高楼钢结构设计要点与实例

1.构件计算原理

目前，世界各国对型钢混凝土构件正截面受弯承载力的计算理论，可以归纳为如下三种方法：

（1）第一种方法——考虑外包混凝土对钢骨刚度的提高作用，按钢结构稳定理论计算。它适用于含钢率（型钢配置率）较大的情况。采用此方法的有英国规范和欧洲规范。

（2）第二种方法——假定构件内的钢骨与外包混凝土形成一个整体，变形一致，从而套用钢筋混凝土的有关计算理论。采用此方法的有美国ACI规范和前苏联CH 3-78《劲性钢筋混凝土结构设计指南》。

试验结果表明，按此方法计算，少数情况偏于不安全。

（3）第三种方法——日本的“强度叠加法”，它不要求钢骨与外包混凝土完全实现整体工作，认为，型钢混凝土构件的抗弯能力，等于其中钢骨的抗弯能力与外包钢筋混凝土抗弯能力之和。

强度叠加法是一种比较实用的方法，但计算结果偏于保守。

2.抗震调整系数

行业标准JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.4.2条规定，有地震作用组合内力设计的型钢混凝土构件的承载力抗震调整系数γ_RE可按表1-13所列数值采用。

表1-13 型钢（钢管）混凝土构件承载力抗震调整系数γRE

3.构件刚度

（1）在进行结构整体内力和变形分析时，型钢混凝土梁、柱及钢管混凝土柱的轴向、抗弯、抗剪刚度都按照钢与混凝土两部分刚度叠加方法计算。

（2）行业标准JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.3.3条规定，结构弹性阶段的内力和位移计算时，构件刚度取值应符合下列规定：

1）型钢混凝土构件、钢管混凝土柱的刚度可按下式计算：

EI＝E_cI_c＋E_aI_a

EA＝E_cA_c＋E_aA_a

GA＝G_cA_c＋G_aA_a

式中E_cI_c，E_cA_c，G_cA_c——分别为构件内钢筋混凝土部分的截面抗弯刚度、轴向刚度及抗剪刚度；

E_aI_a，E_aA_a，G_aA_a——分别为构件内型钢、钢管部分的截面抗弯刚度、轴向刚度及抗剪刚度。

2）无端柱的型钢混凝土剪力墙，可按相同截面的钢筋混凝土剪力墙计算轴向、抗弯、抗剪刚度；有端柱的型钢混凝土剪力墙，可按H形截面混凝土墙计算轴向和抗弯刚度，端柱中的型钢可折算为等效混凝土截面面积计入H形截面的翼缘面积，墙的抗剪刚度可只计入腹板混凝土截面面积。

3）钢板混凝土剪力墙可将钢板折算为等效混凝土截面面积计算轴向、抗弯、抗剪刚度。

4.结构侧移

（1）型钢混凝土结构高楼，按风荷载或地震作用组合，采用弹性分析方法计算所得的结构顶点侧移角u/H和层间侧移角Δu/h，宜满足行业标准JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》所规定的限值。这是因为型钢混凝土结构的较大延性和耗能容量已在框架柱的轴压比限值中得到了考虑。

（2）抗震设计第二阶段，罕遇烈度地震作用下结构柔弱层（Soft and Weak Story）的弹塑性层间侧移角Δu_p/h，宜满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》所规定的限值。

（3）考虑到型钢混凝土结构的变形性能优于钢筋混凝土结构，其侧移角限值，可比上述规程和规范对钢筋混凝土结构所规定的限值适当放宽。

5.柱的长细比(www.xing528.com)

行业标准JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.5.5条规定：型钢混凝土柱的长细比不宜大于30。

6.柱的轴压比

行业标准JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.5.4条规定：当考虑地震作用组合时，“钢-混凝土”混合结构中型钢混凝土柱的轴压比不宜大于表1-14的限值，轴压比可按下式计算：

μ_N＝N/（f_cA_c＋f_aA_a）

式中μ_N——型钢混凝土柱的轴压比；

N——考虑地震组合的柱轴向力设计值；

A_c——扣除型钢后的混凝土截面面积；

f_c——混凝土的轴心抗压强度设计值；

f_a——型钢的抗压强度设计值；

A_a——型钢的截面面积。

表1-14 型钢混凝土柱的轴压比限值

注：1.框支层柱的轴压比应比表中数值减少0.10采用。

2.剪跨比不大于2的柱，其轴压比应比表中数值减少0.05采用。

3.当采用C60以上混凝土时，轴压比宜减少0.05。

7.构件抗震等级

（1）需要进行抗震设防的型钢混凝土结构高楼，应根据其设防烈度、结构体系和房屋高度，确定其各类构件的抗震等级，采用相应的计算和构造措施。

（2）行业标准JGJ 138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》第4.2.6条规定，型钢混凝土结构不同情况下的构件抗震等级，应符合表1-15的规定。

表1-15型钢混凝土组合结构的构件抗震等级

（续）

注：1.框架-剪力墙体系中，当剪力墙部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架部分应按框架体系的抗震等级采用。

2.部分框支剪力墙结构当采用型钢混凝土结构时，对8度设防烈度，其房屋高度不应超过100m。

3.有框支层的剪力墙体系，除落地剪力墙底部加强部位外，均按一般剪力墙的抗震等级采用。