高层建筑结构设计教案.ppt

第 一 章,高层建筑结构概述,高层建筑的范畴,通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但 全世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。国际高层建筑会议（1972，伯利恒）划分标准 多层建筑 8层 高层建筑 第一类 9 16层 高度50m 第二类 1725层 高度75m 第三类 2540层高度100m 第四类(超高层)40层 高度100m,民用建筑设计通则(JGJ37)、高层民用建筑 筑设计防火规范(GB 50045)中规定：住宅建筑10层及10层以上为高层建筑；除住宅建筑之外的民用建筑高度超过24m者 为高层建筑(不包括建筑高度超过24m的单层 公共建筑)。高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)规定：10层及10层以上或高度超过28m的住宅以及房屋高度大于24m的其他民用建筑为高层建筑。（本课程内容的依据）,我国对高层建筑的定义,高层建筑设计特点小结,高层建筑同时承受竖向荷载和水平荷载，随着房屋层数的增加，虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要的影响，但水平荷载已成为结构设计的控制因素，侧移成为控制指标。对高层建筑，水平荷载和竖向荷载产生的轴力均很大，不容忽略。为了保证高层建筑的抗震性能，结构应具有较大的延性。高层建筑的材料用量随高度增加而加大，可通过优化设计减小材料用量。,高层建筑结构的主要材料：钢、钢筋、混凝土 相应的结构构件（以材料分类）可分为：钢构件、钢筋混凝土构件、组合构件（包括钢骨混凝土构件和钢管混凝土构件）。相应的结构分类（以材料分类）：钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构（两种或两种以上材料的构件组成的结构，如钢构件+钢筋混凝土构件等）1）钢结构具有强度高，自重轻（有利于基础），延性好，变形能力大，有利于抗震，可以工厂预制，现场拼装，交叉作业但价格高，防火材料（增加造价），侧向刚度小。,高层建筑结构的主要材料小结,2）钢筋混凝土是应用最广的建筑材料。具有价格低，可浇筑成任 何形状，不需要防火，刚度大。但强度低，构件截面大占用空间大，自重大，不利于基础、抗震，延性不如钢结构。高强混凝土是近40年来建筑材料最重要的发明创造。高强 可减小柱、墙截面尺寸，早强可加快施工进度，密实可提高 耐久性、弹性模量高，徐变小可减小压缩变形。但高强混凝 土变形能力小，脆性大，易开裂，耐火不如普通混凝土等。3）混合结构是梁板柱墙等基本构件或结构的一部分采用不同材料混合而成。包括组合结构构件如钢骨为骨架，外包钢筋混凝土，钢骨、混 凝土为整体、共同受力，钢骨可以做施工平台，与钢构件比：用钢少，刚度大，防火、防锈；与混凝土构件比：重量轻，承载力大，抗震性能好。,高层建筑结构的主要材料小结,第一章 小结,高层建筑是相对于多层建筑而言的，通常以建筑的高度和层数作为两个主要指标，全世界至今没有一个统一的划分标准。我国规定，10层及10层以上或房屋高度超过28m的混凝土结构民用建筑物为高层建筑；超高层建筑也没有统一和确切的定义，一般泛指某个国家或地区内较高的一些建筑。与多层建筑结构相比，高层建筑结构的最主要特点是水平荷载成为设计的决定性因素，侧移限值为确定各抗侧力构件数量或截面尺寸的控制指标，有些构件除必须考虑弯曲变形外尚须考虑轴向变形和剪切变形，地震区的高层建筑结构还需控制结构构件的延性指标。混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合结构，是当前广泛应用于高层建筑的结构类型。其中钢与混凝土混合结构是近年来发展较快、具有广阔前景的新型结构它融合了钢结构和混凝土结构的优点，承载力高、延性好、变形能力强，从而具有较强的抗风和抗震能力。,第二章,高层建筑的结构体系 与结构布置,本章重点,高层建筑结构体系的构件受力特性高层建筑结构体系的种类及应用范围高层建筑结构体系的总体布置原则抗侧力结构的选型和布置（难点）,高层建筑结构的结构体系,抗侧力构件的基本形式与受力特性结构的承重单体与抗侧力结构单元高层结构体系的发展过程常用高层结构体系的类型竖向结构体系及选择原则水平承重体系及选择原则,结构的整体性 分体系的功能,水平结构由竖向结构支撑 竖向结构靠水平结构保持稳定 水平体系和竖向体系共同作用形成空间结构 两个分体系必须综合考虑，共同设计,水平体系承受楼盖和屋盖等竖向荷载，并传递到竖向体系水平体系通过横隔板作用，将水平荷载分配到竖向抗侧体系,竖向体系承受竖向荷载，将荷载传递到基础竖向体系承受水平剪力，并将总剪力传递到基础竖向体系抵抗由倾覆力 矩产生的弯曲内力,结构的承重单体与抗侧力结构单元,基本构件或其组合如柱、墙、框架、桁架、实腹筒、框筒等是联系杆件和分体系的“桥梁”，是建筑结构的基本受力单元，也称作承重单体或抗侧力单元。尽管单个的杆件可以作为基本的受力单元，如柱、墙等，但构件只有作为单独的一个基本的受力单元时才可称其为承重单体或抗侧力单元。高层建筑结构体系通常按照其承重单体与抗侧力单元的特性来命名。,小结 高层建筑的结构体系,概念：所谓高层建筑建筑的结构体系是指结构抵抗外部作用的构件类型及组成方式。组成：结构总体系由竖向结构体系、水平承重体系及基础体系三个基本分体系组成。抗侧力体系的合理选择和布置是高层建筑结构设计的关键。,高层建筑结构体系选择,高层建筑结构的选型原则常用的高层建筑结构体系竖向结构体系（抗侧力体系）的选择水平承重体系（楼盖体系）及其选择,高层建筑结构的选型原则,要根据建筑高度、抗震设防类别、设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术确定与其匹配的、经济的结构体系，使结构效能得到充分发挥，建筑材料得到充分利用满足建筑使用要求尽可能与建筑型式相一致平面和立面型式规则，受力好，有足够的承载力、刚度和延性（安全）施工简便，经济合理（可行）,高层结构体系类型 框架结构体系 剪力墙结构体系 框架剪力墙结构体系 筒中筒结构体系 多筒体系 巨型结构体系 随着建筑功能及形式的不断发展，相信会有更多更新的结构体系出现。,高层建筑结构体系类型,一.框架结构,框架结构体系 1、定义：由横梁、立柱组成的结构（杆件体系）称为框架。节点全部或大部分为刚性连接。,2、分类：按施工方法不同，框架结构可分为现浇式、装配式和装配整体式三 种。在地震区，多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制半现浇的 方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。,3、受力变形特点：框架结构的侧移一般由两部分组成：1）水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形Us；2）由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩）形成框架结构的整体弯曲变形Ub；3）当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。注：框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形。,框架结构体系应用,框架是由梁和柱刚结而成的平面结构体系。如果整幢结构都由框架作为抗侧向力单元就称为框架结构体系。在水平荷载作用下，框架可视为一根空腹的悬臂柱，该悬臂柱的截面高度即为框架的跨度。优点：建筑平面布置灵活，分隔方便；整体性、抗震性能好，设计合理时结构具有 较好的塑性变形能力；外墙采用轻质填充材料时，结构自重小。缺点：侧向刚度小，抵抗侧向变形能力差。正是这一点，限制了框架结构的建造高度。高规规定，在非地震区，现浇钢筋混凝土框架结构房屋的最大适用高度为70m，最大高宽比为5。,异形柱框架结构：由形、形、形或十字形截面柱构成。截面各肢的肢高肢厚比不大于4（试行规范）。,二剪力墙结构,广州白天鹅宾馆,剪力墙结构体系 1、定义：由钢筋混凝土剪力墙（用于抗震结构时也称抗震墙）承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系。,剪力墙结构是在框架结构的基础上发展起来的（抗弯刚度)。,实例,剪力墙结构体系应用,一般是在钢筋混凝土结构中，用实心的钢筋混凝土墙片作为抗侧力单元，同时由墙片承担竖向荷载。优点：整体性好、刚度大，抵抗侧向变形能力强 抗震性能较好，设计合理时结构具有较好塑性变形能力，因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。房间墙面及天花板平整，层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑。（结构高度：几十米 100多米，十几层到三十多层）缺点：结构自重较大；受楼板跨度的限制（一般为38m），剪力墙间距不能太大，建筑平面布置不够灵活。,2、受力变形特点：,在水平荷载作用下，剪力墙可视为竖向悬臂构件。在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱；在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端 自由的悬臂柱（深梁）。注：1）剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。2）剪力墙结构属于刚性结构，对于高宽比较大的剪力墙，侧向变形呈弯曲型。,1）定义：特殊情况下，为了在建筑底部做成较大空间，将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，这种结构即为框支剪力墙结构亦属于带转换层高层建筑结构。2）破坏特点：带转换层高层建筑结构在其转换层上、下层间侧向刚度发生突变，形成柔性底层或底部，在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。3）布置原则：在底部大空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并将纵、横向墙围成筒体；另外，还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度，使上、下部侧向刚度差别尽量小应加强过渡层楼板的整体性和刚度。（上部可采用短肢剪力墙）,框架和剪力墙竖向复合 框支剪力墙结构,部分框支剪力墙立面布置示意图,短肢剪力墙结构 厚度不大的剪力墙开大洞口 一般是在电梯、楼梯部位布置剪力墙，形成筒体，其他部位则根据需要，在纵横墙交接处设置截面高度为左右的、十、形截面短肢剪力墙（墙肢截面高度与厚度之比为58），墙肢之间在楼面处用连梁连接，并用轻质材料填充，形成使用功能合理及可减轻结构自重的短肢剪力墙结构体系。（一般出现在非抗震区及6、7度设防区多高层住宅中）高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，即应设置一定数量的一般剪力墙和井筒。,三、框架-剪力墙结构,上海交大包兆龙图书馆,1、定义：为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度 大的特点，当建筑物需要有较大空间，且超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系。,框架-剪力墙结构体系 基本结构水平复合,框架剪力墙结构体系应用,将框架、剪力墙两种抗侧力单元结合在一起使用，就形成了框架剪力墙结构体系。这种结构形式扬长避短，具备了纯框架结构和纯剪力墙结构的优点，同时克服了纯框架结构抗侧移刚度小和纯剪力墙结构平面布置不够灵活的缺点。框架-剪力墙结构体系的适用范围和适用高度较宽（1040层），是一种较好的结构体系。,2、受力变形特点：框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过 水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙 承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。注：在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而 下逐层增大；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐 层减小。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因 其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，其侧向变形介于剪 切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。剪力墙结构属于中刚性结构,兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于1040 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。4、框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置：1）剪力墙的数量：不宜过多，以满足位移限值为宜。2）剪力墙的布置：不宜过长；不宜少于3道，最好作成筒体；对称布置；在纵横向数量接近；应贯通全高，上下刚度连贯而均匀。,3、框架 剪力墙结构优点：,框剪力体系中剪力墙的布置,框架剪力墙结构体系中剪力墙的布置应注意以下几点：剪力墙以对称布置为好，可减少结构的扭转。这一点 在地震区尤为重要；剪力墙应上下贯通使结构刚度连续而且变化均匀；剪力墙宜双向布置成筒体，层数较少时也应将剪力墙布置成T型、L型、I型等，便于剪力墙更好地发挥作用；剪力墙应布置在结构的外围，可加强结构的整体抗扭作用。剪力墙宜拉通对直以取得加大的抗侧刚度。但当两榀纵向剪力墙布置在同一轴线上而又相距甚远时应注意温度及混凝土收缩等的影响。剪力墙的间距不应过大，且避免在楼面内开过大的洞口。剪力墙间距应符合要求。,横向剪力墙的最大间距,*B为楼板宽度,框架剪力墙布置实例,四 筒体结构,筒体是由美国工程师 Fazlar Khan 创造的高效结构形式，由多片平面构件或多根线形构件围成筒状结构。筒体结构具有造型美观、使用灵活、受力合理及整体性强等优点，适用于较高高层建筑。筒体最主要的特点是它的空间受力性能。筒体是空间整截面工作的，无论那一种筒体，在水平力的作用下都可以看成是固定于基础上的悬臂结构（箱型悬臂梁），比单片平面结构具有更大的抗侧移刚度和承载能力，因而适宜建造高度更高的超高层建筑，特别适用于30层以上或 100m 以上的超高层办公楼。同时，由于筒体的对称性，筒体结构具有很好的抗扭刚度。,筒体结构的筒体,筒体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的建筑结构。筒体结构的筒体分剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等。筒体结构体系由核心筒结构、框筒结构、桁架（支撑）筒结构所组成。核心筒一般由布置在楼梯间、电梯间以及设备管线井道四周的钢筋混凝土墙围成。高层建筑平面布置中，电梯等服务性设施用房常常位于房屋中部，核心筒因此得名。因筒壁上仅开有少量洞口，故亦称实腹筒。,核心筒（亦称实腹筒）筒壁上仅少量洞口,框筒结构（空腹筒体）由密柱深梁组成,框筒是由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗间梁所组成的一个多孔筒体。从形式上看，犹如四榀平面框架在房屋的四角组合而成，故称为框筒结构。因立面上开有很多窗洞，故有时也称为空腹筒。框筒结构在侧向力作用下，不但与侧向力平行的两榀平面框架（常称为腹板框架）受力，而且与侧向力垂直的两榀框架（称为翼缘框架）也参与工作，通过角柱的连接（传递侧向荷载产生三维应力，形成框筒结构的重要构件），形成一个空间受力体系。,筒体结构 框筒,筒体的水平截面为单孔或多孔的箱形截面。筒体最主要的受力特点是它的空间性能，在水平荷载作用下筒体可视为下端固定、顶端自由的（筒状）悬臂构件。注 1）空间性能：按材料力学计算其应力分布特点。2)剪力滞后现象：对于框筒结构，在翼缘框架中，远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小；在腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。上述现象称之为剪力滞后（详教材P222）,框筒结构受力变形特点,（曲线分布）,（直线分布）,3）产生剪力滞后现象的原因 框筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形，加之梁、柱的弯 曲变形，使柱之间的轴力传递减弱。4）框筒剪力滞后现象愈严重，参与受力翼缘框架柱愈少，愈不能充分发挥材料的作用，也减小了结构的整体抗侧刚度，空间受力性能愈弱。5）框筒结构布置的关键是如何减少剪力（切）滞后：（1）要求设计密柱深梁；（2）建筑平面应接近方形；（3）结构高宽比宜大于3，高度不小于60m；（4）楼板的整体性好。4、优缺点：筒体结构具有很大的侧向刚度及水平承载力，并具有很好的抗扭刚度。剪力滞后使结构计算变得更复杂,筒中筒结构体系,筒中筒结构体系是由内筒和外筒两个筒体组 成的结构体系。内筒通常是由剪力墙围成的实腹筒（开洞很少），而外筒一般采用框筒或桁架筒。其中 框筒是由密柱深梁框架围成的筒体（可视为多孔竖向箱型梁），桁架筒则是筒体的四壁采用桁架做成（与框筒相比，桁架筒具有更大的抗侧移刚度）。研究表明，筒中筒结构的空间受力性能与其高度和高宽比有关。,一 般用核心筒（实腹筒）做内筒，框筒或桁架筒做外筒。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。,筒中筒结构受力变形特点,设计恰当时，框架核心筒结构可以形成外周框架与核心筒共同工作的双重抗侧力结构体系。框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下的侧移曲线呈弯剪型。,框筒也可作为抗侧力结构单独使用即成为框筒结构（较少采用）。为了减小楼板和梁的跨度，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。,框筒结构应用,注意：框架-筒体结构与框筒不是同一个概念。后者指的是由密柱深梁组成的空腹筒（空间），一般作为结构单元；而前者是由框架和筒体（核心筒）结构单元组成的结构，其中的框架与筒体是平行的受力单元,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点，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较 大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-核心筒结构特别是外围框架一般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核心筒（实腹筒）成为主要抗侧力部分。注：1）对由密柱深梁形成的框筒结构，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）当框筒柱距加大，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。4）为使周边框架柱参与抗倾覆，可在核心筒与框架柱之间设置水平伸臂构件（加强层）。,建筑结构选型 综合的系统决策,结构方案选取（结构选型和结构布置）是否合理，对安全和经济性起着决定性作用。结构选型包括结构材料和结构形式(体系）选择。结构材料的选择主要依据建筑的使用功能。结构体系是结构设计应考虑的最关健问题。结构体系的选择要考虑结构受力的合理性，施 工的便利性，造价的经济性。,竖向结构（抗侧力）体系的选择,使用功能建筑平面建筑高度抗震等级地质条件施工技术,结构的刚度是选择结构体系要考虑的重要因素。抗侧力结构设计是高层建筑结构设计的关键和主要工作。,高层建筑结构总体布置原则,抗侧力结构体系的适用高度 高层建筑高宽比限值 抗震结构体系要求与抗震等级 建筑平面和结构平面布置 建筑立面和结构竖向布置 关于不规则结构 变形缝的设置 高层建筑楼盖 基础选型及基础埋深,房屋最大适用高度,1 房屋高度指室外地面至主要屋面高度（不包括局部突出屋面的机房等）2 框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构；3 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；4 9度抗震设防、超过表内高度的房屋应进行专门研究采取必要的加强措施。,表2-1 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m),表2-2 B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m),钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（接）,房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。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。平面和竖向均不规则的建筑或位于类场地的建筑，表中数值应适当降低。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。当房屋高度超过表中数值时，结构设计应有可靠数据，并采取有效措施。,高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)（以下简称高规）划分了A级高度的高层建筑和B级高度的高层建筑。A级高度的高层建筑是指常规的、一般的建筑。B级高度的高层建筑是指较高的，因而设计有更严格要求的建筑。A级高度钢筋混凝土高层建筑指符合表 2-1 高度限值的建筑，也是目前数量最多，应用最广泛的建筑.当框架剪力墙、剪力墙及筒体结构超出表 2-1的高度时，列入B级高度高层建筑。B级高度高层建筑的最大适用高度不应超过表 2-2 的规定，并应遵守高规规定的更严格的计算和构造措施;抗震设计的B级高度的高层建筑按规定应进行超限高层建筑的抗震设防专项审查复核。,钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度,高层建筑高宽比限值,在高层建筑的设计中，控制侧向位移是结构设计的主要问题。随着高宽比的增大，倾覆力矩也越大，建造宽度很小的高层建筑是不合适的。房屋的高宽比限值，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。可帮助设计者在初步设计阶段根据结构高度和结构体系确定比较合理的平面尺寸。在结构设计满足承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。,表2-3 A级高度高层建筑结构适用的最大高宽比,表2-4 B级高度高层建筑结构适用的最大高宽比,抗震结构体系要求与结构抗震等级,应具有必要的承载力、刚度和变形能力应避免因局部破坏而导致整个结构破坏对可能的薄弱部位要采取加强措施结构选型与布置合理，避免局部突变和扭转宜有多道抗震防线抗震等级：抗震设计的钢筋混凝土高层建筑 结构，根据设防烈度、结构类型、房屋高度 区分为不同的抗震等级，采用相应的计算和 构造措施。抗震等级的高低，体现了对结构 抗震性能要求的严格程度。,结构的抗震等级 抗震等级是根据国内外高层建筑震害情况、有关科研成果、工程设计经验而划分的，共分为四级，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。,注 接近或等于高度分界时应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级。底部带转换层的筒体结构，其框支框架的抗震等级应按表中框支剪力墙结构的规 板柱-剪力墙结构中框架的抗震等级应与表中“板柱的柱”相同。,B级高度的高层建筑结构抗震等级,A级高度的高层建筑结构抗震等级,结构平面布置（参考课本）一、基本要求 高层建筑的结构平面布置，应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，传力直接，受力明确，力求均匀对称，减少扭转的影响。在高层建筑的一个独立结构单元内宜使结构平面形状简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。,结构总体布置包括：结构平面布置和结构竖向布置,高层建筑结构平面,塔式高层建筑其平面长宽比L/B 较小，在塔式结构中两个方向抗侧移刚度相差不大，比较容易实现结构在两个平面方向的动力特性相近，尤其是平面形状对称时，扭转相对要小的多。板式高层建筑实际应用相对较少，当长度较大时，在地震或风荷载作用下，结构会产生扭转、楼板平面翘曲等现象。因此，应对板式结构的长宽比 L/B 加以限制，一般情况下 L/B 不宜超过4；当抗震设防烈度等于或大于 8 时，限制应更加严格。同时，板式结构的高宽比也需控制的更严格一些。无论采用那一种平面形状，都应遵循平面规则、对称、简单的原则，尽量减少因平面形状不规则而产生扭转的可能性。,高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。在建筑体积相同的情况下，合理选择高层建筑体型，将能降低风对结构的作用，取得经济的效果。对抗风有利的平面形状是简单规则的凸平面。例如：圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如形，形、形、弧形等平面。（可适当平滑化处理）,对抗风有利的平面,b l,l,B,Bmax,L,b,Bmax,L,(a)B0.3Bmax(b)b l 扭转不规则 凹凸不规则（示例）,b0.5B,b,B,平面的局部不连续（大开洞、错层）,建筑结构平面的三种不规则类型,变形缝设置是结构方案设计阶段需要考虑的重要内容。1、缝的分类：沉降缝、伸缩缝和防震缝。通过设缝将结构分割成若干相对独立的单元。三种缝的作用不同，设置要求也各 不相同。对这三种缝，有关规范都作了原则性的规定。2）设缝的优缺点：优点：用缝将复杂建筑分为规则部分或减小沉降、温度应力。缺点：影响建筑使用功能；立面处理不便；基础防水不易等。）趋势：目前趋势是避免设 缝或尽可能少设缝。,变形缝的设置,沉降缝伸缩缝防震缝,划分规则结构单元，避免地震时扭转影响,避免主体与裙房过大的沉降差,减小结构温度应力、混凝土收缩,高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续,不应突变。竖向布置应符合下列要求：1）竖向宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收；侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化；不应采用竖向布置严重不规则的结构。,建筑结构竖向布置均匀,Ki+1 Ki（Qi),Ki=Vi/,i,Ki0.7Ki+1,Ki+3Ki+2Ki+1Ki,Ki0.8(Ki+1+Ki+2+Ki+3),沿竖向侧向刚度不规则（软弱层）与楼层承载力突变（薄弱层）,竖向抗侧力构件不连续（统称结构薄弱层）,b l,l,B,Bmax,L,b,Bmax,L,(a)B0.3Bmax(b)b l 扭转不规则 凹凸不规则示例,b0.5B,b,B,平面的局部不连续（大开洞、错层）,建筑结构平面的三种不规则类型,高层建筑楼盖,在高层建筑中，楼盖不再是简单的竖向分割和平面支撑。在结构侧向变形时，要求楼盖应具备必要的整体性和平面内刚度。同时，考虑到高层建筑平面较为复杂以及尽量减少楼盖的结构高度和重量，高层建筑中装配式楼盖已不再适用，一般应采用现浇整体式或装配整体式楼盖。,高层建筑楼屋盖选择,房屋高度超过50 m时，框架剪力墙结构、筒体结构及复杂高层建筑建筑应采用现浇楼盖结构，剪力墙结构和框架结构宜采用现浇楼盖结构。房屋高度不超过50m时，8、9度抗震设计时宜采用现浇楼盖结构；6、7度抗震设计时可采用加现浇钢筋混凝土面层的装配整体式楼盖，并应满足相关的构造要求，以保证其刚度和整体性。房屋高度不超过50m的高层建筑中，下列部位仍应采用现浇楼盖：房屋的顶层；结构转换层；楼面有较大的开洞；平面过于复杂，外伸段过长；作为上部结构嵌固部位的地下室楼层。,高层建筑基础占的工程量大、造价高、消耗的材料多，对建筑物施工工期也影响很大。一般9一16层民用高层住宅的工期占总工期的13左右，造价也占总造价的l3左右。因此，基础设计对高层建筑的经济技术指标有较大的影响。高层建筑基础设计要求：1）沉降：基础的总沉降量和差异沉降量满足规范规定的允许值；2）承载力：满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求；3）防水：地下结构满足建筑防水的要求；4）影响：尽可能避免或减轻对毗邻房屋或市政设施的影响；5）经济：应考虑综合经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。,高层建筑基础选型与埋深设计,高层建筑应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节 不均匀沉降的基础形式。基础的选型应根据上部结构情况、工程地质、施工条件等因 素综合考虑确定。1）单独柱基适用于层数不多，地基土质较好的框架结构。2）一般宜采用整体性好和刚度大的筏形基础、交叉梁基础、箱形基础。3）当地质条件好、荷载较小且能满足地基承载力和变形要求时也可采用交叉梁基础。4）当表层土质较差时，为了利用较深的坚实土层，减少沉降量，提高基础嵌固程度，可以采用桩基，成为桩筏基础或桩箱基础。,1、高层建筑基础选型,1）基础的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)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)建筑物采用岩石地基或者采取有效措施时，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）高层建筑基础必须有足够的埋置深度，主要是考虑：(1)防止基础发生滑移和倾斜，提高基础的稳定性。(2)增大埋深，可以提高地基的承载力，减少基础的沉降量。(3)增大埋深后，地面运动时，阻尼增大，可减轻震害。,2、高层建筑的基础的埋深,第 三 章,高层建筑结构荷载,本章主要内容,竖向荷载（简介）风荷载（本章重点）风荷载计算（难点）地震作用（由抗震课介绍）,竖向荷载,高层建筑结构荷载,与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构；2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素；3）对9度时高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。,3.1.1恒荷载 恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件及其装修的设计尺寸和材料单位体积或面积的自重计算确定。材料容重可查建筑结构荷载规范（GB50009-2001)（2006年版）；固定设备由相关专业提供。,3.1 竖向荷载,高层建筑的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等活载，与一般房屋并无区别。,3.1.2 活荷载1、楼面活载 1）高层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，可按荷载规范的规定取用。2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准 值进行计算，楼面活荷载的折减可在构件内力组合时取用。2、屋面活载 1）屋面均布活荷载的标准值及组合值、频遇值和准永久值 系数，可按荷载规范的规定取用。屋面活载为：不上人 屋面0.5KN/，上人屋面2 KN/，屋顶花园3KN/。2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载 5KN/。,3、屋面雪荷载（1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值：S0为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得 50 年一遇最大积雪的自重确定。按荷载规范取用；r为屋面积雪分布系数，可按荷载规范取用。（2）雪荷载的组合值系数可取 0.7；频遇值系数可取 0.6；准永久值系数按雪荷载分区、和的不同，分别取 0.5、0.2 和 0。（3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。4、施工检修荷载 施工检修活荷载一般可取 1.01.5kN/m2。不上人屋面施工检修活荷载较大时，应按实际情况采用。对高层建筑结构，当楼面活载 4KN/，计算活载产生的内力时可不考虑活荷载的最不利布置。为简化计算，可按活载满布进行计算然后将这样求得的梁跨中截面和支座弯矩乘以 1.11.3 的放大系数。,3.2 风荷载,空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。与建筑物有关的是靠近地面的流动风，简称为近地风。,当风遇到建筑物阻挡时速度会改变，表面产生风压，使结构产生变形和振动。压力、吸力和横向干扰力及其合力即为建筑物的风荷载。风荷载的大小及分布非常复杂。,荷载规范规定垂直于建筑物表面上的风荷载标准值wk，应按下述公式计算:式中：基本风压(kN/m2)；高度z处的风振系数；风荷载体型系数；风压高度变化系数。,单位面积上的风荷载标准值 wk,1、基本风压 我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高，重现期为50 年的 10 分钟平均最大风速v0（m/s）为标准近似按(kN/m2)计算风压，即由风速确定风压值，但不得小于 0.3kN/。特别重要或有特殊要求的高层建筑（60m），取100年重现期。在进行舒适度计算时，取重现期为10年的风压值。,贝努利公式,风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即,2、风压高度变化系数 风速大小与高度有关，在大气边界层内，风速随离地高度的增大而增大。一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定高度时（300 500m）风速不受地表影响，达到所谓梯度风（高度）风速与地貌及环境也有关，不同的地面粗糙度使风速沿高度增大的梯度不同。,分别为标准高度（例如10m）及该处的平均风速；,地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大，值则愈大；对于 A、B、C、D类地面分别取0.12、0.16、0.22，0.30。,、,风速沿高度增大规律主要取决于地面粗糙度。一般来说，地面越粗糙，风的阻力越大，风速越小。风压高度变化系数是指某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，取决于地面粗糙程度指数。荷载规范(GB 500092001)将地面粗糙程度分为四类：A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指密集建筑群且房屋较高的城市市区。地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区为低。荷载规范给出了各类地区风压沿高度变化系数，见下表。位于山峰和山坡地的高层建筑，其风压高度系数还要查阅规范进行修正。,3.2 风荷载,风压高度变化系数（续）,3.2 风荷载,3、风荷载体型系数 1）风压分布系数风压与体型的关系 2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的实际压 力或吸力（平均值）与原始风速算得的理论风压的比值。,当风流动经过建筑物时，不同部位产生不同效果。风对建筑物表面的作用力并不等于基本风压，而是随建筑物的体型尺度、表面位置及状况而改变。每个面的风压也不均匀：迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。,4、风振系数）风速特点：风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几十秒左右。为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风（阵风）两部分。稳定风周期长，对结构影响小，作用基本是静力的；脉动风周期短，对结构影响大。）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压 会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载 的办法来考虑这个动力效应，即对风压值乘以风振系数放大。,2）计算：,对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。荷载规范中规定风振系数的计算公式如下：,式中：,基本振型z高度处振型系数，对外形刚度和质量沿高度按连续 规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑，可近 似用z/H代替；,脉动增大系数，按表3-4取用，其中w0为基本风压值，T1为结构第一振型的自振周期；v 脉动影响系数，按表3-5取用；,风压高度变化系数，见表3-2。,主要的风振作用在顺风方向考虑范围：房屋结构 H30m&H/B1.5，高耸结构 T10.25s考虑方法：考虑动力效应放大,如大跨桥梁结构,风振系数综合考虑了结构在风荷载作用下的动力效应，其中包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等。,基本自振周期T1近似公式,3.2 风荷载,计算风荷载下结构产生的内力和位移时，需要计算作用在建筑物上的全部风荷载。总风荷载系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（主轴）分别计算。各表面风荷载的合力作用点即为总体风荷载的作用点。设计时将沿高度分布的总体风荷载的线荷载换算成集中在各楼层位置的集中荷载。z高度处的总风荷载标准值按下式计算：（B为表面宽度）,总风荷载,风荷载是高层建筑结构承受的主要荷载之一。在非抗震设计或抗震设防烈度较低的地区，它常常是结构设计的控制条件。实际上，风荷载是随时间而波动的动力荷载，但在设计中一般把它看成静力荷载。对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一方面脉动风又使建筑物产生风力振动。所以说，风荷载具有静力和动力双重性质。,对于高度较大且较柔的高层建筑，要考虑动力效应，适当加大风荷载数值。确定高层建筑风荷载的方法有两种大多数情况(高度300m以下)可按照荷载规范规定的方法，少数建筑(高度大、对风荷载敏感或有特殊情况)还要通过风洞试验确定风荷载，以补充规范的不足。,小结：风荷载的双重性质,第 四 章,高层建筑结构的设计原则 设计要求及荷载效应组合,高层建筑结构设计应当保证结构有足够的承载力和刚度，以保证结构的安全和正常使用。结构抗风及抗震设计对承载力及位移有不同的要求，较高的结构抗风还要考虑舒适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。1.承载力验算 高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下，各个构件及其连接均有足够的承载力。建筑结构设计统一标准规定，构件按极限状态设计，承载能力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。,高层建筑结构的设计要求,结构构件承载力验算的一般表达式,不考