浅谈多高层钢结构的设计基本原则

1.高层建筑钢结构的应用概况

我国在经济建设发展的基础下，于上世纪90年代初期与末期分别形成了两个高层钢结构建设的高峰期，至今已建成以上海环球金融中心为首的地上101层、总高度492m，高度居世界最高建筑的第三位，还有金茂大厦88层、总高度421m，刚刚竣工的京城第一高楼北京国贸三期主塔楼建筑高度为330米。并且现在又有《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）作为设计依据。08年奥运会主会场鸟巢的建成表明我国国产高性能优质钢板、厚板以满足高层钢结构的用材要求。以上工程实例表明我国已具备建造高层、超高层钢结构的能力。

2.高层建筑钢结构技术经济性能的特点

2.1钢结构材料轻质高强、承载力高而自重轻

钢结构材料与钢筋混凝土相比，其强度重量比指数是钢筋混凝土的5倍以上，这个比值随着钢铁材料的发展更加显著。据统计高层钢结构的自重仅是钢筋混凝土高层结构自重的一半到60%左右。

2．2高层钢结构的自重减轻可显著减小基础负荷和地震作用，从而降低基础及结构的造价

通过各种实例统计得出：高层钢结构地基上单位面积的负荷约可减少25%以上，当为软土地基或人工地基的条件时，这种降低工程造价的影响更为明显；综合考虑阻尼比、质点质量、刚度与周期的影响地震作用约可减少20%~30%。

2.3钢结构钢材在具有高强度的同时还具有高延性、高韧性

优质结构钢的强屈比均可保证大于1．2。按抗震设计规定弹性计算阶段的高层结构层间位移限制，对钢筋混凝土结构规定为h/800，而对钢结构则可放宽到h/250，二者相差3.2倍。可见在地震作用下，由于钢结构有良好延性的优势特征，不仅因吸能而减弱地震作用，而且属较理想的弹塑性结构，具有良好的适应强震变形能力。

2.4减小结构尺寸增加使用面积

由于钢材轻质高强，其梁柱截面尺寸相对较小因而占用的建筑面积也小，相当于增加了使用面积。

2.5施工速度快、周期短

钢结构构件均在工厂制作加工，现场安装，干作业比重大，基本不受气候影响。且钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少。

2.6便于大柱网大开间的建筑布置或转换层设备层、共享空间等建筑特殊平面与空间布置，还便于设备管线的穿越设置

2.7防锈、防火性能差，需特别处理防护

钢结构耐锈蚀能力及耐火能力差（其自身耐火时限仅为5min）是主要缺陷，这是其材料自身特性所决定的。在应用中，应按设防标准采取防锈涂料及防火涂料（或外包板材）防护。目前已有相应的防护规范、配套材料可应用，也可采用耐候钢、耐火钢或钢管（型钢）混凝土构件，提高结构耐火性能。由于采用防护措施也会增加钢结构的造价。

3.结构体系特点

（1）根据国外高层建筑的建设经验，为了保证高层钢结构承载（竖向荷载与水平荷载）的可靠性与结构的合理性，应妥善地选用与配置适用于使用条件的承重结构体系（如纯框架体系、钢框架-支撑体系）、钢筒中筒体系（密柱外筒与密柱内筒相组合）及钢框架-钢筋混凝土剪力墙（或核心筒）组合结构体系。

（2）抗震高层钢结构的体系和布置应符合下列要求：

①应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；

②宜有避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力的多道设防；

③应具有必要的刚度和承载力，良好的变形能力和耗能能力；

④宜具有均匀的刚度和承载能力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部分，应采取加强措施。

（3）当采用钢框架-混凝土筒（墙）混合结构体系时，其抗震设防应考虑双重抗侧力体系，其层间位移的限值应有专门的考虑。

4.高层钢结构的设计特点

（1）设计应遵照专门的设计规程“高层民用建筑钢结构技术规程”进行。应严格要求合理的结构布置与结构体系的选用（如控制结构的偏心率与高宽比等），以及合理的技术经济性能。

（2）结构的抗震设计应进行两阶段设计，第一阶段设计按多遇地震计算地震作用，第二阶段按罕遇地震计算地震作用，并分别验算其位移限值及层间侧移延性比等限值的要求。

（3）严格要求对侧移变形的控制。为了避免过大的P-效应以及舒适度与围护结构不严重损坏要求，结构设计必需满足规定的顶点位移与层间位移限值要求，致使结构的侧向刚度往往是设计中的控制指标。此外，为参照考虑舒适度的要求及避免横向风振的发生，还应验算风荷载作用下的结构顶点加速度与临界风速等。

（4）结构抗震设计对节点抗震承载力验算及构件长细比、板件宽（高）厚比、焊透要求、支撑要求等抗震构造措施，在新的“抗震规范”中均有严格的、专门的要求。

（5）因设计计算的复杂性与较高难度，要求采用更加准确与完善的计算方法与手段，如以风洞试验确定风荷载体型系数，抗震设计需采用震型分解法、弹塑性分析、时程分析法，以及相应的专用计算机软件等。

（6）对钢材等材料的选用要求更高、更严格。如对厚板、H型钢、枪钉、高强螺栓等选用，以及对Z向抗撕裂性能、焊接性能、冲击韧性、延性性能等技术性能的选用等。要求设计人员对所用钢材性能及应用要求有更多了解。

（7）在设计管理及程序上也有严格的要求。如对超规超限的高层钢结构抗震设计，其方案应经专家论证审查通过，同时高层钢结构的计算分析一般应有校核复算（采用不同程序）。

（8）新修订的《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）明确对50m、50~200m及200m以上的多层钢结构规定了抗震设计的有关参数（阻尼值、长细比、板件宽厚比等），需注意区别采用。

【参考文献】

［１］钢结构设计手册（第三版）.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［２］高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［３］建筑抗震设计规范（GB50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［４］陈绍蕃．钢结构（下册）房屋建筑钢结构设计[M] ．北京：中国建筑工业出版社，2003.