高层建筑设计2.ppt

第 2 章 结构体系与结构布置,西安建筑科技大学：史庆轩等,高层建筑结构设计,标 题,主要内容：,主要内容,2.1 结构体系 2.2 结构总体布置 2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2.1.1 框架结构体系 1、定义：房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。,2.1 结构体系,注：由形、形、形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构，截面各肢的肢高肢后比不大于4。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2.1 结构体系,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、板预制的方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。,2.1 结构体系,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。,2.1 结构体系,4、优缺点： 1）优点：建筑平面布置灵活，能获得大空间（特别适用于商场、餐厅等）也可按需要隔成小房间；建筑立面容易处理；结构自重较轻；计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。 2）缺点：侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，有时会影响正常使用；如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较大。因此，设计时应控制房屋的高度和高宽比。（以1520层以下为宜）,2.1 结构体系,2.1.2 剪力墙结构体系 1、定义：房屋竖向承重结构全部由剪力墙组成。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 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。 注：1）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。 2）剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。 3、优缺点： 1）优点：剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小；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） 2）缺点：结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间（一般剪力墙间距38m）。,2.1 结构体系,4、框支剪力墙结构： 1）框支剪力墙结构将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，这种结构亦称为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。（上部可采用短肢剪力墙）,2.1 结构体系,5、短肢剪力墙结构 ： 这种结构体系一般是在电梯、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，墙肢之间在楼面处用梁连接，并用轻质材料填充，形成使用功能及受力均较合理的短肢剪力墙结构体系。（在小高层中应用很广）,2.1 结构体系,2.1.3 框架-剪力墙结构体系 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，且高度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。,2.1 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。,2.1 结构体系,3、优点： 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 1020 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。,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系 1、定义：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,2.1 结构体系,2、分类：实腹筒、框筒和桁架筒。 1）实腹筒：钢筋混凝土剪力墙围成的筒体。 2）框筒：布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。 3）桁架筒：将 筒体的 四壁 做成桁 架，就形成 桁架筒。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2.1 结构体系,3、受力变形特点： 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。上述现象称为剪力滞后。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,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，从而使柱之间的轴力传递减弱。 4）框筒中剪力滞后现象愈严重，参与受力的翼缘框架柱愈少，空间受力性能愈弱。 5）如何减少剪力滞后： （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。,2.1 结构体系,5、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。,2.1 结构体系,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。,2.1 结构体系,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。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,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，具有良好的抗震性能。,2.1 结构体系,上海证券交易所,2.1 结构体系,2.1.5 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。,2.1 结构体系,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。,2.1 结构体系,2.1.6 带加强层的高层建筑结构体系 1、定义：可沿框架核心筒结构房屋的高度方向，每隔 20 层左右，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带状水平梁或桁架。,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 与框架-核心筒结构相比，伸臂-核心筒结构具有更大的侧向刚度和水平承载力，从而适用于更多层数的高层建筑。 1）外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力，故增大了整个结构抗力偶矩的等效力臂； 2）设置加强层相当于在结构上施加了反力矩，它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。,2.1 结构体系,2.1.7 各种结构体系的最大适用高度和适用的最大高宽比 1、最大适用高度（参考课本） 级高度的钢筋混凝土高层建筑是指符合表 2.1.1 高度限值的建筑，也是目前数量最多，应用最广泛的建筑； 级高度的高层建筑是指较高的（其高度超过表 2.1.1 规定的高度）、设计上有严格要求 高层建筑，其最大适用高度应符合表 2.1.2 的规定。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2、适用的最大高宽比（参考课本） 房屋的高宽比愈大，水平荷载作用下的侧移愈大，抗倾覆作用的能力愈小。因此，应控制房屋的高宽比，避免设计高宽比很大的建筑物。,注：按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比；对带有裙房的高层建筑，当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时，计算高宽比时房屋的高度和宽度可按裙房以上部分考虑。,2.2 结构总体布置,2.2.1 结构平面布置（参考课本） 1、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，受力明确，传力直接，力求均匀 对称，减少扭转的影响。 1) 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，刚度和承载力分布均匀。 不应采用严重不规则的平面布置。,高层建筑结构总体布置包括：结构平面布置和结构竖向布置,2.2 结构总体布置,2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。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。,2.2 结构总体布置,3）抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度 L 不宜过长，突出部分长度 l 不宜过大；不采用角部重叠或细腰形平面图形。,2.2 结构总体布置,4) 抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。 注：级高度钢筋混凝土高层建筑和混合结构高层建筑的最大适用高度较高，复杂高层建筑的竖向布置已不规则，这些结构的地震反应较大，故对其平面布置的规则性应要求更严一些。 5) 结构平面布置应减少扭转的影响。平面不规则、质量中心与刚度中心偏心较大和抗扭刚度太弱的结构，其震害严重。 注：对结构的扭转效应从以下两个方面加以限制： （1）限制结构平面布置的不规则性，避免质心与刚心存在过大的偏心。 （2）结构的抗扭刚度不能太弱。,2、对楼板开洞的限制（略）,2.2 结构总体布置,3、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：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。,2.2 结构总体布置,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、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。,2.2 结构总体布置,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。伸缩缝可减少温度应力。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）上部改变结构形式或局部(顶部）设伸缩缝;（）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。,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70mm；15时，每增加25m，加宽20mm；,2.2 结构总体布置,框架-剪力墙结构：取上述规定的70%,但不小于70mm。 剪力墙结构：取框架结构的50%，但不小于70mm。 缝两侧结构体系不同时，缝宽按不利的结构类型确定。 （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。,2.2 结构总体布置,2.2 结构总体布置,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 结构总体布置,2.2.2 结构竖向布置 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。,2.2 结构总体布置,2）抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度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%。 注：楼层的侧向刚度可取该楼层剪力与该楼层层间侧移的比值。,2.2 结构总体布置,3）为防止结构出现 薄弱层，A 级高度高层建筑楼层层间的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%；B 级高度高层建筑楼层层间的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的 75%。 4）抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。,2.2 结构总体布置,5）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 结构总体布置,6）结构顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力与其下部楼层相 差较多，形成刚度和承载力突变，此时应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施。如用弹性动力时程分析进行补充计算、沿柱子全长加密箍筋、大跨度屋面构件要考虑竖向地震作用效应等。 7）高层建筑设置地下室，可利用土体的侧压力防止水平力作用下结构的滑移、倾覆，减轻地 震作用对上部结构的影响；还可降低地基的附加压力，提高地基的承载能力。震害经验也表明，有地 下室的高层建筑，其震害明显减轻。 因此，高层建筑宜设地下室，而且同一结构单元应全部设置地下室，不宜采用部分地下室，地下室应有相同的埋深。,2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2.3.1 楼盖结构选型 1、分类：现浇楼盖、装配式楼盖 2、选型,2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2.3.2 楼盖构造要求 (略) 2.3.3 基础形式及埋置深度 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。 基础设计应满足要求： 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。,2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,1、基础形式 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。,2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2、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) 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。,