2结构体系与结构布置.ppt
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1、高层建筑结构,成都理工大学环境与土木工程学院 刘长江,高层建筑结构,1 绪论 2 高层建筑结构体系及结构布置 3 荷载作用与结构设计原则 4 框架结构设计 5 剪力墙结构设计 6 框架剪力墙结构设计 7 筒体结构设计简介 8 钢与混凝土组合结构设计简介,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系及结构布置,2.1 高层建筑的结构体系 2.2 结构总体布置原则 2.3 基础结构布置 2.4 结构布置实例,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,2.1高层建筑的结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,梁、板、柱全
2、现浇框架 板预制,梁、柱现浇框架 梁、板预制, 柱现浇的半装配式框架 梁、板、柱全预制 的装配式框架,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,现浇框架,框架结构,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,框架结构的特点是,建筑平面布置灵活,可做成较大空间的会议室、餐厅、办公室及试验室等,加隔墙后,也可做成小房间;如果采用轻质隔墙,则可减轻建筑物重量;住宅中较少使用框架结构,主要原因是柱截面较大,以致突出墙面,影响家具放置。 侧向变形以剪切变形(梁、柱弯曲变形)为主。,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构
3、布置,框架结构侧向刚度小,属柔性结构,因而对其建造高度应予控制;以1520层为宜。在多层建筑中,框架结构是一种常用的结构体系。 框架只能在自身平面内抵抗侧向力,必须在两个正交的主轴方向设置框架,以抵抗各个方向的侧向力。 抗震框架结构不允许铰接,必须采用刚接,使梁端能传递弯矩,同时使结构有良好的整体性和比较大的刚度。 抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,框架结构典型平面,2.1.1 框架结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,实例:北京长城饭店,2.1.2 剪力墙结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系
4、与结构布置,剪力墙钢筋混凝土墙体承受全部水平作用和竖向荷载。,剪力墙结构的平面,2.1.2 剪力墙结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,楼盖内无次梁,楼板直接支承在墙上,墙体同时也是维护和分隔房间的构件。 剪力墙的间距受到楼板构件跨度的限制,一般为38m,房间墙面及天花板平整,无需吊顶,层高较小,因而剪力墙结构适合于具有小房间的住宅、旅馆等建筑,无论在地震区或非地震区,它都得到广泛的应用。,剪力墙结构比框架结构刚度大,空间整体性好,用钢量省,具有良好的抗震性能。,2.1.2 剪力墙结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,高层剪力墙结构以弯曲变形为主。 剪力墙结
5、构的缺点和局限性也是很明显的,主要是剪力墙间距不能太大,平面布置不灵活,不能满足公共建筑的使用要求。结构自重往往很大,耗费建材,给基础设计也带来更高的要求。,图2.1-6 剪力墙结构变形,2.1.2 剪力墙结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,改进:部分框支剪力墙(北京兆龙饭店 ),实例: 广州白云宾馆 北京兆龙饭店,北京兆龙饭店,2.1.3 框架剪力墙结构,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,框架剪力墙结构是把框架和剪力墙结合在一起,共同抵抗竖向和水平荷载的一种体系,它利用剪力墙的高抗侧力刚度和承载力,弥补框架结构柔性大、侧移大的弱点。,(18层现浇梁、柱,预制楼
6、板,框架剪力墙结构),北京饭店东楼,2.1.3 框架剪力墙结构,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,由于它只在部分位置上有剪力墙,又保持了框架结构具有大空间、立面易于变化等优点,因此,框架剪力墙结构是一种较好的结构体系,虽然其出现较晚,但在多高层公共建筑及办公楼建筑中得到了广泛的应用。,实例:广州中天大厦,2.1.3 框架剪力墙结构,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,框架剪力墙结构中剪力墙的布置:,单片、L、I形或布置成筒形;,地震区,纵横向布置的剪力墙数量要尽可能接近;,剪力墙靠外围布置,可加强结构抗扭作用;,剪力墙应贯通全高,使结构上下刚度连贯而均匀;,2.1.3 框
7、架剪力墙结构,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,结构的变形特征,框架与剪力墙通过楼板协同工作,共同抵抗水平荷载时,变形必须协调,如下图所示,其侧向变形呈弯剪型。其上下各层层间变形趋于均匀,并减少了顶点侧移。,2.1.4 筒体结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,1.框架-筒体结构,外框内筒,内框外筒,深圳华联大厦,兰州工贸大厦,深圳华联大厦,2.1.4 筒体结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,2. 筒中筒体系:密柱框架视为外筒,内芯由剪力墙围合成箱形薄壁核心筒。,广东国际大厦,2.1.4 筒体结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布
8、置,3. 成束筒体系:由多个筒体组成,结构整体刚度很大。,西尔斯大厦,2.1.4 筒体结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,4. 桁架筒体系:在筒体结构中,增加斜撑来抵抗水平荷载,以进一步提高结构承受水平荷载的能力,增加体系的刚度。,香港中银大厦,香港中国银行,平面简图,角柱,南立面巨型桁架,高层建筑结构,2.1.5 巨型结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,1)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、巨型梁形成巨型框架。,巨形框架结构,台北101大楼,台北101大厦,2.1.5 巨型结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结
9、构布置,台北101大厦,8792层间设5.5m132t 摆锤减振,2.1.5 巨型结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,2.1.5 巨型结构体系,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,2)巨型桁架,刚性横梁或刚性桁架结构,巨形桁架结构,整幢结构用巨柱、巨梁和巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架,相邻立面的支撑交汇在角柱,形成巨型空间桁架结构。,2.2 结构总体布置原则,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,概念设计是依据自然法则、客观条件、工程经验、创新思维对结构的总体设计,是对结构性能、可实现性和经济性的总体把握,是一种主动的、定性的和战略性的设计,决定着结构设计
10、的总体方向。,概念设计与计算设计(数值计算),计算设计是将概念设计所提供的结构模型化,并依据现有的计算手段作进一步的“精确”分析,论证概念设计的正确性,并对概念设计进行补充和完善,是一种被动的、定量的和战术性的设计。,2.2 结构总体布置原则,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,建筑师与结构工程师为业主服务的目标是一致的,因此,结构工程不仅要成为结构功能要求的实现者,而且要成为建筑功能要求实现的积极参与者,与建筑师一道创造性的作出总体建筑设计。,结构工程师的使命,结构项目工程师的首要任务,就是在建筑方案设计阶段,凭借自身拥有的结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力,去帮助建
11、筑师开拓或实现业主所想要的空间与功能。,2.2.1 房屋的高度和高宽比,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m),2.2.1 房屋的高度和高宽比,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,高宽比H/B :一般情况下,可按所考虑方向的最小投影长度计算高宽比。,2.2.1 房屋的高度和高宽比,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大的高宽比,2.2.2 结构的平面布置原则,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,结构平面布置基本原则:,简单、规则、对称,平面不规则(表2.5),扭转不规则,凹凸不规则
12、,楼板局部不连续,2.2.2 结构的平面布置原则,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,简单、规则对称,表2.6 平面各部分尺寸限值,2.2.3 结构的竖向布置原则,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,抗震设防的建筑结构竖向布置应使体型规则、均匀,避免有较大的外挑和内收,结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化。,竖向不规则(表2.7),侧向刚度不规则,竖向抗侧力构件不连续,楼层承载力突变,楼层质量沿高度宜均匀分布,楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍。,2.2.3 结构竖向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,侧向刚度不规则,Ki第i层的侧向刚度,2.2.3 结构竖
13、向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,侧向刚度不规则,该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%。,竖向抗侧力构件不连续,竖向抗侧力构件的内力由水平转换层传递。(转换梁、桁架),2.2.3 结构竖向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,楼层承载力突变,Qy,i层间受剪承载力,2.2.3 结构竖向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,竖向刚度突变的原因,1) 结构构件(梁、柱、墙)截面尺寸改变;,2) 结构竖向体型变化;,3) 结构体系变化。,建筑顶部内收形成塔楼,楼层外挑内收,框支剪力墙,中部楼层部分剪力墙中断,顶层设大空间,取消部分剪力墙
14、或内柱,2.2.3 结构竖向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,结构竖向收进和外挑示意,2.2.3 结构竖向布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,高层建筑结构宜设地下室,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,降低地基的附加压应力;,3) 提高地基土的承载力;,4) 减小地震作用对上部结构的影响。,2.2.4 抗震设防结构布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,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,使整个高层建筑形成稳定的结构体系,防止在外荷载作用下产生过大
15、的不均匀沉降、倾覆和局部开裂等。,3.合理设置防震缝。一般情况下宜采取调整平面形状与尺寸,加强构造措施,设置后浇带等方法,尽量不设缝,少设缝。设缝时必须保证有足够的缝宽。,2.2.4 抗震设防结构布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,4.应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。结构平面布置力求简单、规则、对称,避免凹角和狭长的缩颈部位;避免在凹角和端部设置楼电梯间;避免楼电梯间偏置。结构竖向体形尽量避免外挑、内收,力求刚度均匀渐变。,5.多道抗震设防能力,避免因局部结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力。,6.合理选择结构体系。,2.2.4 抗震设防结构布置原则,2 高层建筑结
16、构体系与结构布置,7.结构应有足够的刚度,且具有均匀的刚度分布控制结构顶点总位移和层间位移,避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位。,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。要从构造上采取措施防止地震作用下节点的承载力和刚度过早退化。,2.2.4 抗震设防结构布置原则,2 高层建筑结构体系与结构布置,10.结构应有足够的变形能力及耗能能力,应防止构件脆性破坏,保证构件有足够的延性。,11.突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力合延性;以承受鞭梢效应的影响。,12.减轻结构自重,最大限度降低地震的作用,积极采用轻质高强材料。,13.应避免因部
17、分结构或构件破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力。,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,林同炎设计于1963年,高61m,地上18层,地下2层。 1972年12月23日6.5级强烈地震后所摄。,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,林同炎(19122003) 美国国家科学奖赞词:他是工程师,教师和作家。他的科学分析、技术创新和富于想象力的设计、不仅跨过了科学与艺术的壕沟,还打破了技术与社会的隔阂。,1972年12月22日夜到23日凌晨,非洲尼加拉瓜首都马拉瓜发生强烈地震,市中心511个街区成为一片废墟,超过80%建筑物倒塌,而共18层楼、61米高的美洲银行大厦却巍然未动
18、、除了电梯井壁联系梁开裂外,几乎未受地震损害。,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,第一道防线,一般连梁变形图,一般连梁裂缝图,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,美洲银行大厦设计的不同之处正在于它的框筒结构,它使得建筑物在一般受力情况下,有足够的刚度来承受外力;而当受到突如其来的强烈外力时,可由房屋内部结构中某些次要构件(在本例中就正是电梯井壁联系梁)的开裂,使房屋总刚度骤然减弱,从而大大减少对地震力的承受。这种设计思想,突破了以刚对刚的
19、正面思维模式,创造了刚柔相济的结构的典型。而该建筑的结构设计师美籍华人林同炎也因这一建筑饱受赞誉。,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,高层建筑结构,2 高层建筑结构体系与结构布置,实例分析:马那瓜美洲银行大楼,V.Bertero 震后动力分析,2 高层建筑结构体系与结构布置,高层建筑结构,8层梁、柱裂缝,电梯井边楼板裂缝,实例分析:马拿瓜国家银行大楼,2 高层建筑结构体系与结构布置,高层建筑结构,2.2.5 变形缝的设置,2 高层建筑结构体系与结构布置,伸缩缝:防止结构因温度变化和混凝土干缩变形而产生裂缝。,沉降缝:防止不均匀沉降。,防震缝:有抗震设防的建筑物,当其平面形状复杂而又无法调整其平面形
20、状和结构布置,设防震缝使之成为较规则结构。,变形缝,基本原则:尽量不设缝;需设缝时应划分为独立且相对简单的结构单元,并设置必要的缝宽;三缝合一。,高层建筑结构,2.2.5 变形缝的设置,2 高层建筑结构体系与结构布置,1.伸缩缝,伸缩缝的最大间距。(表2.8) 伸缩缝必须贯通基础以上的建筑高度。,减少温度和收缩应力的构造措施和施工措施:, 温度变化影响较大的部位提高配筋率;,顶层加强保温隔热措施,或设置架空通风屋面,避免屋面结构温度梯度过大。,顶层可以局部改变为刚度较小的形式,或顶层设温度缝,将结构划分为长度较短的区段。,高层建筑结构,2.2.5 变形缝的设置,2 高层建筑结构体系与结构布置,
21、减少温度和收缩应力的构造措施和施工措施:,施工中留后浇带。,后浇带,高层建筑结构,2.2.5 变形缝的设置,2 高层建筑结构体系与结构布置,减少温度和收缩应力的构造措施和施工措施:,施工中留后浇带。 后浇带可以选择对结构影响较小的部位曲线通过,不要在一个平面内,以免全部钢筋在同一个平面内搭接。 采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适宜的外加剂。 提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构。,高层建筑结构,2.2.5 变形缝的设置,2 高层建筑结构体系与结构布置,2.沉降缝,沉降缝不但应贯通上部结构,而且应贯通基础本身。,在下述平面位置处,应考虑设置沉降缝:,高度差异或荷载差异较大处
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