第2章结构体系与结构布置.ppt

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1、第二章 高层建筑结构体系与结构布置,2.1 概述 2.2 结构布置原则 2.3 楼盖结构布置 2.4 基础结构布置 2.5 水平位移限值和舒适度要求 2.6 结构布置实例,一.框架结构体系（不包括异形柱结构,1.特点,1）平面布置灵活,2）形成较大的使用空间,3）施工简便、较经济、计算理论较成熟,4）侧向刚度小，侧移大,5）节点是薄弱部位，是设计关键。 （必须为刚接,6）在地震力作用下，易引起非结构构件破坏。 （应设计成延性框架,7）侧移曲线呈剪切型（层间位移随楼层增高而减小,2.适用范围,属于柔性结构， 适用于70 m 或15层以下、地震烈度不太高的各类建筑,2.1 绪论,二.剪力墙结构体系

2、（包括短肢剪力墙、框支剪力墙,1.特点,2.适用范围,属于刚性结构， 适用于150 m 或30层以下的小开间建筑,1）在竖向荷载下视为受压的薄壁柱， 在水平荷载下视为底部固定、顶端 自由的悬臂深梁,2）室内墙面平整，平面布置不灵活，整体性能好，施工麻烦造价较高,3）刚度大、侧移小，抗震性能优越,4）结构自重大，间距受到楼板跨度限制,5）侧移曲线呈弯曲型（层间位移随楼层 增高而增加,代表作品及平面,广州白云宾馆，33层，112.45米，1976年建成，国内首栋百米高层,3、变化情况 （1）框支剪力墙：底层做成框架柱，上层上剪力墙。底层刚度小，上下刚度突变，地震作用下底层内力及塑性变形很大，在地震

3、区不允许单独采用,2）部分落地大空间剪力墙结构 地震区满足建筑需要底层商店 或大堂的需要 布置要点： 落地剪力墙布置在两端或中部， 对称布置，防止扭转. 底层采取加大墙厚，提高砼强 度等措施提高刚度，减小上、 下刚度差 上部应采用开间较大剪力墙方案 落地剪力墙之间距离要加以限制 过渡层楼板整体性和刚度要加大应采用厚度较大的现浇钢筋混凝土板,三.框架-剪力墙结构体系,1.特点,2.适用范围,属于中刚性结构， 适用于140 m 以下的各类高层建筑,1）与框架结构相比，承载力和刚度提高，侧向变形减小； 与剪力墙结构相比，平面布置较灵活,2）剪力墙由于刚度大，承担大部分（80-90%）的力，是 抗侧力

4、的主体，而框架承担竖向力和少部分水平力， 且提供了较大空间,3）通过框剪（筒）的协调工作，改善了框架结构的受力和变形性能，使各层层间剪力和位移趋于均匀，侧移曲线呈弯剪型（反S型、下弯上剪,框架-剪力墙侧移曲线,代表作品及平面,北京饭店,四、 筒体结构 是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系,应用： 1）筒中筒结构 一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似,2）框筒结构 框筒也可作为抗侧力结构单独使用。为了减小楼板和梁

5、的跨度，在框筒中部可设置一些柱子。这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载,3）多筒结构成束筒 成束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心,4）巨型框架 利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即构成巨型框架。巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。 由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有

6、良好的抗震性能,上海证券交易所,5）框架-核心筒结构体系 1、定义：由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。 2、受力变形特点：筒体主要承担水平荷载，框架主要承担竖向荷载。结构兼有框架结构与筒体结构两者的优，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较大的侧向刚度和水平承载力，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构类似,3、与筒中筒结构的区别： 1）筒中筒结构具有良好的空间性能；框架-核心筒结构按平面结构进行分析。 2）框架一核心筒结构的抗侧刚度远小于筒中筒结构。 3）筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主；框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分。 注： 1）对由密柱裙梁

7、形成的框筒结构，由于空间作用，在水平荷载作用下其翼缘框架柱承受很大的轴力； 2）当柱距加大，裙梁的跨高比加大时，剪力滞后加重，柱轴力将随着框架柱距的加大而减小，即对柱距较大的“稀柱筒体”，翼缘框架柱仍然会产生一些轴力，存在一定的空间作用。 3）当柱距增大到与普通框架相似时，除角柱外，其它柱的轴力将很小，由量变到质变，通常就可忽略沿翼缘框架传递轴力的作用，按平面结构进行分析,高层建筑结构设计的基本原则,注重概念设计； 重视结构选型与平、立面布置的规则性； 择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系； 加强构造措施。 重视概念设计（ Conceptual Design ） 概念是思维的基本形式之一，反映

8、客观事物的一般的、本质的特征。 概念设计是指根据事物的本质特征，按一定的目的要求，运用人的宏观思维和判断，正确确定设计中的基本原则，确定方案和实施措施,2.2结构布置原则,高层建筑结构的概念设计，一般是指不经过数值计算，在对高层建筑的地震作用、风作用、温度作用、场地土特征、结构的真实效应和一些基本概念的深刻理解的基础上，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震措施，运用宏观的思维方法去指导设计。对于高层建筑的结构，概念设计比 “计算设计”更为重要。由于外加荷载的不确定性和复杂性以及结构计算模型的假定与实际状况的差异，使计算设计不是在所有情况下都能有效控制建筑结构的力学性能,概念设计涉及的面很

9、广，从方案构思、结构布置到计算简图的选取。从截面配筋到构件的配筋构造都存在概念设计的内容，概念设计是相对于量化的计算而言，通过力学规律、震害调研、实验研究、工程实践经验建立设计概念、设计对策和措施，它比量化计算更有效地从宏观上处理好结构的安全问题。 地震作用影响因素极为复杂，是一种随机的，尚不能预见和准确计算的外部作用，目前规范给出的计算方法是一种半经验半理论的方法，结构抗震设计应该是概念设计、计算设计和构造设计组成的系统设计。其中概念设计对结构的抗震性能起决定性作用。概念设计的核心是结构的规则性和整体性。若结构严重不规则、整体性差，则仅按目前的结构设计计算水平，难以保证结构的抗震、抗风性能,

10、2.1 抗震设防结构布置原则,1）选择有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性。 2）保证地基基础的承载力、刚度，以及足够的抗滑移、抗倾覆能力。 3）合理设置抗震缝。 4）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。 5）多道抗震设防能力。 6）合理选择结构体系。 7）结构应有足够的刚度,8）结构应有足够的结构承载力，具有较均匀的刚度和承载力分布。 9）节点的承载力应大于构件的承载力。 10）结构应有足够的变形能力及耗能能力。 11）突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受鞭梢效应影响。 12）减轻结构自重。 13）应避免因部分结构或构件破坏,1.房屋适用高度,2.房屋适

11、用高度和高宽比（分A类和B类,1）见书中表2.2、2.3。超过A级高度的为B级，B级的高度和高宽比大，但抗震等级、计算和构造措施严。不宜超过B级,2）表中数值适用于钢筋混凝土高层，高层钢结构另有规定,3）注意表下注。（房屋高度,注:（1）表中框架不含异形柱框架结构； （2）部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构； （3）甲类建筑，6、7、8度时宜按本地区抗震设防烈度提 高一度后符合本表的要求，9度时应专门研究； （4）框架结构、板柱剪力墙结构以及9度抗震设防的表列其他结构，当房屋高度超过本表数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效的加强措施,B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大

12、适用高度(m,注：（1）部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构； （2）甲类建筑，6、7度时宜按本地区设防烈度提高一度后符合本表的要求，8度时应专门研究； （3）当房屋高度超过表中数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效措施,2.房屋高宽比：高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制,1）见书中表2.4,2）当高宽比超过5，应验算结构整体稳定和抗倾覆,3）实际工程中存在超限建筑，如深圳地王大厦H/B=8.8，金茂大厦7.6,2.2.3 结构平面布置原则,建筑结构的规则性举例,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现,最为典型的

13、例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用,马那瓜中央银行大厦,试问： 那一幢破坏严重呢,马那瓜美洲银行大厦,平面不规则的类型,平面不规则的类型,33,位移比,1.定义：位移比包含两项内容:楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值；楼层竖向构件的最大层间位移与平均层间位移的比值。 2.公式： 或者 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍;且A级高度高层建筑不应

14、大于该楼层平均值的1.5倍,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑,不应大于该楼层平均值的1.4倍,34,计算位移比仅考虑墙顶、柱顶等竖向构件上节点的最大位移,不考虑其他节点的位移。高层建筑层数多、高度大,为保证高层建筑结构具有必要的刚度,应对其位移比加以控制,主要目的有以下几点,4.控制的意义,1)、保证主体结构基本处于弹性受力状态,避免混凝土墙或柱出现裂缝,同时将楼面梁板的裂缝数量、宽度和高度控制在规范允许范围之内。 (2)、保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显损坏。 (3)、限制结构平面布置的不规则性,避免结构产生较大的扭转效应,35,然而，实际工程中，扭转是

15、难免的，结构不利影响那是肯定存在的，这不是控制位移比就能满足的，所以更准确的说，控制位移比，是为了避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应,36,周期比,1.定义：结构扭转为主的第一自振周期 （ 第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期（第一侧振周期）T1之比。 2.公式：Tt /T1,式中：Tt周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期； T1周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期。 规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（即周期比），A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于 0.85。 周期比主要控制结构

16、扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，使结构的抗扭刚度不能太弱。因为当两者接近时,由于振动藕连的影响,结构的扭转效应将明显增大,37,4.控制的意义,如同位移比的控制一样，周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。 周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。 周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。 楼板开大洞削弱后，宜采取的构造措施： 1）加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋率；采用双层双

17、向配筋，或加配斜向钢筋； 2）洞口边缘设置边梁、暗梁 3）在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋,竖向不规则的类型,2.2.4 结构竖向布置 高层建筑结构的竖向布置应使体型规则、均匀，避免有较大的外挑和内收；结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变,竖向不规则的类型,刚度比,1.定义：指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值，也称层间刚度比。 2.公式：=Ki+1 /Ki,式中：上、下层结构侧向刚度比； Ki+1上层结构侧向刚度； Ki下层结构侧向刚度,按剪切刚度计算： Ki=GiAi/hi 按剪弯刚度计算： Ki=Vi/i 按地震剪力与地震层间位移的比值计算： Ki=Qi

18、/ui,抗规与高规都提供有三种方法计算层刚度，即,3.规范条文的控制目标,抗规附录E2.1规定：筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。 高规4.4.2条规定：抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%，或其上相临三层侧向刚度平均值的80,刚度比主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚度能否满足要求，及薄弱层的判断，均以层刚度比作为依据,4.控制的意义,例如地下室顶板：高规5. 3. 7条规定:高层建筑结构计算中,当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上

19、部结构楼层侧向刚度的2倍,图片：框支结构上下层刚度比过大，形成的薄弱层垮塌,图片：框支结构上下层刚度比过大，形成的薄弱层构件发生剪切破坏,沿竖向刚度突变： （1）结构的竖向体型突变 （2）结构体系的变化,当结构上部楼层相对于下部楼层有收进、或外挑时，应满足： （1）当上部楼层有收进，且 H1/H之比大于 0.2 时，B1宜小于B的 0.75 倍； （2）当上部楼层有外挑时，B不宜小于上部楼 层水平尺寸B1的 0.9 倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m,2.2.5 变形缝的设置 1）缝的分类：沉降缝、伸缩缝和防震缝。 2）设缝的优缺点： 优点：用缝将复杂建筑分为规则的部分，或减小温度应力。 缺点：

20、影响建筑使用功能；立面处理不便；基础防水不易处理等。 ）趋势： 目前趋势是避免设缝 ，或尽可能少设缝,4）伸缩缝 由温度变化引起的结构内力称为温度应力，使房屋产生裂缝，影响正常使用，底部数层和顶部数层较为明显。伸缩缝是为防止温度变化和混凝土收缩导致房屋开裂而设。高层规程规定了伸缩缝的最大间距,增大伸缩缝间距的措施，（1）增加顶层、底层、山墙等部位的配筋;（2）采用有效隔热措施;（3）使用混凝土添加剂等减少收缩;（4）施工中预留后浇带；（5）增大楼板配筋或采用预应力楼板等,注：（1）施工后浇带的作用在于减小混凝土的收缩应力，提高建筑物对温度应力的耐受能力，并不直接减少温度应力。 （2）后浇带，应

21、通过建筑物的整个横截面，将全部墙、梁和楼板分开；在后浇带处，板、墙钢筋应采用搭接接头（图 2.2.6），梁主筋可不断开；后浇带应从结构受力较小的部位曲折通过，不宜在同一平面内通过；一般情况下，后浇带可设在框架梁和楼板的 1/3 跨处，设在剪力墙洞口上方连梁跨中或内外墙连接处,3）沉降缝 （1）设缝：高层建筑的主体结构周围常设置裙房，它们与主体结构的重量相差悬殊，会产生相当大的沉降差。这时可用沉降缝将二者分成独立的结构单元，使各部分自由沉降。 （2）不设缝：需采取以下措施： A、采用桩基，桩支承在基岩上；或采取减少沉降的有效措施并经计算，沉降差在允许范围内。 B、楼与裙房采用不同的基础形式。 C

22、、先施工主楼，后施工裙房，使两者最终沉降量一致。 D、将裙房坐在悬挑基础上,5）防震缝 （1）设缝的优点： 地震作用下，复杂高层结构会产生扭转及复杂的振动形式，并在房屋的连接薄弱部位造成损坏，宜通过设缝将复杂建筑分为规则建筑。 （2）设缝的缺点： 地震作用时，防震缝两侧的房屋很容易发生碰幢而造成震害。 （）防震缝宽度 为防止缝两侧建筑的碰撞，缝必须留有足够的宽度。防震缝最小宽度为： 框架结构：15时，取100mm；15时，每增加25m，加宽20mm,框架-剪力墙结构：取上述规定的70%,但不小于100mm。 剪力墙结构：取框架结构的50%，但不小于100mm。 缝两侧结构体系不同时，缝宽按不利

23、的结构类型确定。 （4）抗震设防的建筑，其伸缩缝，沉降缝宽度均应符合防震缝宽度的要求。 （5）在相邻的高、低结构之间设置防震缝时，不应采取牛腿托梁的做法设置防震缝,沉降缝 伸缩缝 防震缝,避免地震时结构间的相互碰撞,注：必要时可以三缝合一,避免主体与裙房过大的沉降差,减小结构温度应力,2.2.6 截面尺寸初估,1.柱截面,由轴压比控制,系数1.11.2,柱负荷面积,单位面积荷载：框架、框-剪1214kN/m2； 剪力墙、筒体1316,计算截面以上层数,2.梁截面,由高跨比控制：P18表2.9,3.板厚,注意：梁高有减小的趋势,一般楼层：80-140 顶层现浇板：120，宜双层双向配筋 地下室顶

24、板：160,抵抗温度应力 加强顶层约束 提高抗风抗震,2.3.1水平承重结构的主要类型及特点,1.普通肋形楼盖： 单向板肋形楼盖 双向板肋形楼盖 板薄、混凝土用量少、自重轻、施工方便， 井式楼盖 较经济。板底不平，影响美观和使用。 密肋楼盖,2.2.3高层建筑水平承重结构的选型,非预应力平板楼盖常用于剪力墙、筒体结构、可降低层高、 平整；跨度大时自重大、不经济。 现浇非预应力空心板楼盖 无粘结预应力平板楼盖适用于大跨且梁高受限时、 平面布置灵活,2.无梁楼盖： （1）实心平板,预应力空心板楼盖适用于高度50m以下时，但要求严格 （缝内设钢筋、设现浇面层、加强板端连接,2）空心平板,3）组合式楼

25、盖,压型钢板-混凝土楼板 钢梁-混凝土板组合楼盖 网架楼盖,2.4 高层建筑下部结构的选型,高层建筑基础形式及适用范围 柱下独立基础层数不多、土质较好的框架结构 交叉梁基础层数不多、土质一般的框架、剪力墙、框架 剪力墙结构 筏形基础层数不多、土质较弱，或层数较多、土质较好 的结构 箱形基础层数较多、土质较弱的结构 桩基础层数较多、土质较弱的结构 复合基础层数较多、土质较弱的结构,3、基础埋置深度 1）埋置深度可从室外地坪算至基础底面。 2）在确定埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。 (1) 当采用天然地基或复合地基时，埋置深度可取房屋高度的 1/15； (2)

26、当采用桩基础时，埋置深度可取房屋高度的 1/18（桩长不计在内）； (3) 当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性及基础底面与地基之间零应力 区面积不超过限值的前提下，基础埋置深度可不受上述条件的限制,但应验算倾覆和滑移。 3） 高层建筑是设置地下室的功能： (1) 利用土体的侧压力防止水平作用下结构的滑移和倾斜； (2) 减少土的重量，降低地基的附加压力； (3) 提高地基土的承载能力； （4）减少地震作用对上部结构的影响,2.5 正常使用条件下的水平位移验算和舒适度要求,限制层间位移的目的： 保证主结构基本处于弹性受力状态。 保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好

27、，避免产生明显损伤,层间位移角：层间位移与层高之比,2.5.1 水平位移验算,1.舒适度要求 规定的10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度计算值不应超过表2.14的限值。 楼盖结构宜具有适宜的刚度、质量及阻尼，其竖向振动舒适度应符合下列规定： （1） 钢筋混凝土楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz,轻钢楼盖结构竖向频率不宜小于8Hz。自振频率计算时，楼盖结构的阻尼比可取0.02 （2）不同使用功能，不同自振频率的楼盖结构，其振动峰值加速度不宜超过表4.10限值。 2.楼盖结构竖向振动加速度计算,2.5.2 舒适度要求,2.6 结构布置实例2.6.1 住宅建筑,住宅建筑

28、 （1 ) 住宅建筑一般采用剪力墙 结构。 （2 ) 剪力墙住宅早期多为小开 间，横墙间距为2.73.9m， 全部墙体均作为承重墙，因 而可采用较薄楼板。 （3) 剪力墙结构不便于布置商 场、餐厅、停车场等服务 设施,2.6.2 旅馆建筑,旅馆建筑 （1） 旅馆建筑按建筑功能可以分为两大部分：客房部分和公共部分。 （2） 50m以下的高层旅馆建筑通常采用框架、剪力墙结构和框架-剪力墙结构等结构形式。 （3） 50m以上的高层旅馆常采用框架-剪力墙结构和筒体结构,公共性建筑 (1) 高层公共性建筑除一般办公楼外，还包括商业、文教、医疗等公共用途的建筑。 (2) 50m以上的高层办公建筑，较多采用筒体结构,65,2.6.3 公共性建筑