钢材具有强度高、材质均匀、延性好等优点，是建造高层建筑结构的理想材料。高层建筑钢结构在发达国家应用较多，近二十年来，我国也建造了几十幢高层钢结构房屋。随着国民经济的发展和综合国力的增强，我国的高层建筑会越来越多地采用钢结构。
高层建筑钢结构与混凝土结构的设计方法有其共性，也有其特殊性，本节简要介绍高层建筑钢结构设计的特殊性，重点是其抗震设计方法。
目前应用较多的高层建筑钢结构体系有：框架体系；双重抗侧力体系，包括钢框架-支撑（剪力墙板）体系、钢框架-混凝土剪力墙体系和钢框架-混凝土核心筒体系；筒体体系，包括框筒体系、桁架筒体系、筒中筒体系和束筒体系。此处突出钢结构的特点，仅简要介绍其中的三种体系。
框架结构体系由于在柱子之间不设置支撑或墙板之类的构件，故其建筑平面布置灵活。这种结构体系的抗侧力能力依赖于梁柱构件及其节点的刚度与强度，故梁柱节点必须做成可靠的刚接。地震区的钢框架结构房屋一般不超过12层。
在框架的一部分开间中设置支撑，支撑与梁、柱组成一竖向支撑桁架体系（图10.1.1），并通过楼盖与无支撑框架共同抵抗侧力，称为钢框架-支撑体系；若用钢板剪力墙代替钢支撑，嵌入钢框架，即为钢框架-剪力墙板体系。在这种结构体系中，钢框架的刚度小，承担的水平剪力小；竖向支撑桁架（剪力墙板）的刚度大，承担的水平剪力大。与混凝土框架-剪力墙结构相似，钢框架-支撑（剪力墙板）体系为双重抗侧力体系，其整体侧移曲线一般呈弯剪型。框架-支撑体系中的竖向支撑，通常是在框架的同一跨度内沿竖向连续布置，如图[10.1.1（a）]所示。在水平荷载作用下，此种支撑部分由于其宽度较小，整体弯曲变形所引起的顶部侧移较大，且柱脚受到很大的轴向拉（压）力，设计中难以处理。如将竖向支撑布置在两个边跨[图10.1.1（b）]，或根据结构侧向刚度上小下大的实际需要，上面几层布置在中跨，下面几层布置在两边跨[图10.1.1（c）]，则其侧向刚度均比常规的沿中跨布置[图10.1.1（a）]大得多，而且柱脚处的轴向拉（压）力亦相应减小。
支撑桁架腹杆的基本形式有单向斜杆支撑[图10.1.2（a）]、十字交叉支撑[图10.1.2（b）]、人字形支撑[图10.1.2（c）]、V形支撑[图10.1.2（d）]和K形支撑[图10.1.2（e）]等。根据支撑斜杆的轴线与框架梁柱节点交会还是偏离梁柱节点，可分为中心支撑框架（图10.1.2）和偏心支撑框架（图10.1.3）两类。
中心支撑框架中的支撑斜杆，在强烈地震的反复作用下，受压时容易发生屈曲，反向荷载作用下受压屈曲的支撑斜杆不能完全拉直，而另一方向的斜杆又可能受压屈曲，如此多次压屈，致使支撑框架的刚度和承载力降低。因此，中心支撑框架一般用于抗风结构，抗震设计时对于不超过12层的钢结构房屋亦可采用。另外，因为K形支撑斜杆的尖点与柱相交，受拉杆屈服和受压杆屈曲会使柱产生较大的侧向变形，可能引起柱的压屈甚至整个结构倒塌，所以抗震设计时不宜采用K形支撑。偏心支撑框架是在梁上设置一较薄弱部位，如图10.1.3中的梁段，称为消能梁段。在强震作用下，消能梁段在支撑失稳之前就进入弹塑性阶段，从而避免支撑杆件在地震作用下反复屈服而引起的承载力下降和刚度退化。试验研究表明，消能梁段腹板剪切屈服，通过腹板耗散地震能量，具有塑性变形大、屈服后承载力继续提高、滞回耗能稳定等特点。因此，偏心支撑框架比中心支撑框架具有更好的抗震性能，更适宜于抗震结构，抗震设计时超过12层的钢结构房屋宜采用偏心支撑框架。用钢板剪力墙代替钢支撑，墙板与框架梁焊接和（或）螺栓连接，镶嵌在框架内，构成钢框架-剪力墙板体系。与现浇混凝土剪力墙相比，钢墙板的刚度较小，与钢框架的刚度比较匹配；钢墙板不考虑其承担竖向荷载，仅考虑其承担水平剪力。
用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架布置在建筑物的周边，即构成桁架筒体系，图10.1.4为一桁架筒示意图。
钢桁架筒体系的柱距大，支撑斜杆跨越建筑物一个立面的边长，沿竖向跨越数个楼层，形成平面巨形桁架，四片平面巨形桁架围成空间桁架筒，形成整体空间悬臂结构。钢桁架筒体系的侧向刚度大，比框筒结构更能充分利用材料，适合于建造更高的建筑。2. 适用高度及高宽比限值
《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-98）规定：钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的高度不宜大于表10.1.1规定的适用高度；其高宽比不宜大于表10.1.2规定的高宽比限值。10.1.2 结构布置
钢结构高层建筑的结构总体布置原则和抗震概念设计与混凝土高层建筑相同，详见2.2节。高层钢结构房屋的结构布置还应注意以下几点。
（1）当采用框架-支撑结构时，支撑框架在建筑物两个方向的布置均宜基本对称，支撑框架 之间楼盖的长宽比不宜大于3，以保证所有抗侧力结构的协同工作。
（2）支撑斜杆及剪力墙板应沿竖向连续布置，使结构的刚度、承载力连续均匀。超过12层的钢结构房屋应设置地下室，此时框架-支撑（剪力墙板）体系中竖向连续布置的支撑（剪力墙板）应延伸至基础；框架柱应至少延伸至地下一层。
（3）钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板，楼板应与钢梁可靠连接。对不超过12层的钢结构，尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板，亦可采用装配式楼板或其他轻型楼盖，应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其他保证楼盖整体性的措施。对超过12层的钢结构房屋，必要时可设置水平支撑。
高层建筑钢结构的地震作用可采用底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法计算。计算结构自振周期时，考虑非结构构件影响的修正系数宜取0.9。
在初步设计时，结构的基本自振周期可按下列经验公式估算：式中，n表示 建筑物层数（不包括地下部分及屋顶小塔楼）。
计算多遇地震作用时，其阻尼比可采用0.035（不超过12层的钢结构）或0.02（超过12层的钢结构）；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。
高层建筑钢结构在水平地震作用下的计算模型和分析方法与其他结构类似或相同，不再赘述，但下列问题应予以注意。
（1）结构内力和位移计算中，应计算梁、柱的弯曲变形和柱的轴向变形，尚宜计算梁、柱的剪切变形。通常不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计入轴力的影响。
（2）工字形截面柱节点域的板件（柱腹板）比较薄时，节点域的变形会增大框架的侧移，故对工字形截面柱，宜计入梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响；中心支撑框架和不超过12层的钢结构，节点域的变形对框架侧移的影响较小，其层间侧移计算可不计入梁柱节点域剪切变形的影响。
（3）钢框架-支撑结构的斜杆两端与梁柱的连接应为刚接，但结构计算时可处理为两端铰接。 中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的截面宽度时，仍可按中心支撑框架分析，但应计及由此产生的附加弯矩。偏心支撑中的消能梁段应取为单独单元。
（4）预制钢筋混凝土墙板嵌入钢框架内，其在水平荷载作用下的变形主要为剪切变形。结构分析时，可按侧移相等的原则，将其折算成等效支撑或等效剪切板。对于带竖缝钢筋混凝土墙板，可仅考虑其承受水平荷载产生的剪力，不承受竖向荷载产生的压力。
（5）当进行结构弹性分析时，宜考虑压型钢板混凝土组合楼盖或现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作，压型钢板组合楼盖中梁的截面惯性矩，对两侧有楼板的梁宜取，对仅一侧有楼板的梁宜取为钢梁的截面惯性矩。当进行结构弹塑性分析时，可不考虑楼板与钢梁的共同工作。bI5.1bbII,2.1
（6）高层建筑钢结构的侧向刚度比较小，重力二阶效应的影响比较明显。因此，当结构在地震作用下的重力附加弯矩（指任一楼层以上全部重力荷载与该楼层层间位移的乘积）大于初始弯矩（指该楼层地震剪力与楼层层高的乘积）的10%时，应计入重力二阶效应对结构内力和侧移的影响。
(7)钢结构构件由结构内力分析所得到的地震内力，在下列情况下应予以调整：
①对于钢框架-支撑结构，框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数，调整后的框架地震剪力应不小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者。
②钢结构转换层下的钢框架柱，按计算得到的地震内力应乘以增大系数，其值可采用1.5。3. 侧移控制
对高层建筑钢结构，应控制其在多遇地震作用下的弹性层间位移和罕遇地震作用下的弹塑性层间位移，其中弹性层间位移角限值取1/300，弹塑性层间位移角限值取1/50。
对于钢框架结构，当其侧移不满足要求时，可采取下列措施：①增大框架梁的刚度，因为结构侧移通常与梁的线刚度成反比，增大梁的刚度比增大柱的刚度经济。但应当注意，增大梁的刚度，其强度相应增加，塑性铰可能由梁上转移到柱上，对整个结构抗震不利。②减小梁柱节点区的变形，这可改用腹板较厚的重型柱或局部加固节点区来达到。③增加柱子数量，这不仅增大了层间侧移刚度，而且也使梁的跨度减小从而使其线刚度增加，但这可能影响使用功能或建筑效果。当上述措施不能显著地减小结构侧移时，可在部分钢框架中设置竖向支撑或剪力墙板，将框架体系改为钢框架-支撑（剪力墙板）体系。
高层建筑钢结构构件的作用效应组合方法与高层建筑混凝土结构相同。抗震设计时，构件截面组合的内力设计值应按下述要求进行调整。
（1）采用人字形和V形支撑的中心支撑框架，其支撑杆件组合的内力设计值应乘以增大系数1.5。
①支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积，增大系数在8度及以下时不应小于1.4，9度时不应小于1.5；
②位于消能梁段同一跨的框架梁内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时框架梁内力与增大系数的乘积，增大系数在8度及以下时不应小于1.5，9度时不应小于1.6。
③框架柱的内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时柱内力与增大系数的乘积，增大系数在8度及以下时不应小于1.5，9度时不应小于1.6。
钢构件的长细比较大，除了应进行梁、柱构件的强度验算外，还应进行稳定验算。验算时采用组合的内力设计值，框架梁可以取梁端内力而不是柱轴线处的内力。抗震设计时，构件的承载力设计值应除以承载力抗震调整系数。
在罕遇地震作用下，钢框架的梁和柱可能弯曲屈服，节点域可能剪切屈服。试验研究表明，在反复水平荷载作用下，节点域板件即使多次剪切屈服，仍具有很好的耗能能力并仍保持其承载力，不会脆性破坏。钢框架的屈服耗能机制是以节点域板件和梁屈服耗能为主，允许部分柱屈服，是混合塑性铰机制。钢框架各部分屈服的理想顺序是，节点域首先屈服，然后是梁端截面屈服，最后是部分柱端截面屈服。这与钢筋混凝土框架的强节点要求不同。因此，对抗震设计的钢框架，应进行节点域的抗剪强度验算，应保证满足强柱弱梁要求。关于钢构件与连接的抗震设计见10.2节。
