高楼钢结构体系设计要点

1.平面形状

（1）基本原则 确定框筒平面形状的原则，一是要有利于框筒空间整体工作特性的充分发挥；二是要具有双向对称轴，使地震引起的扭转振动减小到最低限度。所以，框筒的平面形状以圆形、正方形、正多边形（图4-37a、b、c）为最好，椭圆形、矩形、切角正三角形（图4-37d、e、f）次之。其他形状则更差一些。

图4-37 框筒的平面形状

a）圆形 b）正方形 c）正多边形 d）椭圆形 e）矩形 f）正三角形

（2）指标对比 对于几种不同平面形状的框筒，在相同水平荷载作用下，当框筒的平面面积相同时，若以正方形框筒为基准，其各项指标均取1，其他形状框筒各项指标的相对值列于表4-6。可以看出，不论是结构侧移还是柱的轴力，都是以圆形框筒为最小，1∶2矩形框筒为最大。

表4-6 几种不同平面形状框筒工作状态的比较

（3）圆形平面的优点 在风荷载作用下，圆形框筒则显得更加有利。圆形平面的风荷载体型系数的总值仅为0.8，方形和矩形平面则达1.3～1.4。在基本风压值相同的情况下，几种平面形状框筒的计算结果相对值，也列于表4-6。可以看出，圆形框筒的相对值进一步减小，1∶2矩形框筒的相对值进一步增大。两者的差别竟扩大到五倍以上，设计人员在确定平面形状时应予以足够的重视和充分的考虑。

2.平面尺寸

为了使框筒的空间整体工作特性得以充分发挥，单个框筒的平面尺寸不能过大。对于水平荷载，垂直于水平荷载方向的框筒边长不应超过45m。此外，采用矩形平面时，长边与短边的比值，一般情况下不宜大于1.5，任何情况下均不应大于2。

工程中遇有超过上述尺寸限值的情况时，应考虑采用框筒束。即在长边的中点附近，增加一片由密柱、深梁组成的横向框架。或者在顶层以及每隔15层左右的加劲楼层内，沿框筒四个边增设一层楼高的周边桁架，来弥补因尺寸过大而引起的框筒空间作用方面的损失。

3.高宽比

（1）高宽比下限 筒体结构只有在比较细长的情况下，才能类似于管形截面竖向悬臂杆那样，发挥立体构件整体弯曲的空间作用。因此，外框筒的高宽比值宜大于4。如果框筒的高宽比值在3以下，其工作性能就接近于4棍框架，翼缘框架参与整体抗弯的作用很小。

（2）高宽比上限 外框筒的高宽比也不能过大。否则可能出现如下情况：①建筑物会因框筒抗推刚度不足而产生过量侧移；②框筒柱因水平荷载巨大，倾覆力矩引起的拉应力，超过重力荷载引起的压应力，而出现轴向受拉；③建筑物在阵风作用下所产生的振动加速度也难于控制在允许限值以内。此外多数工程师认为，位于非地震区的钢结构框筒，其高宽比值不宜超过8。

4.柱距

框筒柱距的大小是决定框筒空间整体工作性能的决定性因素。为发挥密柱框筒的空间整体作用，框筒的柱距不宜大于3m，也不宜大于层高。当房屋很高时，柱距可适当放宽，但也不宜超过4.5m。一般而言，当柱距大于3m时，框筒的空间整体作用逐渐减弱，框筒将逐步蜕变为4棍普通框架。对于柱距超过上述规定的框筒，应参照前文所述采取克服剪力滞后的有效措施。

5.立面开洞(www.xing528.com)

（1）立面开洞率 框筒的设计概念是从墙筒引伸过来的。框筒相当于密布洞口的墙筒，因而开洞率不能太大。一般情况下，钢框筒的立面开洞率不宜大于40%，任何情况下都不得大于50%。表4-7列出不同立面开洞率的框筒，角柱与翼缘框架中柱的轴力比，以及主要建筑材料的相对用量。可以看出，开洞率越大，力的分布越不合理，材料用量越多。

表4-7 开洞率对框筒轴力分布和材料用量的影响

（2）窗洞形状 窗洞的形状对框筒受力状态也有很大影响。洞口的高宽比h₀/l₀应尽量接近于层高与柱距的比值h/l。应该避免过于细高和过于扁宽的洞口。细高的洞口使窗裙梁（窗台梁）高度减小，剪力滞后效应增大；扁宽的洞口使框架平面内的柱宽减小，框筒的整体剪切变形增大。

6.框筒柱截面特性

（1）一般柱的截面特性 框筒柱宜采用矩形或H形截面，并将截面的长边或强轴（H形柱腹板）顺所在框架平面内布置。这一点有别于框架。在普通框架中，因为地震可能来自任何方向，不论是横向还是纵向，柱都是抵抗楼层剪力的主要杆件，所以普通框架中的柱一般均采取正方形截面。

风或地震等水平荷载作用下的框筒，楼层水平剪力主要由平行于水平荷载方向的腹板框架中的各柱来承担；垂直于水平荷载方向的翼缘框架中的各根柱，主要是承担倾覆力矩引起的轴向压力或拉力。也就是说，不论地震来自何方，框筒中的柱，总是仅承担平行于所在框架平面的楼层水平剪力。楼层抗剪刚度的大小，更多地取决于该方向框架中各柱的截面惯性矩。所以，采用矩形或H形截面柱，使长边或腹板平行所在框架平面，有利于提高框筒的抗推刚度和抗剪强度。

应该指出，前面关于“框筒中的柱，总是仅承担平行于所在框架平面的楼层水平剪力”的说法，是有条件的，是建立在框筒柱截面长边h平行于所在框架平面，而且截面长边h远大于短边b的情况。如果像某些工程那样，由于建筑立面要求，限制了柱的立面宽度，柱截面只能向垂直于所在框架平面的方向扩大，在楼房的下部几层，柱的立面宽度h反而小于柱的截面厚度b。在这样的情况下，翼缘框架柱不但要承担水平剪力，而且剪力值还大于腹板框架柱。因为在框筒建筑中，各层楼盖均假定为刚性盘体，在水平荷载作用下，各层楼盖仅产生平移，而不产生水平变形。不论是腹板框架，还是翼缘框架，各根柱的层间侧移是相同的，均等于δ_i（图4-38）。各根柱所承担水平剪力的大小，是与各根柱平行于剪力方向的层间抗推刚度成正比。如果柱的立面宽度h小于截面厚度b，翼缘框架柱平行剪力方向的边长（b）大于腹板框架柱平行剪力方向的边长（h），翼缘框架柱的层间抗推刚度反而比腹板框架柱的抗推刚度要大，翼缘框架柱所承担的垂直于所在框架平面的水平剪力，以及由此产生的柱端弯矩，均比腹板框架柱所承担的平行于所在框架平面的水平剪力和柱端弯矩要大。对于这种情况，框筒的各根柱既要沿所在框架平面方向，又要沿垂直于所在框架平面的方向，进行受剪承载力验算。

图4-38 框筒腹板框架和翼缘框架中各柱的层间侧移

a）框筒平面 b）框筒的楼层立面

（2）角柱的截面特性 框筒的角柱应采用较大截面，并以L形截面为好。通常，角柱的截面面积要比其他柱大两倍以上。除了因为角柱是协调翼缘框架和腹板框架变形的共用杆件处外，更主要的是，角柱的轴向应力远大于其他柱的轴向应力（图4-34），地震时窗裙梁刚度退化使框筒剪力滞后效应加剧后，角柱的应力还会进一步增长。加大角柱截面尺寸对于平衡倾覆力矩将是最有效的，对于提高其抗压可靠度也是必要的。

7.窗裙梁截面特性

窗裙梁竖向刚度是决定框筒空间作用强弱的关键性因素，尽可能加大窗裙梁的截面高度是必要的。布置窗裙梁的可利用高度范围自本楼层的窗顶直至上一楼层的窗台面。窗裙梁截面高度一般取1.0～1.5m，任何情况下不得小于0.6m。此外，窗裙梁的高跨比还不应小于1/3。

8.周边桁架的布置

实践证明，在框筒的顶层以及每隔15层左右的楼层内沿框筒周边设置一层楼高的周边桁架，可以限制楼层梁柱节点的转角，显著减轻框筒的剪力滞后效应，减小框筒的侧移值。