抗弯以增加整个结构的抗侧刚度和承载力。在抗震设计中应注意使结构形式强节点弱杆件、强竖弱平、强压弱拉。柱的超载必须避免，屈服应控制在梁和支撑上，要多道传力途径，多道设防，适当增多结构的超静定次数。要避免水平刚度产生偏心和竖向刚度、强度的突变。节点连接应刚强。

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