高层建筑结构设计原理课件.pptx

高层建筑结构设计原理,第一章 绪论第一节 国内外高层建筑发展概况,类高层：916层 高度不超过50m,类高层：1725层 高度不超过75m,类高层：2640层 高度不超过100m,类高层：40层以上 高度超过100m以上,一、高层建筑的定义,最大适用高度适用于乙类建筑和丙类建筑。,部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，8度时不超过3层，7度时不超过5层，6度时可适当提高。,短肢剪力墙较多的剪力墙结构，其适用高度比规定的剪力墙结构的最大适用高度适当降低,在结构设计中，高层建筑的高度一般是指从室外地面至主体结构屋面的距离，不包括突出屋面的水箱、电梯间、地下室等部分的高度。,说明,高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物。高层建筑虽然在19世纪末就已出现，但是真正在世界上得到普遍的发展还是20世纪中叶的事，尤其是近40多年来，它犹如雨后春笋，已逐渐遍及世界各国。 从1885年美国兴建第一幢高层建筑芝加哥人寿保险公司大楼（10层，55m）算起，至今已有100多年的历史。,二、高层建筑的发展概况,目前世界上最高的建筑物是迪拜Burj Dubai大厦（161层，828m），第二高楼是我国台湾台北市国际金融中心大厦（101层，508m），目前我国大陆最高的建筑物是上海环球金融中心大厦（101层，492m）。,第二节 高层建筑结构设计的特点,承受的荷载,对结构内力的影响,受力特性垂直荷载方向不变，房屋高度增加，仅引起量的增加；水平荷载或作用则可来自任意方向，反向荷载可能使内力反号。,侧 移从侧移观点看，侧移主要由水平荷载或作用产生，且与高度呈四次方变化,更高的抗震设计要求,抗震结构的概念设计与理论计算同等重要概念设计必须综合考虑，有矛盾时要衡量利弊，因势利导，转化或消除其弱点。最重要的是分析、预见、控制结构的耗能和薄弱部位。,减轻自重减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度和地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。,重视轴向变形影响在高层建筑中，柱的负载很重，柱的总高度又很大，整根柱在重力荷载下的轴向变形有时达到数百毫米，对建筑物的楼面标高产生不可忽略的影响。,需更加关注的问题地震力和结构的地震反应，结构的延性和延性计算，风荷载和结构的风荷载反应，涡流和旋风，结构的端部效应，P-效应，结构的破坏过程，基础和上部结构的共同作用，材料的持久强度和积伤效应等。,各工种间的配合协调一个大的高层建筑，除了建筑、结构、施工外，还有设备、防火、环境、交通、服务设施等，各工种间的配合协调更加重要。,第三节 高层建筑的结构类型及结构体系,钢结构钢材强度高、韧性大、易于加工，钢构件可在工厂加工，有利于缩短施工工期，且施工方便； 高层钢结构断面小，自重轻，抗震性能好。,钢筋混凝土结构造价低，且材料来源丰富，并可浇注成各种复杂断面形状，组成各种复杂结构体系；节省钢材，经过合理设计可获得较好的抗震性能。,一、高层建筑的的结构类型,高层建筑中常用的钢筋混凝土结构体系有：框架结构，剪力墙结构，框架-剪力墙结构，筒体结构。,二、高层建筑结构体系及典型布置,结构特征,三、框架结构体系及适用范围,框架结构柱网布置,工业建筑的柱网布置,民用建筑的柱网布置,框架结构典型平面,框架结构竖向荷载的传递过程,框架弯矩图（单位：kNm）,受力特征和变形特点,整体剪切变形,整体弯曲变形,总变形,框架的剪切型变形侧移曲线,剪力墙结构体系的构成钢筋混凝土剪力墙结构是指用钢筋混凝土墙板来承受竖向荷载和水平荷载的空间结构，墙体亦同时作为维护和分隔构件。,墙体受力状态造剪力墙对侧向荷载的反应与它的平面形状有很大关系，即与其抗弯刚度的大小有关。,四、剪力墙结构体系及适用范围,抗震能力现浇剪力墙结构体系具有较高的抗震能力,墙体布置方案墙体的平面布置应综合考虑建筑使用功能、构件类型、施工工艺及技术经济指标等因素加以确定。,底部大空间剪力墙结构,跳层剪力墙结构,框架-剪力墙（筒体）结构的构成（1）框架与剪力墙（单片墙、联肢墙或较小井筒）分开布置，各自形成抗侧力结构。（2）在框架结构的若干跨度内嵌入剪力墙（有边框剪力墙）。（3）在单片抗侧力结构内连续布置框架和剪力墙。（4）上述两种或几种形式的混合。,五、框架-剪力墙（筒体）结构体系及适用范围,框架-剪力墙（筒体）结构的变形及受力特点,框架-剪力墙（筒体）结构布置在独立的结构单元内，剪力墙的设置数量应符合下列原则和要求： （1）为能充分发挥框-剪体系的结构特性，剪力墙在结构底部所承担的地震弯矩值应不少于总地震弯矩值的50%。 （2）沿结构单元的两个主轴方向，按地震力计算出的结构弹性阶段层间侧移角的最大值应分别不大于高规关于层间侧移角限值的规定。框架-剪力墙结构中剪力墙的布置要符合下列要求：（1）剪力墙布置以对称、周边为好，可减少结构的扭转。（2）纵向与横向的剪力墙宜互相交联成组，布置成T形、L形、形等形状，以充分发挥剪力墙的作用。（3）考虑剪力墙的布置位置,楼板与剪力墙距离（1）剪力墙（或筒体）之间的距离不宜过大高规规定：横向剪力墙沿建筑物长方向的间距L宜满足表1.5的要求，其中B为楼面宽度。当楼板的一端有剪力墙（或筒体），另一端无剪力墙时，则必须注意楼板变形2（2）对框架远端造成的不利影响。（3）框架-剪力墙结构中的楼盖结构。,框架-剪力墙结构的布置,框筒结构体系框筒是由一般的框架结构合乎逻辑地发展起来的，它不设内部支撑式墙体，仅靠悬臂筒体的作用来抵抗水平力,六、筒体结构体系,框架-剪力墙（筒体）结构的变形及受力特点筒体结构体系包括框筒结构、筒中筒结构、框架核心筒结构、多重筒结构和束筒结构等,桁架式筒体为了尽量减少剪力滞后效应，外筒的四周需进一步加强，桁架式筒体就是在房屋四周的外柱之间用巨大的斜撑连接做成桁架,筒中筒结构体系外框筒侧向变形仍以剪切型为主，而核心筒通常是以弯曲型变形为主，两者通过平面内刚度很大的楼板联系，以保证协调工作。它们协同工作的原理与框架-剪力墙类似。（1）要求设计密柱深梁。（2）建筑平面以接近方形为好，长宽比不应大于2。（3）建筑物高宽比较大时，空间作用才能充分发挥。（4）筒中筒结构的内筒与外筒之间的距离以1016m为宜，内筒面积占整个筒体面积的比例对结构的受力有较大影响。（5）在底层，需要减少柱子数量，加大柱距，以便设置出入口。,成束筒结构体系（亦称组合筒结构）两个以上框筒（或其他筒体）排列在一起成束状，相邻两个筒间的公共筒壁成为内框架，内框筒的柱距与外框筒柱距相近，各层窗裙梁是连续的，这样便大大增强了建筑物的抗弯和抗剪能力。,从抵抗水平荷载来讲，为提高结构的刚度，可在建筑的顶部和中部每隔若干层，于设备层或结构转换层处由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连，并沿外围框架设置一层楼高的刚度较大的带状水平梁或伸臂桁架，使建筑外围柱参与结构体系的整体抗弯，承担结构整体倾覆力矩引起的轴向压力或拉力，使外围柱由原来刚度较小的弯曲构件转变为刚度较大的轴力构件，共同抵抗水平荷载引起的倾覆力矩，这种体系称为带加强层的高层建筑结构体系。,七、带加强层的高层建筑结构体系,钢筋混凝土外框筒-钢框架组合体系该组合体系是指由外圈的混凝土框筒和内部钢框架所组成的混合结构体系。,八、钢-混凝土组合结构体系,钢筋混凝土核心筒-钢框架组合体系钢筋混凝土核心筒-钢框架组合体系是指由钢筋混凝土芯筒及铰接或刚接钢框架所组成的混合结构体系。,钢筋混凝土外框筒-钢框架组合体系平面,核心筒-钢框架组合体系平面,带剪力墙的钢框架结构体系剪力墙的常用做法：（1）内藏钢板支撑的钢筋混凝土剪力墙；（2）带竖缝的钢筋混凝土剪力墙,这种体系的主要特点：布置若干个“巨大”的竖向支承结构（组合柱、角筒体、边筒体等），并与梁式或桁架式转移楼层相结合，形成一种巨型框架或巨型桁架的结构体系。,九、巨型结构体系,巨型框架的三个基本形式,采用巨型框架体系的NEC大楼,这种体系的优点是： 应力蒙皮板起着填充墙或剪力墙的作用，能减少层间侧移。 应力蒙皮能减少剪力滞后效应。 应力蒙皮能提高柱的抗倾覆能力。 经济性较好。,十、应力蒙皮筒体结构,梅隆银行大厦,悬挂式结构是以核心筒、刚架、拱等作为主要承重结构，全部楼面均通过钢丝束、吊索牢牢挂在上述承重结构上所形成的一种新型结构体系。悬挂结构充分利用了支承井筒的混凝土抗压性能和钢吊杆的抗拉性能，所以这种结构往往具有自重轻、用钢量少、有效面积大等优点。,十一、悬挂结构体系,悬挂式结构,消能减震通过结构部件附加消能器（称为阻尼器）来耗散地震输入能量，以提高结构的总体阻尼，减少地震作用及水平位移，实现抗震设防目标，是一种积极主动的结构设计理念。消能减震应用中一个重要的问题是优化设置消能器的位置。为了充分发挥阻尼器的耗能效率，阻尼器一般应设置在结构相对位移和相对速度较大的部位，比如层间变形较大位置、节点和连接缝等部位。,十二、消能减震结构体系的发展,高层结构中的黏滞阻尼墙,选择有效的抗侧力结构体系，不仅要从建筑功能要求出发，考虑节约投资，更主要的是取决于建筑的高度。不同的结构体系具有不同的受力特性和不同的高度适用范围。不同高度的建筑物选择不同的结构体系是合理的。但是，对同样的结构体系，由于材料性能上的差异，它相对应的建筑物的合理高度也会有差异。,十三、高层建筑各种结构体系合理高度的选择,高层钢结构体系可能达到的楼层高度,高层钢筋混凝土结构体系可能达到的楼层高度,第四节 高层建筑的结构布置原则, 在地震区应满足抗震要求。, 妥善布置变形缝。, 提高抗侧刚度，减少侧移。, 满足建筑功能要求，便于施工。,一、结构总体布置原则,运用概念设计的原则，搞好结构总体布置所谓规则结构是指平面和立面体型规则，结构平面布置均匀对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载能力和质量分布均匀，无突变。,房屋的适用高度对高层建筑的高度限制，主要出于对房屋抗震性能与抗风能力等的要求，因为超过规定高度限值，按常规设计方法，很难达到相关规程所规定的各项要求。,控制主体结构高宽比H/B对高层建筑最大高宽比的限制，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。,第四节 高层建筑的结构布置原则,（1）高层建筑设计中的一个特点是，风荷载往往成为主要荷载。（2）对于抗震建筑，矩形平面的长宽比以及其他非矩形建筑的凸出部位、凸出长度和长宽比，高规规定了一系列限制性的尺寸。（3）抗震设计中对建筑物的扭转影响特别敏感。（4）楼面的削弱过大对于高层建筑结构非常不利。当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。（5）当不能满足上述要求时，应采取妥善措施。例如，体型复杂的建筑可用防震缝分成规则的结构单元，限制其高度、层数，重要建筑物可设置多道防线等。,二、结构平面布置,竖向布置的一般原则沿竖向刚度突变还由于下述两个原因产生：（1）抗侧力结构（框架、剪力墙和筒体等）突然改变布置（2）结构的竖向体型突变：结构上下有收进或挑出,三、竖向布置,明确限制竖向布置不规则、不均匀的情况（1）高规规定高层框架结构抗震设计时，楼层的侧向刚度（框架结构的楼层侧向刚度定义为单位弹性层间位移所需的层剪力）不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%（2）A级高度高层建筑的楼层层间受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%（3）为了保证结构竖向的规则性，要求结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。,高层建筑设置地下室有如下的结构功能：（1）利用土体的侧压力防止水平力作用下结构的滑移、倾覆。（2）减小土的重量，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。,楼板除传递垂直荷载外，还是传递水平力保证结构协同工作的关键构件。在目前的结构计算中一般都假定楼板在平面内的刚度为无限大，这将大大简化计算分析。所以在构造设计上，要使楼盖具有较大的平面内刚度。高规规定，房屋高度超过50m的框架-剪力墙结构、筒体结构和复杂高层结构应采用现浇楼盖结构。,四、楼 板,五、变形缝的设置与构造,变形缝的定义和作用一般结构中布置的变形缝共有三种：温度缝、沉降缝、防震缝。温度伸缩缝 混凝土浇筑凝固过程中的收缩。 凝固后环境温度变化所引起的收缩和膨胀，如季节温差、室内外温差和日照温差等。 沉降缝多层与高层建筑设置沉降缝的目的是避免地基不均匀沉降而引起上部结构开裂和破坏。,防震缝一般抗震设计的高层建筑，在房屋的下列部位若无足够的保证强度和刚度的结构措施时，宜设置防震缝：（1）平面长度和外伸长度尺寸超出了规程限值而又没有采取加强措施时。（2）各部分结构刚度相差很远，采取不同材料和不同结构体系时。（3）各部分质量相差很大时。（4）房屋有错层，且楼面高差较大处。设置防震缝时，防震缝最小宽度应符合相应要求。,六、基础设计一般原则、基础埋置深度及基础形式,基础和地基（1）要求有承载力大的，沉降量小的，稳定的地基。（2）要求有稳定的，刚度大而变形小的基础。（3）要防止倾覆和滑移，也要尽量避免由地基不均匀沉降引起的倾斜。高层建筑的基础选型（1）条形基础和十字交叉基础（2）片筏基础（3）箱形基础（4）桩基（5）复合基础,条形基础和十字交叉基础,片筏基础,箱形基础,桩基,复合基础,高层建筑的基础埋深（1）一般情况下，较深的土壤承载力大而压缩性小，稳定性较好。（2）高层建筑的水平剪力较大，要求基础周围的土壤有一定的嵌固作用，能提供部分水平反力。（3）在地震作用下，地震波通过地基传到建筑物上，加大埋深，可以减少地震反应。这是因为在地表处地震波幅值增大。地震作用倾覆力矩对高层建筑结构的影响,地震作用倾覆力矩对高层建筑结构的“危险区”,第二章 高层建筑荷载和地震作用计算及设计要求第一节 竖向荷载的计算,恒荷载是指由结构物内部每一构件的重量所引起的静力。引起恒荷载的力包括房屋的承重构件屋面、楼面、墙体、梁柱等构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层等重量以及固定设备重。 确定材料的重量及结构物的恒荷载似乎是件简单的事情，但是恒荷载的估算可能有15%20%或者更大的误差。,一、恒荷载,二、活荷载,楼面活荷载 民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，应按规定采用。屋面活荷载不应与雪荷载同时组合。屋面直升机停机坪荷载屋面直升机停机坪荷载应根据直升机总重，按局部荷载考虑，等效均布荷载不应低于5.0kN/m2。雪荷载 SkrS0,二、活荷载,施工活荷载 一般取1.01.5kN/m2活荷载的最不利布置在计算高层建筑竖向荷载下产生的内力时，一般可以不考虑活荷载的不利布置。按满布活荷载计算。竖向荷载的施工模拟对于层数较多的高层建筑，分析其重力荷载作用效应时，柱、剪力墙的轴向变形宜考虑施工过程的影响。,第二节 风荷载的计算,风荷载在建筑物表面是不均匀的，它具有静力作用（长周期部分）和动力作用（短周期部分）的双重特点，其静力部分称为稳定风，动力部分称为脉动风。,一、风荷载的特点,影响风荷载大小的因素（1）近地风的性质，风速，风向。（2）该建筑物所在地的地貌及周围环境。（3）建筑物本身的高度，形状以及表面状况等。风对高层建筑结构的作用特点,风力对建筑物产生的结果（1）强风会使围护结构和装修产生损坏。（2）风力作用会使结构开裂或留下较大的残余变形。（3）风力使建筑物产生过大的摇晃，居住者感到不适。（4）长期风力作用使结构产生疲劳。风对结构作用的计算顺风向 顺风向风力分为稳定风和脉动风。横风向 除顺风向的振动以外，在横风向，由于升力的作用，也会引起横向风振。 对于顺风向的平均风，采用静力计算方法。 对于顺风向的脉动风，或横风向的脉动风，则应按随机振动理论计算。 对于横风向的周期性风力，或引起扭转振动的外扭矩对结构进行动力计算。,二、风荷载的计算,（一）顺风向单位面积上的风荷载标准值,计算主要承重结构时：WkzzsW0 （kN/m2）计算围护结构时：WkgzzsW0 （kN/m2）基本风压W0基本风压值与风速大小有关。基本风压W0确定的标准条件：空旷平坦地面，离地10m高，统计所得重现期为50年一遇和10min的平均最大风速 （m/s）为标准，并以W0 2/1600来确定的。风压高度变化系数z由于建筑结构荷载规范的基本风压是按10m高度给出的，所以不同高度上的风压应将W0乘以高度系数z得出。,风荷载体型系数s风荷载体型系数s主要与建筑物的平面尺寸、高宽比，建筑物表面形状、透气度，以及风速场的风向，雷诺数等因素有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。风振系数z风振系数主要考虑风载波动中的短周期成分对高度较大（高度30m）或刚度较小的高层建筑产生的动力效应。确定风振系数时，考虑结构的动力特性及房屋周围的环境，采用多自由度或无限自由度体系，按随机振动理论，通过振型分解得到。 阵风系数gz对围护结构，阵风系数gz是与风振系数相似的一个系数，它根据最大脉动风压与平均风压的比值确定。,（二）横风向风振,漩涡的产生与脱落,H和cr的计算跨临界强风共振区等效横向风荷载设计值WLj计算振型效应组合横风向风荷载效应与顺风向风荷载效应组合,（三）总风荷载,在结构设计时，应分别计算在总风荷载作用下结构产生的内力和位移。总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载，z高度处的总风荷载标准值按下式计算,第三节 地震作用的计算,由于基础是房屋和地面的相互接触点，所以，地震时的地面运动通过基础的前后晃动而传给房屋，但房屋的质量又阻止这种运动，因而在整个结构中就引起了惯性力，这个惯性力就是地震作用。,一、地震作用的特点,表土的放大和滤波作用,Elcentro地震波振动记录,二、抗震设防目标及方法,抗震设防目标我国建筑抗震设计规范提出了与这一抗震设计思想相一致的“三水准”设计原则：（1）小震作用下，结构应维持在弹性状态，保证正常使用。（2）中等地震作用下，结构可以局部进入塑性状态，但结构不允许破坏，震后经修复可以重新使用。（3）强烈地震作用下，应保证结构不能倒塌。抗震设计方法第一阶段设计，按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合用弹性方法验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一水准抗震设防目标的要求。第二阶段设计，在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。同时，也要通过构造措施，实现在罕遇地震作用下避免倒塌的目标。,三、地震作用的一般计算原则,地震区的高层建筑一般应进行抗震设防抗震设计的高层建筑应根据使用功能的重要性分为甲、乙、丙三个抗震设防类别。考虑地震作用应遵循的原则（1）一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。（2）质量和刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。（3）9度抗震设计时的高层建筑应考虑竖向地震作用与水平地震作用的不利组合。,地震作用计算方法（1）高层建筑结构宜采用反应谱振型分解法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的反应谱振型分解法。（2）对高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用反应谱底部剪力法。（3）甲类高层建筑结构，表2.16所列的乙、丙类高层建筑结构，质量和刚度分布特别不均匀的高层建筑结构，宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。,四、地震作用的计算方法,计算结构总水平地震作用标准值Fek计算水平地震力沿高度的分布,（一）反应谱底部剪力法,地震影响系数曲线,不考虑扭转影响的振型分解反应谱法（平面结构振型分解反应谱法）当结构的平面形状和立面体型比较简单、规则时，对于质量和刚度分布比较均匀、对称的高层结构，可视为无偏心的结构。该类结构在地震水平平移分量作用下，不会产生扭转振动或扭转振动甚微，可忽略不计。考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法（空间结构振型分解反应谱法）建筑抗震设计规范规定，结构考虑水平地震作用的扭转影响时，可采用下列方法： （1）规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应宜乘以增大系数。（2）考虑扭转影响的结构。,（二）振型分解反应谱法,计算步骤（1）根据结构特征选择平面结构或空间结构模型及相应的串联质点系或串联刚片系振动模型。（2）建立质点系或刚片系的无阻尼自由振动方程并解之，得质点系或刚片系的各阶振型Xji或Xji、Yji、ji和周期Tj。（3）取前若干个较长的周期T1，T2，Tm，按照建筑设防烈度、设计地震分组、场地类别，分别查反应谱曲线得相应于前若干个振型的地震影响系数1，2，m。（4）计算出前若干个振型的振型参与系数j或tj或j。（5）分别按公式计算质点系或刚片系的前若干振型的地震作用。,水平地震作用下地震内力的调整（1）长周期结构地震内力的调整最小地震剪力。水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求： （2）考虑地基与结构相互作用的影响对地震内力的调整。高层建筑结构的分析与设计经历了不考虑上、下共同相互作用的阶段，仅考虑基础和地基共同作用的阶段，到现今开始全面考虑上部结构和地基基础相互作用的新阶段。建筑抗震设计规范规定，结构抗震计算，一般情况下可以不考虑地基与结构相互作用的影响。,高层建筑的主楼屋面上往往设置有电梯机房、公用天线房、水箱之类的专用小塔楼。地震时，这些突出屋面部分的小塔楼将受到主体建筑振动的激励，会产生明显的鞭梢效应。采用振型组合法的计算能反映鞭梢效应的影响。当采用底部剪力法计算时，突出屋面的小塔楼可作为一个质点（第n层）参加计算，计算得到的地震力应予以放大，即（1）放大系数n是根据振型组合法计算结果与底部剪力法计算结果之比并加以调整得到的。（2）试验表明，由于小塔楼的影响，主体结构最顶部的几层，其剪力值比按底部剪力法计算的结果要大，设计中应加以适当调整。（3）需要注意，对于计算的顶层附加水平地震作用标准值应作用于主体结构的顶层，而不应置于小塔楼的层顶处。,（三）突出建筑物屋面部分的水平地震力计算,时程分析法又称动态分析法或直接动力法。它是将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用逐步积分法进行结构动力反应分析，计算出结构在整个地震时域中的振动状态全过程，直接给出各时刻各杆件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺序，以便找出可能发生应力集中和塑性变形集中的部位以及其他薄弱环节。 时程分析计算时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符,（四）时程分析法,设计步骤（1）选择合适的地震波，使之尽可能与建筑场地可能发生的地震强度、频谱特性和持续时间三要素符合。（2）根据结构体系的受力特点、计算机容量、地震反应内容要求和计算精度要求等确定合理的结构振动模型。（3）根据结构材料特性、构件类型和受力状态选择恰当的构件或结构的恢复力模型，并确定恢复力特性参数。（4）建立结构在地震作用下的振动微分方程。（5）采用逐步积分法求解振动微分方程，得出结构地震反应的全过程。（6）必要时可利用小震下的结构弹性反应所计算出的构件或杆件最大地震内力，与其他荷载内力组合，进行截面设计。（7）采用允许变形限值来检验中震和大震下结构弹塑性反应所计算出的结构层间侧移角，判别是否符合要求。,地震波的选取与调整（1）地震波的选取（2）所选地震波的调整结构振动模型（1）杆系模型（2）层模型恢复力模型由于结构的材料性质、受力方式和构件类型不同，恢复力特性较复杂，必须通过大量试验研究才能做出其恢复力特性曲线。,结构弹塑性分析用的杆模型,结构弹塑性分析用的层模型,常用的恢复力模型,结构振动方程的建立在建立高层建筑结构的振动模型之后，可将高层结构的地震反应分析转化为多质点系的振动分析。由结构动力学可得其振动微分方程为结构振动方程的求解方法结构振动方程一般采用数值解法，而且多采用逐步积分法。使用逐步积分法求解振动方程常用线性加速度法、中点加速度法、Wilson-法、Newmark-法、Runge-Kntta法等进行。,竖向地震荷载可利用水平地震作用反应谱理论来确定。结构物总竖向地震作用的标准值FEvk建筑物任意楼层i（质点）处的竖向地震力标准值Fvi（1）各楼层的竖向地震作用标准值（轴力），实际上是按各构件承受的有效重力荷载代表值比例分配的，并应考虑向上或向下作用产生的不利组合。（2）对水平长悬臂构件和大跨度结构考虑竖向地震荷载作用时，竖向地震作用标准值在8度、9度设防地区，可分别取该结构及所承受的重力荷载值的10%和20%计算。,（五）竖向地震作用的计算,（六）三向地震作用效应组合 实测强震记录表明，地震的地面运动是三维运动。因此严格来讲，抗震设计应该考虑三向地震作用效应的组合。,理论计算法有刚度法、柔度法、换算质量法、能量法等 经验公式经验公式一般是通过脉动法测得某一类型结构物的自振周期。半理论半经验公式 （1）多层及高层钢筋混凝土框架、框架-剪力墙和剪力墙结构，当重量和刚度沿高度分布比较均匀时，按等截面悬臂梁作理论计算，可按顶点位移法确定周期。 （2）能量法适用于以剪切型变形为主的框架结构。 （3）实测经验公式法。（4）高振型周期可以用以下比值近似估算：当剪切型振动时，T2/T10.33；当弯曲型振动时，T2/T10.16；当弯、剪型振动时，T2/T10.160.33。,五、结构基本自振周期,第四节 高层建筑结构的荷载效应组合,荷载一般有四种代表值，即标准值、频遇值、准永久值和组合值。其中标准值是荷载的基本代表值，其他代表值是标准值乘以相应的系数后得出的。一般高层建筑荷载效应组合分为：1. 无地震作用效应组合无地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值应按下式确定2.有地震作用效应组合有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应组合的设计值应按下式确定,第五节 高层建筑结构计算简化的一般规定,弹性工作状态假定线弹性分析方法是最基本的结构分析方法，也是最成熟的方法，可用于所有高层建筑结构体系的计算分析。 水平荷载作用方向假定实际风荷载和地震荷载作用方向是随机的，但是在结构计算中常常假定水平力作用在结构的主轴方向，然后分别对每个主轴方向进行内力分析。平面结构假定实际上，任何结构都是一个空间结构，但为简化计算，对规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系和框筒结构，可将结构沿两个正交主轴划分为若干平面抗侧力结构（抗侧力结构在平面外刚度很小，可以忽略），每一个主轴方向的水平荷载和地震作用由该方向的平面抗侧力结构承受，垂直于该方向的抗侧力结构不参加工作。,楼板在自身平面内刚度无限大的假定高层建筑的楼、屋面绝大多数为现浇钢筋混凝土楼板和有现浇面层的预制装配整体式楼板，进行高层建筑内力和位移计算时，可视其为水平放置的深梁，具有很大的面内刚度，可近似认为楼板在其自身平面内为无限刚性。主体结构嵌固部位下部楼层（地下室一层）与上部楼层（地上一层）的侧向刚度比，可按下列方法计算： （1）按照主体结构计算时的楼层侧向刚度（楼层剪力与该楼层层间位移的比值）计算。 （2）近似按照高规附录E规定的楼层等效剪切刚度比控制，即,第六节 高层建筑结构的设计要求一、极限承载能力的验算,不考虑地震作用的组合内力，有考虑地震作用的组合内力，有,二、侧向位移限制和舒适度要求,侧向位移限制在正常使用条件下，限制高层建筑结构层间位移的主要目的有以下几点（1）目前的抗震设计方法是两阶段设计，强度计算是以小震来考虑的。（2）保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件以及顶棚、装修、屋面、楼面等的防水完好无损，并能保证正常使用。（3）产生过大的侧移变形将使构件产生附加内力，在高层、超高层建筑中的P-效应不可忽略。（4）如果结构存在薄弱层，在强烈地震作用下，结构的薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，会引起结构严重破坏甚至倒塌。,舒适度要求（1）舒适度和风振加速度限值在超高层建筑中，必须考虑人体的舒适度，不能用水平位移控制来代替。（2）风振加速度计算公式顺风向顶点最大加速度 横风向顶点最大加速度（3）横风向共振控制圆筒形高层建筑有时会发生横风向的涡流共振现象，此种振动较为显著，设计时不允许出现横风向共振。一般情况下，设计中用高层建筑顶部风速来控制。,根据要求的严格程度，抗震等级分为四级：很严格（一级）、严格（二级）、较严格（三级）和一般（四级），特殊要求时则提升至特一级，其计算和构造措施比一级更严格。房屋抗震等级时尚应符合下列要求：（1）框架结构中设置少量抗震墙，在规定的水平力作用下，框架底层所承担的地震倾覆力矩大于结构地震总倾覆力矩的50%时，其框架的抗震等级仍应按框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与框架结构抗震等级相同。（2）裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定抗震等级外，与主楼相连的相关范围（部位）不应低于主楼的抗震等级。（3）当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分，抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。,三、高层房屋的抗震等级和抗震措施,弹塑性变形验算是第二阶段抗震设计的内容，以实现“大震不倒”的设防目标。 高规仅对有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构和有明显薄弱层的不规则结构作了两阶段设计要求，即除了第一阶段的弹性承载力设计外，还要进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的抗震设防要求。,四、罕遇地震作用下的弹塑性变形验算,应进行弹塑性变形验算的高层建筑结构（1）在79度设防下，高度较大或质量、刚度沿高度分布不均匀的结构，要用时程分析法计算罕遇地震作用下的弹塑变形。（2）甲类建筑和9度时的乙类建筑结构。（3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。（4）79度设防的y0.5的框架结构。,简化计算方法不超过12层且刚度无突变的框架结构可用此法。计算步骤： 确定结构薄弱层的位置。 对薄弱层的层间变形进行验算。弹塑性分析方法采用弹塑性动力时程分析方法进行薄弱层验算时，宜符合以下要求：（1）应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线。（2）地震波持续时间不宜少于12s，一般可取结构基本自振周期的510倍；地震波数值化时可取为0.01s或0.02s。（3）输入地震波的最大加速度。重力二阶效应因为结构的弹塑性位移比弹性位移更大，在弹性分析时需要考虑重力二阶效应的结构，在计算弹塑性变形时也应考虑重力二阶效应的不利影响。,五、结构整体稳定与倾覆,重力二阶效应与结构稳定结构的整体稳定分析主要是考虑二阶效应的结构分析。高层结构整体稳定要求（1）剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求： （2）框架结构应符合下式要求： Di （i1，2，n）可以不考虑P-效应的刚重比要求如果结构满足下列条件要求，重力二阶效应的影响相对较小，可忽略不计。 Di,P-效应的近似考虑结构位移增大系数F1、F1i以及结构构件弯矩和剪力增大系数F2、F2i可分别按下列公式近似计算：（1）对框架结构，可按下列公式计算：（2）对剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构，可按下列公式计算：整体倾覆验算（1）倾覆力矩与抗倾覆力矩的计算（2）整体抗倾覆的控制基础底面零应力区控制,结构整体倾覆计算示意图,结构抗震性能设计及计算（1）建筑抗震设计规范规定，当建筑有使用功能上或其他的专门要求时，可按高于一般情况的设防目标（三水准二阶段设计）进行结构抗震性能设计。（2）不同抗震性能水准的结构可按下列规定进行设计。 第l性能水准的结构。在设防烈度地震作用下，结构构件的抗震承载力应符合下式规定 第2性能水准的结构。其正截面承载力应符合下式规定, 第3性能水准的结构应进行弹塑性计算分析 第4性能水准的结构应进行弹塑性计算分析在预估的罕遇地震作用下，结构薄弱部位的层间位移角应符合本规程规定 第5性能水准的结构应进行弹塑性计算分析,高层建筑结构防连续倒塌设计（1）结构连续倒塌的概念结构在遭遇灾害作用后因局部破坏导致连续性倒塌或大范围的破坏现象，称为连续倒塌。（2）防连续倒塌的设计原则防连续倒塌的设计方法可以分为两类：间接设计方法和直接设计方法。对于一般的混凝土结构，只需进行防连续倒塌的概念设计，满足以下设计要求： 采取减小偶然作用效应的措施。 采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施。 在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束，布置备用的传力途径。 增强疏散通道、避难空间等重要结构构件及关键传力部位的承载力和变形性能。 配置贯通水平、竖向构件的钢筋，并与周边构件可靠地锚固。 设置结构缝，控制可能发生连续倒塌的范围。,（3）抗连续倒塌设计基本要求 包括安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求；有特殊要求时，可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。抗连续倒塌概念设计应符合规定：（a）应采取必要的结构连接措施，增强结构的整体性。（b）主体结构宜采用多跨规则的超静定结构。（c）结构构件应具有适宜的延性，避免剪切破坏、压溃破坏、锚固破坏、节点先于构件破坏。（d）结构构件应具有一定的反向承载能力。（e）周边及边跨框架的柱距不宜过大。（f）钢筋混凝土结构梁柱刚接，梁板顶、底钢筋在支呼处宜接受拉要求连续贯通。（g）钢结构框架梁柱刚接。（h）独立基础之间宜采用拉梁连接。,第七节 高层建筑结构的设计步骤,高层建筑设计步骤可分为以下几步：（1）选择合理的结构形式，主要是根据建筑功能的要求，抗震性能以及经济性。（2）确定所选结构上各类构件的截面尺寸和数量（如框架梁、柱截面尺寸，框-剪结构中剪力墙的片数，筒体的壁厚等）。（3）确定结构上各类计算荷载的数值（竖向荷载和水平荷载）。（4）对所选结构进行内力分析和变形计算。（5）对结构构件进行截面设计（各种强度或变形的验算）。（6）建筑物地面以下的基础选择和设计。（7）绘制结构施工图。,第三章 框架结构设计第一节框架结构的布置与计算简图,框架结构的布置框架按支承楼板方式，可分为横向承重框架、纵向承重框架和双向承重框架。框架结构除应满足结构总体布置的一般原则外，还应考虑下面的一些要求：（1）框架只能承受自身平面内的水平力，因此有抗震设防的框架结构，或非地震区层数较多的房屋框架结构，横向和纵向均应设计成刚接框架，设计成双向梁柱抗侧力体系。（2）框架梁、柱中心线宜重合。（3）当梁、柱中心线不能重合时，其偏心距不应大于该方向柱截面宽度的1/4。（4）框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体，抗震设计时，框架结构如采用砌体填充墙，避免形成短柱和减少因抗侧移刚度偏心所造成的扭转。（5）框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重的混合承重形式。,一、框架结构的布置与杆件的截面尺寸,框架结构杆件截面尺寸的确定及其刚度取值（1）框架梁截面尺寸估算框架梁截面尺寸应根据承受竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等多因素综合考虑确定。（2）框架梁截面的惯性矩为简化计算，在设计中可以采用以下方法近似计算框架梁的惯性矩Ib（3）框架柱的截面尺寸估算框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列公式估算 Ac,框架梁的有效惯性矩,计算简图框架结构一般是由横向和纵向框架组成的空间结构，为方便常忽略结构纵向和横向之间的空间联系，通常可近似地按两个方向的平面框架分别计算跨度与层高的确定当各跨跨度相差不超过10%时，可当做具有平均跨度的等跨框架。斜形或折线形横梁倾斜度不超过1/8时，仍可视为水平横梁计算。,二、框架结构的计算简图,框架梁的有效惯性矩,荷载计算作用于框架结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载两种。竖向荷载包括结构自重及楼（屋）面活荷载，一般为分布荷载，有时也有集中荷载。水平荷载包括风荷载和水平地震作用，一般均简化成作用于框架节点的水平集中力。,竖向荷载作用下框架结构双向