第一章概述1.ppt
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1、高层建筑结构设计,主要研究内容: 高层建筑结构新型结构形式; 高层建筑结构概念设计; 高层建筑结构分析理论; 高层建筑结构抗震设计。,高层建筑结构设计,现行规范,规程: 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 建筑抗震设计规范GB 50011-2010 混凝土结构设计规范GB 50010-2010 建筑结构荷载规范GB 50009-2011 期刊: 建筑结构学报 土木工程学报 建筑结构 工业建筑 等,高层建筑结构设计,教材: 霍达主编 高层建筑结构设计 高等教育出版社,2011 参考书: 主要规范: 高层建筑混凝土结构技术规程S(JGJ3-2010). 参考教材: (1)高层建筑结构设计
2、方鄂华 钱稼茹 叶列平编著 2003年 (2)高层建筑钢筋混凝土结构概念设计方鄂华 编著 2004年 (3)包世华等编著.高层建筑结构设计和计算(上册) 清华大学出版社 2005 课外阅读教材: (1)美林同炎等著高立人等译 结构概念和体系(第二版)中国建筑工业版 社,1999 (2)罗福午等编著. 建筑概念体系及案例 北京 清华大学出版社 2004 年 (3)刘大海等.高层建筑方案优选M.北京:中国建筑工业出版社,1996. (4)高层建筑结构实用设计方法 赵西安 同济大学出版社,1998 (5)高层建筑结构设计 包世华,方鄂华 清华大学出版社,1985,高层建筑结构设计,成绩: 出勤情况作
3、业+课堂练习30% 考试成绩70% 学时: 32学分 学分: 2学分,高层建筑结构设计,第 1 章 概 述 1.1 高层建筑和高层建筑结构 1.2 高层建筑结构的功能 1.3 高层建筑的结构形式 1.4 高层建筑发展与展望,高层建筑的界定,高层建筑有什么特点?或者说什么样的建筑算作高层建筑?,对于这一问题,世界各国有不同的划分标准,或者说不同的国家有不同的规定。,1972年召开的国际高层建筑会议制订了如下的划分标准:,1.1 高层建筑和高层建筑结构,美国、英国、日本对高层建筑的规定,1.1 高层建筑和高层建筑结构,高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010 10层及10层以上,或房屋高度超
4、过28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他民用建筑。,高层建筑定义,1.1 高层建筑和高层建筑结构,高层民用建筑设计防火规范GB 50045-1995和高层民用建筑钢结构技术规程JGJ 99-1998 10层及10层以上,或房屋高度超过28m的居住建筑和房屋高度大于24m的其他民用建筑。,10层及10层以上的住宅和约24m以上的其他民用建筑称为高层建筑。 40层或超过100m的建筑 超高层建筑 9层以下或高度不超过24m 中高层建筑(79层) 多层建筑(46层) 低层建筑(3层),1.1 高层建筑和高层建筑结构,多层和高层: 设计原理和设计方法基本相同 作用在结构上的荷载: 重力荷载(竖向,
5、向下) 风荷载(水平,侧向,往复作用 ) 地震作用(水平,侧向,往复作用),1.2 高层建筑结构的功能,荷载效应: 重力荷载M,N,V,竖向挠度 风 M,N,V,侧向位移 地震 M,N,V, 侧向位移,1.2 高层建筑结构设计的特点,N=wH M=qH2/2 (均布水平荷载) M=qH2/3 (倒三角形分布) =qH4/(8EI) (均布水平荷载) =11qH4/(120EI) (倒三角形分布),1.2 高层建筑结构设计的特点,高度、荷载与材料用量,高层建筑结构设计: 主要是抗侧力(水平力)设计 设计需要解决: 承载力 刚度 层间水平位移控制 舒适度(顶层水平加速度) 延性和耗能(抗震结构),
6、1.2 高层建筑结构设计的特点,风荷载,地震作用,高层建筑结构的主要材料 钢 钢筋 混凝土,1.3 高层建筑的结构形式,1.3.1 按功能材料分,钢结构,美国芝加哥的西尔斯大厦,香港的中环广场大厦,是目前最高的钢筋混凝土结构;其次,朝鲜平壤市的柳京饭店,101层,高度319.8m。,钢筋混凝土结构,钢混凝土组合结构,马来西亚吉隆坡国家石油大厦,也就是双子星大楼,楼高451.9米,88层,1.3.1 钢(S) 强度高,自重轻(有利于基础) 延性好,变形能力大,有利于抗震 工厂预制,现场拼装,交叉作业 价格高 防火材料(增加造价) 侧向刚度小,1.3.1 结构材料,抗震结构对钢材的要求 建筑抗震设
7、计规范 3.9.2 结构材料性能指标(强制) 钢材: 抗拉强度与屈服强度的比值,不小于1.2; 有明显的屈服台阶,伸长率大于20%; 良好的可焊性和冲击韧性 。,1.3.1 结构材料,建筑抗震设计规范 3.9.3 结构材料性能指标(非强制) 钢材: Q235等级的B、C、D碳素结构钢; Q345等级的B、C、D、E低合金高强度结构钢; 有可靠依据时,可采用其他钢种和钢号,1.3.1 结构材料,1.3.2 钢筋混凝土(RC) 应用最广的建筑材料 绝大部分高层建筑为钢筋混凝土结构 地方材料,价格低 可浇筑成任何形状 防火性能好 刚度大 耐久性能好,1.3.1 结构材料,强度低,构件截面大,占用空间
8、大 自重大,不利于基础、抗震延性不如钢 1877年,美国第一次使用钢筋混凝土,1.3.1 结构材料,按自重划分: 普通混凝土(25kN/m3) 轻混凝土(18-20kN/m3),按强度划分: 普通混凝土(不大于C50) 高强混凝土(大于C50),1.3.1 结构材料,高强混凝土(大于C50) 近40年来建筑材料最重要的发明创造 高强-减小柱、墙截面尺寸 早强-加快施工进度 密实-耐久 弹性模量高,徐变小-减小压缩变形 变形能力小,脆-容易开裂 耐火不如普通混凝土,1.3.1 结构材料,抗震钢筋混凝土结构对钢筋、混凝土材料的要求 建筑抗震设计规范 3.9.2 结构材料性能指标(强制) 3.9.3
9、 3.9.4 (非强制),1.3.1 结构材料,我国 五十年代100号 八十年代前不大于C30 现在C50,C60 规范规定: 9度抗震设防:不大于C60 8度抗震设防:不大于C70,1.3.1 结构材料,1.3.3 钢、混凝土组合 钢骨混凝土(SRC)以钢骨为骨架, 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,1.3.1 结构材料,钢-混凝土组合梁 钢梁+压型钢板+抗剪连接件 +混凝土楼板 钢梁+抗剪连接件+混凝土板,1.3.1 结构材料,钢管混凝土(STCC或CFST) 在薄壁钢
10、管内浇灌混凝土 钢管(圆钢管)约束混凝土,三向受压 钢管为纵筋和箍筋 钢管做模板 钢管做施工平台 钢管+高强泵送混凝土 1+12,1.3.1 结构材料,高层建筑的结构材料,现代高层建筑所采用的材料,主要是钢材和混凝土两种。,不同国家、不同地区、不同结构形式所采用的结构材料不同,大致有以下几种形式:,钢结构,钢筋混凝土结构,钢混凝土组合结构,钢材强度高、韧性大、易于加工。钢结构构件可以在工厂加工,缩短了现场施工工期,施工方便。高层钢结构具有结构断面小、自重轻、抗震性能好等优点。,高层钢结构用钢量大,造价高,而且钢材的防火、防腐性能不好,需要大量的防火涂料和防腐处理,增加了工程工期和造价。,钢筋混
11、凝土结构造价低,材料来源丰富,可以浇注成各种复杂的断面形式,节省钢材,承载能力也不低。经过合理的设计,现浇钢筋混凝土结构具有较好的整体性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能方面,更是有着钢结构无法比的优势。,自重较大,抗震性能不如钢结构,建造高度也不如钢结构。,将型钢布置在构件内部,外部由钢筋混凝土做成,或者是在钢管内部填充混凝土,做成钢混凝土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互补,结构具有很好的抗震性能,建造高度可与钢结构相当。经济合理、技术性能优良的钢混凝土组合结构,是目前的发展趋势。,框架结构 剪力墙结构 框架剪力墙结构 板柱剪力墙结构 框架支撑(抗震墙板)结构 筒体结构 框架核心筒
12、结构 巨型结构,1.3.2 结构体系,由梁、柱构件通过刚结点连接组成的结构称为框架。 全部竖向荷载和侧向荷载由框架承受的结构体系,称为框架结构。,框架填充墙,2.1框架结构(Frame structure),材料:梁、柱可以分别用钢、钢筋混凝土、钢骨混凝土,柱还可以用钢管混凝土等。 柱网布置:小柱距45m, 大柱距78m 沿高度布置: 柱网尺寸一般不变,轴线位置 尽可能不变。 梁截面尺寸由下而上一般不变, 柱截面尺寸由下而上减小, 梁、柱轴线宜重合(偏心不大于1/4柱截面高),2.1框架结构,使用特点: 平面布置灵活,可以用隔断墙分隔(宜选用轻质墙体)空间,以适应不同使用功能的需求。 适用于办
13、公楼,教室,商场,住宅等房屋建筑。,2.1框架结构,承重方式: 横向承重 纵向承重 纵横双向承重,2.1框架结构,结构受力特点: 平面抵抗侧力结构,只能在自身平面内抵抗侧向力; 刚度小,房屋高度比较低(一般10层以内 ),2.1框架结构,侧向力作用下的变形特点: 侧向力层剪力和倾覆力矩 层剪力梁的弯矩、剪力; 柱的弯矩、剪力和轴力 梁、柱弯矩梁、柱弯曲变形框架层间位移整体剪切形位移曲线 柱的轴力柱伸长、缩短整体弯曲形位移曲线,2.1框架结构,整体剪切形位移曲线+整体弯曲形位移曲线整体剪切形位移曲线,剪切形位移曲线特点: 层间位移自下而上逐层减小,我国最高的钢筋混凝土框架结构 北京长城饭店 18
14、层、局部22层,2.1框架结构工程实例,2.2 剪力墙结构 (Shear Wall Structure),用钢筋混凝土剪力墙(抗震结构,也称为抗震墙)承受竖向荷载和抵抗侧向力的结构称为剪力墙结构,也称为抗震墙结构。,优点: 整体性好 承载力大 侧向刚度大 延性剪力墙具有良好的抗震 性能,震害一般比较轻 适用高度范围大(1040层),2.2 剪力墙结构,缺点: 开间小开间,34.5m 大开间,68m 建筑平面布置不灵活 空间局限 结构自重大 适用于住宅、旅馆等 板式,塔式,2.2 剪力墙结构,板式,塔式,2.2 剪力墙结构,侧向力作用下的变形特点: 悬臂梁弯曲,侧向位移曲线呈弯曲型,层间位移由下
15、至上逐渐增大。,2.2 剪力墙结构,布置要求: 平面构件,平面内抵抗侧向力 双向布置 沿高度方向,连续布置,避免 刚度突变 洞口上下对齐,成列布置,形成有规则洞口的联肢剪力墙,避免错洞墙,2.2 剪力墙结构,剪力墙组成:墙肢 连梁 墙肢截面: 简单,规则; 成为工形,T形或L形等有翼缘的墙; 楼、电梯间,两个方向的墙相互连接形成井筒,增大结构的抗扭能力。,2.2 剪力墙结构,框支剪力墙结构:底层或底部若干层为框架、上部为剪力墙,框支层的刚度小,层间变形大,造成框支柱破坏,甚至引起整栋建筑倒塌。,底部大空间剪力墙结构典型平面,设计要求: 部分框支的层数不宜过多 落地墙不宜过少,刚度要求 框支柱应
16、承受一定的水平地 震剪力 落地的纵、横向墙围成井筒 转换层设计,框支剪力墙结构,2.3 框架剪力墙结构 (Frame-Shear Wall Structure) 框架和剪力墙共同承受竖向荷载和侧向力 钢筋混凝土结构(820层) 混合结构 框、墙组合,形式灵活,部分框架内嵌入剪力墙 带边框剪力墙,特点: 布置灵活,延性好 (框架结构) 刚度大,承载力大 (剪力墙结构) 大量高层建筑采用,2.3 框架剪力墙结构,双重抗侧力结构: 剪力墙承担大部分层剪力 框架承担一定的层剪力,即具有一定的承载力和足够延性,2.3 框架剪力墙结构,水平力作用下的变形特点: 框架剪力墙结构在水平力作用下协同工作变形协调
17、,侧移曲线的形状呈弯剪型。,2.3 框架剪力墙结构,结构布置: 框架和剪力墙都只能在自身平面内抗侧力,结构的两个主轴方向都要布置剪力墙。,2.3 框架剪力墙结构,布置的要求: 使结构各主轴方向的侧向刚度接近; 平面对称布置; 沿高度连续均匀; 平面形状变化及竖向荷载较大的部位均匀布置;,2.3 框架剪力墙结构,布置的要求: 平面形状凹凸较大时,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙; 尽可能组成L形、T形、 形和井筒等形式; 布置3片以上剪力墙,各片剪力墙的刚度宜均匀 ;,2.3 框架剪力墙结构,布置的要求 剪力墙的间距不宜过大 (间距超过表2-1所列值的框架剪力墙结构,结构计算时应计入楼板变形的影
18、响); 剪力墙不宜集中布置在框架的两尽端,以避免两端的约束作用而造成楼盖梁板开裂 ;,2.3 框架剪力墙结构,2.4 板柱剪力墙结构 (Flat Slab-Wall Structure) 无梁楼板和柱组成的结构 优点: 施工方便 楼板高度小,减小层高 使用空间大,灵活布置隔断墙,缺点: 刚度小 板柱连接节点的抗震性能差, 有可能产生冲切破坏,楼板脱落 不宜作为高层建筑的抗震结构,板柱剪力墙结构可以用于抗震设防烈度不超过8度且高度有限制的建筑。 周边应布置有梁框架,楼、电梯洞口周边应布置梁。,2.5 框架支撑(抗震墙板)结构 (Frame-Braced Frame Structure) 框架中设
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