《多层与高层》PPT课件.ppt

同济大学电子音像出版社,工 程 结 构,第八章 多层与高层,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,本章介绍钢筋混凝土多层及高层房屋的结构体系，以及框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构的受力特点、计算方法及构造要求。通过学习，了解钢筋混凝土多层及高层房屋的常用结构体系的特点及适用高度。,本章提要,10层及10层以上或高度大于28m的房屋称为高层建筑，否则为多层建筑。 高层建筑是随着社会生产力、人们生活的需要发展起来的，是商品化、工业化、城市化的结果。但是当建筑物高度增加时，水平力（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快。 高层建筑中，结构要使用更多的材料来抵抗水平力，抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。特别是在地震区，地震作用对高层建筑的威胁也比低层建筑要大，抗震设计应受到加倍重视。,下图是结构内力（N，M）、位移（）与高度的关系，弯矩和位移都随高度呈指数曲线上升。,结构内力、位移与高度的关系,本章内容,第一节 多层与高层房屋的结构体系,第二节 多层框架结构的布置及形式,第三节 框架结构的侧移与内力计算,第四节 框架的内力组合,第五节 框架结构的构造要求,多层及高层钢筋混凝土房屋的常用结构体系可分为四种类型：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构，各有不同的适用高度和优缺点。 高层与多层的界限： 1. 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002（以下简称高规） 10层及10层以上或大于28m的房屋为高层建筑； （High-rise building） 2. 2-9层且高度不大于28米的建筑则为多层建筑。（Multistory building）,第一节 多层与高层房屋结构体系,世界十大高层：第一（台北101大楼 ）,被称为“台北新地标”的101大楼于 1998年1月动工，主体工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最高速的电梯，从一楼到89楼，只要39秒的时间。 在世界高楼协会颁发的证书里，台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”（508m）“最高使用楼层”(438m)和“最高屋顶高度”(448m)。,世界十大高层：第二（国家石油公司双塔大楼）,国家石油公司双塔大楼位于吉隆坡市中心美芝律，高88层，是当今世界名冠的超级建筑。巍峨壮观，气势雄壮，是马来西亚的骄傲。 它曾以451.9米的高度打破了美国芝加哥希尔斯大楼保持了22年的最高记录。这个工程于1993年12月27日动工，1996年2月13日正式封顶，1997年建成使用。登上双塔大楼，整个吉隆坡市秀丽风光尽收眼底，夜间城内万灯齐放，景色尤为壮美。,世界十大高层：第三（西尔斯大厦 ）,西尔斯大厦是位于美国伊利诺州芝加哥的一幢摩天大楼，楼高442m，共地上108层，由建筑师密斯凡德勒所设计。 美国伊利诺伊州的芝加哥市堪称摩天大楼的发源地。它是为西尔斯-娄巴克公司建造的，于1973年竣工。 西尔斯大厦由9座塔楼组成。它们的钢结构框架焊接在一起，这样也助于减少因其高度所造成的在风中摇动。所有的塔楼宽度相同，但高度不一。大厦外面的黑色环带巧妙地遮盖了服务性设施区。西尔斯大厦有110层，一度是世界上最高的办公楼。每天约的1.65万人到这里上班。在第103层有一个供观光者俯瞰全市用的观望台。它距地面412m，天气晴朗时可以看到美国的4个州。,世界十大高层：第四（上海金茂大厦 ）,金茂大厦具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向21世纪的标志性建筑之一，由美国SOM设计事务所主设计。1998年8月建成。占地236万平方米，建筑面积 28.95万平方米。高420.5m，88层。 金茂大厦主楼152层为办公用房，5387层为五星级宾馆，88层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。,世界十大高层：,第五（香港国际金融中心大厦） 第六（中信广场大厦） 第七（信兴广场大厦） 第八（帝国大厦） 第九（中环广场大厦） 第十（中银大厦）,位于香港中环的国际金融中心一期1998年竣工，高39层，180米，自建成后便吸引了不少国际金融机构进驻。国金二期2003年落成，高420米，共88层，为香港最高建筑物。被称为“惊世之作”的香港国际金融中心二期外形设计概念是以一个向外地的朋友“招手”的手势，向海外朋友表示“欢迎您”的意思。,天河中信广场是广州继63层广东国际大厦（查看地图）为当年全国最高建筑之后，又一次夺得90年代的全国之冠，楼高达391米，80层，迄今为止仍是广东省之最。 作为中国最高的建筑之一，中信广场有68部电梯上上下下，保利物业负责人称，整个中信是“立起来的街道”。,信兴广场地王大厦由68层的商业大楼、32层的商务公寓、5层的购物中心及2层地下停车场组成，楼高384米，占地18734平方米，总建筑面积27万平方米，总投资40亿港币。,1993年香港中环广场大厦建成，高374米，78层，是香港目前最高的摩天大楼。也同样跻身于世界最高建筑物前10名之列。 大厦看起来是三角形造型，其实并不是真三角形因为它的尖角均被切去。原因有二：首先是为了能有更多便于使用的室内面积；而更重要的是避免以其税利尖角冲向邻居而得罪他们。这样做不仅是不礼貌的更重要的是有碍风水。 大厦顶部以金字塔形状的坡顶以及立于其上的桅杆作收束，晚间日光照耀下闪闪发光。立面以三种不同颜色的隔热玻璃围护。金色、银色涂层的玻璃构成垂直和水平图案而形别涂饰的花玻璃穿插其间，形成典雅而又闪烁发光的形象。,1981年4月30日，矗立在美国纽约市中心高1250英尺、共102层的帝国大厦度过了50个春秋。30年代，美国经济处于大萧条时期，人民生活更加困苦，而华尔街的老板们却热衷于修建摩天大楼的竞赛。百万富翁拉斯科布为了显示自己的富有，决意修建一座世界最高的楼房。他找来著名的建筑师威廉拉姆，问楼房能盖多高？拉姆沉思片刻后回答说：“1050英尺。”拉斯科布对这个高度很不满意，因为这仅仅比当时纽约新建成的克莱斯勒大厦高4英尺。于是，建筑师设法增加了一节200英尺高的圆塔，使帝国大厦的高度为1250英尺。这座摩天大楼只用了410天就建成，也可算是建筑史上的奇迹。在很长一段时间里，帝国大厦一直是世界最高的楼房。,香港中国银行大厦，由贝聿铭建筑师事务所设计，1990年完工。总建筑面积12.9万平方米，地上70层，总高369m。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，室内无一根柱子。 仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。,8.1.1 框架结构体系,由梁、柱构件通过结点连接组成的结构称为框架，框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。,8.1.2 剪力墙结构体系,将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构，这种体系为剪力墙结构体系。 剪力墙的间距受到楼板跨度的限制，一般为38m，因而剪力墙结构适用于具有小房间的住宅、旅馆等建筑，此时可省去大量砌筑填充墙的工序及材料，如果采用滑升模板及大模板等先进的施工方法，施工速度很快。,现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体截面积大，承载力要求也比较容易满足。剪力墙的抗震性能也较好。 剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，结构自重较大。 为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度，剪力墙的间距要尽可能做大些，一般6m左右为宜。,8.1.3 框架剪力墙体系,框架结构侧向刚度差，抵抗水平荷载能力较低，地震作用下变形大，但它具有平面灵活、有较大空间、立面处理易于变化等优点。而剪力墙结构则相反，抗侧力刚度、强度大，但限制了使用空间。把两者结合起来，取长补短，在框架中设置一些剪力墙，就成了框架剪力墙(简称框剪)体系。,在这种体系中，剪力墙常常担负大部分水平荷载，结构总体刚度加大，侧移减小。同时，通过框架和剪力墙协同工作，通过变形协调，使各种变形趋于均匀，改善了纯框架或纯剪力墙结构中上部和下部层间变形相差较大的缺点，因而在地震作用下可减少非结构构件的破坏。从框架本身看，上下各层柱的受力也比纯框架柱的受力均匀，因此柱子断面尺寸和配筋都可比较均匀框-剪体系的适用高度为1525层，一般不宜超过30层。,8.1.4 筒体体系,由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，其受力与一个固定于基础上的筒形悬臂构件相似。根据开孔的多少，筒体有空腹筒和实腹筒之分。 空腹筒一般由电梯井、楼梯间、管道井等形成，开孔少，因其常位于房屋中部，故又称核心筒。空腹筒又称框筒，由布置在房屋四周的密排立柱和截面、高度很大的横梁组成。这些横梁称为窗裙梁，梁高一般为0.61.22m。,由核心筒、框筒等基本单元组成的承重结构体系称为筒体体系。根据房屋高度及其所受水平力的不同，筒体体系可以布置成核心筒结构、框筒结构、筒中筒结构、框架核心筒结构、成束筒结构和多重筒结构等形式。筒中筒结构通常用框筒作为外筒，实腹筒作为内筒。,深圳发展中心大厦,成束筒,巨形框架结构,多层框架结构的布置 框架结构体系是指若干平面框架之间通过连系梁或等代梁加以连成整体的一种空间结构。框架结构布置包括柱网布置和框架梁布置。 （一）主要承重框架沿房屋横向布置,第二节 多层框架结构的布置及形式,这种布置方案的优点是： (1)框架外柱宽度可收小，能满足建筑立面要求； (2)外墙不承重，其自重由连系梁传给横向承重框架柱，故对纵向墙沿开窗限制建筑上的室内采光的要求； (3)由于一般进深大于开间，采取横向承重框架时，楼板沿纵向（即开间方向）布置，跨度可以相对小些，楼板结构比较经济合理。如采用装配式预制楼板时，则运输和吊装也较为方便。 目前，一般工业与民用建筑多采用这种横向承重框架的布置方案。 （二）主要承重框架沿房屋纵向布置,（二）主要承重框架沿房屋纵横向布置 承重框架沿房屋纵向与横向同时布置，可以有利于满足来自两个不同方向的抗风和抗震要求。虽然有时楼板仅沿一个方向布置或者采用双向楼板，但是纵横两个方向的框架均具有足够的强度和刚度。,多层框架结构的形式,框架的形式 按施工方式，框架结构可分为现浇框架、预制框架和现浇预制框架三种类型。 （1）现浇框架（又称整体式框架） （2）预制框架（又称装配式框架） （3） 现浇预制框架（又称装配整体式框架） 现浇预制框架一般有三种做法： （1）预制长柱迭合梁； （2）预制短柱迭合梁； （3）现浇柱迭合梁。,框架的形式,第1种做法，因柱子较长，柱内纵向钢筋配置往往主要由起吊因素控制，且吊装柱子时又需要重型履带式起重机，在有条件时才采用。第2种和第3种做法，主要优点是吊装方便，柱子不需设牛腿，室内整齐，且节点构造简单，用钢量和焊接工作量少，故常用于轻工业厂房和民用建筑中。,框架的形式,此外，在框架中还有部分刚接节点，部分为铰接节点的混合方案。其顶层梁与柱铰接，其他为刚接。,框架的形式,铰接点,第三节 框架结构的内力与侧移计算,框架结构内力计算,内力计算方法主要有：弯矩分配法、无剪力分配法和迭代法(精确计算)。为简化计算，实际常用的方法有：分层法(竖向荷载作用)、反弯点法和D值法(水平荷载作用)。 竖向荷载作用下的内力计算(分层法) 力矩分配法回顾:转动刚度、分配系数、传递系数的概念与计算。,基本假定： 框架的侧移忽略不计 每层梁上的竖向荷载对本层梁及与本层梁相连的柱产生弯矩与剪力 刚度修正：除底层柱外其他各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数；除底层传递系数为1/2外，其他各层柱的弯矩传递系数取1/3。 将多层框架简化为单层框架来计算，即分层进行力矩分配计算。分层计算得出的梁的弯矩即为最终弯矩，但由于每个柱均属于上下两层，所以柱的最终弯矩为上下两层计算结果相加。,水平荷载作用下内力计算(反弯点法与D值法),基本假定: 各柱上下端没有角位移;除底层外,各柱上下端节点转角相等;忽略框架梁的轴向变形。 适用范围: 梁的线刚度与柱的线刚度之比大于3 该方法的两个关键问题为：a)水平荷载在楼层各柱的分配 b)反弯点高度的确定,反弯点高度 反弯点高度为反弯点至柱下端的距离。对上层柱，假定各柱 上下转角相等，则柱上下端弯矩相等，反弯点在柱中央，即 对于底层柱，柱脚转角为零，而上端转角不为零，故反弯点 向上端移动，假定： 铰接：无约束作用，弯矩为零，自由转动； 固接：约束作用强，弯矩很大，转角为零。,侧移刚度系数d： 侧移刚度系数d表示柱上下两端相对有单位侧移时柱中产生 的剪力，它与两端约束情况有关。由于梁的线刚度比柱的大， 各柱端转角很小，可假定结点转角为零，可得：,柱端弯矩计算 柱下端弯矩： 柱上端弯矩： 梁端弯矩计算,改进后的反弯点法D值法,反弯点法的缺陷： 1)梁柱线刚度之比无穷大(实际情况中梁的线刚度可能小于柱的线刚度,柱的侧向刚度不仅与柱的线刚度、层高有关，还与梁的线刚度有关) 2)柱反弯点高度固定(柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比、上下层横梁的线刚度比、上下层层高的变化等因素有关) D值法：对反弯点高度和柱的抗侧移刚度进行修正。,侧移刚度修正（修正后的侧移刚度用D表示）,根据转角位移方程： 柱端弯矩: 梁端弯矩： 由节点A、B力矩平衡，可得,柱AB受到的剪力：,求得框架柱侧向刚度D后，可计算层间剪力分配给各柱：,反弯点高度修正,影响柱两端转角的因素：梁柱线刚度比、柱所在楼层、横梁线刚度比、上下层层高变化。,标准反弯点高比y0：可根据荷载方式，由n、j、K查表得出。 上下层梁线刚度变化时修正系数y1： 当 取 此时反弯点上移， y1取正值。 若 取 此时反弯点下移， y1取负值。对于底层，不考虑y1修正值。,上下层层高变化时修正系数y2、 y3 ：令 ，从表 中可查出y2，当 1时， y2取正值,反弯点上移； 当 1时， y3取负值,反弯点 下移；当 1时， y3取正值， 反弯点上移。对于最下层，不 考虑y3修正值。,反弯点法和D值法的主要参数比较,水平荷载作用下侧移的计算,侧移计算：,框架结构在水平荷载作用下的侧移曲线表现为剪切型。 梁柱弯曲引起的侧移为剪切型(主要变形)； 柱轴向变形引起的侧移为弯曲型(次要变形)。,梁柱弯曲变形引起的侧移,柱轴向变形引起的侧移,第四节 框架的内力组合,1）控制截面 梁的控制截面：两端支座和跨中。 柱的控制截面：上下端截面。 注意：内力计算得到的弯矩与 剪力是轴线处的内力，需换算 成构件端截面的内力。,2）竖向荷载的最不利内力组合 梁端截面： 梁跨中截面： 柱端截面：,3）活荷载的最不利位置 （1）分跨计算组合法； （2）最不利荷载位置法； （3）分层组合法； （4）满布荷载法。,分跨计算法,计算跨中最大正弯矩的活荷载布置图,计算杆端最不利负弯 矩的活荷载布置图,计算柱顶最不利内 力的活荷载布置图,满布活荷载法,内力组合,荷载规范：对于一般排架、框架结构，基本组合可 采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定。 1）由可变荷载效应控制的组合 2）由永久荷载效应控制的组合,G：永久荷载分项系数；, Qi ：第i个可变荷载分项系 数，Q1是可变荷载Q1 的分项系数；,SGk：按永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值；,SQik：按可变荷载标准值Qik 计算的荷载效应值， 其中SQ1k为诸可变荷载 效应中起控制作用者 ；,ci：可变荷载Qi的组合值系数；,弯矩调幅,现浇框架：0.80.9；装配式框架：0.70.8。 1)调幅只对竖向荷载作用下的内力进行，水平荷载作用下的弯矩不参与调幅。应先对竖向荷载作用下框架梁的弯矩进行调幅，再与水平荷载作用产生的框架梁弯矩进行组合。 2）截面设计时，框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设