1、巨型框架結構體系在鋼結構高層建筑中的應用成小寶（西南交通大學 成都 610031）摘 要：介紹了巨型框架結構體系的特征、結構類型及在鋼結構建筑中的應用，和抗震設計、結構分析的基本方法。關鍵詞：巨型框架 鋼結構 高層建筑 應用the application of huge framed structural system in steel high-rise buildingscheng xiaobao(south-west jiaotong university chengdu 610031)abstract features, structural type and the applicat

2、ion in steel high-rise buildings of huge framed structure are briefed in this paper, aseismatic design and basic analysis method of huge framed structural system are also in it.key word huge framed structure steel structure high-rise buildings application1 引言今天全球呼吁保護環境，充分利用資源和減少破壞臭氧層的二氧化碳排放。從建筑領域來講，

3、最理想的是著眼將來，建造有長遠生命力的建筑物。由于鋼結構強度高、自重輕、具有良好的延性、抗震性能好、施工速度快等優點以及隨著我國鋼材產量的大幅度提高和鋼材價格的下降，另外由于近年來可持續性發展理論的提出、在政府的高度重視下，鋼結構建筑在我國逐漸發展起來。而在高層建筑中應用鋼結構由于其適宜工廠大批量生產，工業化、商品化程度高、可以將設計、生產、施工、安裝一體化，提高建筑產業化水平，更有著巨大的生命力。近幾年，隨著高層建筑的不斷發展，傳統的抗側力結構形式（如框架結構、框架-剪力墻結構等）不能滿足現代高層建筑多功能、綜合用途的建筑空間要求，尋求新的抗側力結構形式便成為工程設計人員所關注的問題。在一般

4、的框架結構中，框架的各層柱需要承擔其上所有樓層的豎向荷載，而且從上到下柱的截面尺寸是相同的，一般不變，柱子截面尺寸通常也比較大。因此，框架結構體系僅適用于頂層到底層使用性質大體相同的樓層，若樓房各樓層的使用功能有較大變化，某些樓層要求有較大的無柱空間時，就需要采用新的結構體系。大尺度的框架結構（巨型框架結構）體系是一種與傳統框架不同的結構體系。 (a)傳統框架結構體系； (b)巨型框架結構體系圖1 巨型框架結構體系2 鋼結構巨型框架的特征巨型框架結構體系是把結構體系中的框架部分設計成主框架和次框架。主框架是一種大型的跨層框架，每隔610層設置一根大截面梁，每個34個開間設置一根大截面框架柱（如

5、圖1）。主框架大梁之間的幾個樓層，則另設置柱網尺寸較小的次框架。此框架僅負擔著幾個樓層的豎向荷載，并將它傳給主框架大梁，而這些樓層的水平荷載則通過各層樓蓋直接傳到框架上。因為此框架的柱距小、荷載小，又不承擔水平荷載，因而梁、柱截面可以做的很小，以利于樓面的合理使用。主框架各大梁之間的各個次框架是相互獨立的，因而柱網的形式和尺寸均可互不相同，某些樓層也可以按照使用空間的需要抽去一些柱子，擴大柱網。小框架的柱子甚至可以全部在其頂層樓蓋處中止，從而形成一個擴大到整個樓面的無柱大空間，用作大會議室或展覽廳。荷載由巨型框架結構集中承受，巨型柱或桁架梁承受很大的荷載，巨型框架構件比同規模框架構件大，板厚也

6、較大。在鋼筋混凝土巨型框架結構中，主框架的柱和梁通常采用實心截面。從經濟、合理的角度考慮，梁、柱的截面尺寸又不能做的很大。因此，這種框架抵抗抵抗水平剪力的能力有限，用于強臺風或較高烈度地震區的高層建筑時，必須與抗震墻或筒體相配合，組成類似于框架-剪力墻體系或內筒-外框架體系的巨型框架結構體系。鋼結構巨型框架，是直斜桿等組合其中的巨型柱與巨型梁的大框架，無論對豎向荷載或水平荷載，巨型框架承受主要荷載，因此，巨型框架以外的部分，可形成比較自由的空間結構。其次，鋼結構巨型框架結構與一般的高層建筑所使用的純框架結構或框架-支撐結構相比，具有剛度大的特點。即使是寬度與長度之比較大的細長比例結構，在風和地

7、震力作用下也很難搖晃。利用這些特征，可實現在標準層設置少柱的大辦公室空間，不僅留出下層部立體人行道的空間，在上層也可設置大的中庭。3 鋼結構巨型框架結構類型及應用3.1 組合式巨型鋼結構框架將巨型框架結構應用于鋼結構建筑，采用鋼結構組合柱、鋼桁架組合梁作為巨型鋼結構的巨型梁和巨型柱，充分利用高強度高性能鋼材，可顯著提高巨型框架結構抗側移剛度。在超高層建筑中采用有鋼結構巨型框架結構，巨型組合柱和巨型桁架梁本身就可以提供足夠的抗側移剛度，無需再設置剪力墻或核心筒體結構以提高整體結構的抗衡抗震能力。鋼結構巨型框架結構中，在何處配置構成框架的巨型柱以及巨型梁成為問題所在。利用巨型梁剛度與高度較大的特點

8、，可作為機械設備和書庫等荷載大的房間。其次，巨型柱中，設置緊急電梯、避難樓梯及設備通風井。將巨型框架結構與建筑設備規劃相融合，隨樓層而上，設備減少，巨型柱也隨之減少，使空間更高的自由度。東日本國鐵公司大廈于1997年9月建成，是采用巨型鋼框架結構的典型建筑。該建筑高達150.15m，由于使用了巨型框架結構，在標準層設置了26m×21m和26m×11m的無柱空間。框架剖面圖如圖2所示。(a)短跨方向剖面 (b)長跨方向剖面 圖2 組合式巨型框架剖面圖3.2 吊掛式巨型框架鋼結構以寶潔日本總公司技術中心為例，介紹吊掛式巨型框架結構。本建筑的結構構架設計，采用以6層高作為一個單元

9、的鋼結構巨型吊掛式結構。這種結構造成的空間無論在平面上還是在里面上都有很大的自由度；同時，這個巨型結構露出在建筑的外部，創造出一個標志性的建筑外觀。吊掛式巨型結構設在南北服務中心之間。高層部分的面積為39.6m×23.3m，低層部分面積為39.6m×14.3m，內部是完整的無柱空間。因為采用了吊掛式巨型結構，也增大了垂直方向上建筑布置的自由度，而且可以在巨型結構的單元中插入完全開放的內部空間。14層的門廳、1112層的圖書室及1516層的食堂就是分別具有4層和2層高度的自由的空間。底層部分的中庭也是從底層的進廳到11層的連續空間，平面尺度9m×28m，高42m，可

10、以是來自上部的自然光進入辦公室空間。巨型結構的柱、梁以及吊掛支撐都采用組合箱形截面，梁柱截面為900mm×1200mm。支撐截面為900mm×1100mm，板厚為19100mm。在設計這些構件時，使得在遭遇500年一遇的地震時也能保持各構件的彈性狀態。3.3 桁架轉換層式巨型鋼結構框架將巨型鋼桁架應用于高層建筑轉換層，使上部荷載通過桁架弦桿傳遞到下部結構，使得結構轉換層上、下的空間布置具有更大的自由度，同時，桁架轉換層有利于大型管道等設備系統的布置，使轉換層建筑空間得到充分利用。桁架轉換層，通常采用單層或疊層桁架結構，單層桁架可采用等節間空腹桁架、不等節間空腹桁架、混合空腹

11、桁架等；疊層桁架有多個單層桁架（空腹桁架、混合空腹桁架等）疊合組成。典型結構形式如圖3所示。(a)疊層空腹桁架結構 (b)疊層混合桁架結構圖3 桁架轉換層式舉行框架結構于1993年2月建成于日本東京的兼松大廈，即采用此種結構形式。由4根巨型柱和近乎橋梁規模的桁架（巨型桁架）構成巨型框架高25m左右，由此承擔上部10層的全部荷重。參見圖4。圖4 兼松大廈巨型框架結構示意圖巨型桁架部分在4根巨型柱上架設主桁架，內部由次桁架組成井格型，目的是讓建筑物在平面上接近正方形，以使四周的主桁架、巨型柱在承受垂直荷載時以及地震荷載引起的附加軸力時，能達到受力均勻。3.4 聯體超高層巨型框架單體超高層鋼結構建筑

12、由于自身長細比較大，結構在風載和水平地震力作用下橫向側移較大，將巨型框架結構應用于聯體超高層建筑，通過設置在兩棟單體高層建筑之間的巨型桁架連接結構，可明顯減小高層建筑頂部迎風面的水平變形，減小風荷載的傾覆力矩。如圖5。(a)單體模型 (b)聯體模型圖5 傾覆彎矩比較圖（w約為w的50%70%）于1993年3月在日本大阪建成的梅田摩天大樓采用此結構體系，是兩幢超高層大樓用空中庭院連接的世界最早的連體式超高層建筑。該大樓由相隔54m的兩幢樓組成，西樓下部平面33m×54m，標準層平面27m×54m；東樓平面為27m×54m；兩樓從39到40層是剛性連接的空中花園。高層

13、辦公樓部分地上地下都是鋼結構。空中庭園由橫跨南北、連接東西兩樓、高及39、40兩層樓的兩個巨型桁架、剛性井格梁組成，它承受自身重量，同時把東西兩樓剛性的連接起來。見圖6。圖6 梅田摩天大樓框架示意圖在聯體超高層中，空中庭院發揮的主要結構功能是：通過兩樓間的剛性連接，是水平荷載在2幢樓之間相互傳遞、并使兩棟有較大高寬比的大樓在梁跨方向連接后提高抗彎扭的能力。連接效果尤其反映在沿兩樓連接方向作用風荷載時，對于單獨一幢超高層，由于高寬比大、迎風面大，這是不利的外力方向；但由于兩樓并立，共同承擔僅與一幢樓同程度的風力，加上頂部的抗彎扭約束，使結構內力，特別是傾覆力矩，以及變形，與單獨一幢樓的情況相比大

14、幅度減小（見圖5）。1995年1月神戶發生震級為7級的阪神大地震，本建筑離震中不遠，但建筑物主體甚至包括幕墻都絲毫無損，證實了聯體超高層的安全性和連接效果。4 抗震設計和結構分析巨型框架結構可以看成是巨大的多層框架結構，在水平荷載作用下，其變形相類似。巨型框架與普通框架的差別在于（1）將組合柱、桁架梁看作是普通多層框架構件來分析時，主框架梁柱比次級框架梁柱剛度大得多，因此，在次框架構件與主框架構件連接點處，存在剛域；（2）次級框架作為巨型框架的一部分，參與整體計算。4.1 巨型框架結構體系分析時可采用以下計算假定：（1）假定次框架層樓板在自身平面內剛度無限大，出平面剛度忽略不計；主框架層不考慮

15、樓板剛度，而是根據桁架弦桿的變形來分析彎曲變形效果。（2）假定次框架梁、柱剛度很小；（3）主、次框架只考慮自身平面內的剛度，出平面的剛度忽略不計。4.2 結構靜力分析時，可采用三維或二維桿件模型；在進行抗風抗震動力分析時，可將結構等效成每層作為一個質點的彎剪模型或剪切模型，巨型梁節點質量較大。結構分析時，推薦進行以下步驟：（1）荷載分析對永久荷載、動荷載、風荷載、地震荷載進行分析；對施工荷載進行分析，此階段很重要，有條件應模擬施工過程進行階段受力分析，應考慮在巨型框架梁未安裝完成前，次級框架的受力情況和整個體系受力特征。（2）彈性分析 豎向荷載、豎向、水平地震力作用分析，抗風計算及結構變形分析

16、等。（3）彈塑性分析以彈性分析后設計的構件為基礎，進行構件的彈塑性增量分析，以了解構件端部的彈塑性性能，以次為基礎進行最大級地震作用下的結構彈塑性應用分析，確認此時結構不會產生塑性鉸。（4）有限元分析在結構設計計算之后，利用有限元分析軟件ansys對結構整體受力及變形進行模擬分析，用以驗證設計計算結果；并通過有限元分析方法對關鍵構件及關鍵節點進行應力分析，更明確的掌握了解構件各階段的應力狀態。4.3 巨型框架鋼結構設計時，采用高性能鋼材可以減小構件的板厚，縮小構件斷面；新型輕質裝飾材料的應用，也可使結構設計進一步優化，大大提高結構整體的抗風抗震性能。5 巨型框架鋼結構的安裝巨型框架結構構件安裝，一般采用逐層垂直吊裝法，或采用地面拼裝，整體吊裝或頂升的方法進行施工。施工時，易產生如下問題：（1）構件質量巨大，安裝位置高，為確保施工安全，需要建造大規模高強度的臨時支架；（2）高空作業，安全問題突出。因此，巨型框架鋼結構的安裝的施工工藝有待進一步的探討和實踐。6 結束語巨型框架鋼結構建筑，使建筑外形設計與結構設計相結合，外露的巨型框架構件本身就是力與美的展現，隨著新型高性能結構鋼材和輕質裝飾材料的不斷開發和利用，以及先進的焊