高层建筑结构的体系与布置.ppt

高层建筑结构设计 Designing Structures of High-rise Building,Wan Shengwu Department of Civil Engineering ,WUST 2010.9,2 Structure and Layout of High-rise Buildings 2 高层建筑结构的体系与布置,本章主要内容 2.1 高层建筑结构的体系 2.2 高层建筑结构的布置 2.3 楼盖结构形式及其适用性,本章重点内容,（1）框架以及框架-剪力墙结构体系的布置及其特点 （2）变形缝的设置及布置方法,结构体系,2.1高层建筑结构的体系,结构体系是指建筑结构抵抗外部作用的构件构成形式。受力构件主要有普通杆件、钢筋混凝土墙体、筒体、巨型构件。,（1）钢筋混凝土结构：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构或框架-筒体结构、筒体结构和巨型结构。 （2）钢结构和混合结构：框架结构、钢框架-抗剪（或支撑）结构、钢框架-混凝土核心筒结构或组合钢框架-混凝土核心筒结构、钢筒体结构和巨型结构。,图2-1 框架结构平面示意图,2.1.1 框架结构体系,钢筋混凝土框架结构是指由水平的钢筋混凝土梁和垂直的钢筋混凝土柱构成的杆系结构，承受竖向和水平荷载作用的承重结构体系。（图2-1所示）,从建筑使用功能来讲，框架结构因其平面布置灵活、造型活泼、可形成较大的空间等优点，易于满足多功能使用要求。（图2-2）,图2-2a 灵活多变的结构平面,图2-2b 北京民航大楼框架柱网布置,根据建筑设汁要求，框架结构体系竖向可设计成退层框架或倾斜式框架结构(见图2-3)。,图2-3 不规则框架,钢筋混凝土框架、钢框架和混合结构框架 钢筋混凝土框架按施工方法分为三种：整体式、装配整体式、装配式。 特点：水平荷载作用下刚度小，水平位移大柔性结构 非地震地区一般不超过70m，地震设防烈度较高地区，不宜过高。 优点：平面布置灵活，可以形成较大的空间。 适用范围：多层工业厂房及仓库；民用建筑中，门厅、会议室、阅览室、商场等。常用作办公楼、旅馆、医院、学校、商店、住宅等。,框架结构分类,高层框架结构住宅,多层框架结构厂房,框架结构的内部空间,框架结构计算模型示意图,汶川地震中的框架结构房屋（一）,汶川地震中的框架结构房屋（二）,2.1.2剪力墙结构体系,剪力墙 是一整片高大的钢筋砼墙体。在高层建筑中，它的高度和宽度与整个房间相同，宽度可达10米甚至更大，高度与房屋高度相同。相对而言，墙体厚度较小。利用剪力墙来抵抗水平及竖向荷载，这种结构体系称为剪力墙结构。 剪力墙用来维护及分隔房间用。,（1）剪力墙体系的特点 优点 结构整体性强，抗侧刚度大，侧向变形很小刚性结构，适用于较高的建筑物； 集承重、抗风、抗震、维护与分隔为一体，合理地利用了结构材料； 抗震性性能好； 用钢量较省； 与框架结构相比，施工相对简便与快捷。,缺点 平面被墙体分割所限，布置不灵活，对需要较大空间的房屋难以满足要求； 结构自重大，自振周期较短，导致较大的地震作用。 (2) 适用范围： 按抗震设防烈度区划不同，适用于2040层左右的房屋，不宜超过50层。如7度设防地区，A级高层不超过120m，8度区不超过100m。一般应用于住宅、旅馆。工业建筑很少采用。,美国 达70层，理论上分析认为可达100150层 76年 广州白云宾馆 全现浇剪力墙结构 115m，33层 89年 上海花园饭店 123m, 34层,常用的剪力墙结构平面布置,某高层板式住宅楼结构平面,框支剪力墙结构,把墙的底层作成框架柱时，称为框支剪力墙。在地震区不允许单独采用此结构。,框支剪力墙的几种形式,为了满足地震区住宅建筑需要底层商店或旅馆中底层需设置大的公用房间的要求，可作成部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的底层大空间剪力墙结构。 在底层大空间剪力墙结构中，一般把落地剪力墙布置在两端或中部，并使纵向、横向墙围成筒体，在底层还要采取加大墙厚，提高混凝土强度等级等措施加大底层墙的刚度，使整个结构上下刚度差别减小。上部则应采用开间较大的剪力墙布置方案。框支剪力墙承受的剪力大部分要通过楼板传到落地剪力墙上，落地剪力墙之间的距离要加以(限制墙距离与楼板宽度之比不超过3，抗震设计时不超过225)，同时还要加强过渡层楼板的整体性和刚性，应采用厚度较大的现浇钢筋砼板。,底层大空间剪力墙结构,框架-剪力墙由若干框架和剪力墙共同作为承重结构。 剪力墙一般设在山墙、楼梯间或电梯井。利用框架结构和剪力墙结构的优点，结合使用。 适合于1625层以上的建筑物，最高不宜超过40层。 如：89年 上海展览中心北馆主楼 165m,48层 90年 广东彩电中心 154m，33层 特点：与框架结构相比，抗侧移刚度提高，侧移减小半刚性结构。应用于办公楼、旅馆、商店等建筑物。,2.1.3框架-剪力墙结构、框架-筒体结构和框架-抗剪（或支撑）结构,北京饭店结构平面布置（框-剪）,上海宾馆结构平面布置（框-剪）,2.1.4 筒体结构体系,空间受力体系。将剪力墙集中于房屋的内部或外围形成封闭的筒体，使结构具有极大的抗侧移刚度，又因剪力墙集中布置可获得较大的空间，使平面布置获得良好的灵活性。 筒体结构犹如固定在基础上的悬臂构件，具有较好的抗弯、抗扭能力。与前几种结构相比具有更大的强度和刚度。超出40层以上的建筑最好采用筒体结构。按布置不同，筒体结构可分为单筒、筒中筒和组合筒结构。, 单筒结构 可由剪力墙或深梁密柱框架构成单筒结构。, 筒中筒结构 （框架-筒体结构） 外筒体 密排柱（1.53.0m）和截面很大的梁组成 内筒 电梯井、楼梯间、中央服务井, 组合筒（成束筒） 由若干个单元筒构成一个整体，形成空间刚度极大的结构，共同承担水平及竖向荷载。,成束筒结构,多筒结构,西尔斯大厦平面变化,2.1.5巨型结构体系,巨型结构是由大型构件(巨型梁、巨型柱和巨型支撑)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。主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。 按受力体系形式可分为：巨型桁架结构、巨型框架结构、巨型悬挂结构和巨型分离式结构； 按材料可分为：巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨混凝土结构、巨型钢一钢筋混凝土混合结构及巨型钢结构。,巨型框架,巨型结构的特点：空间桁架可以抵抗任何方向的水平力，水平力产生的层剪力通过支撑斜杆的轴向力抵抗，可最大限度地利用材料；楼板和围护墙的重量通过次构件传至巨梁，再通过柱和斜撑传至基础。因此巨型桁架是既高效又经济的抗侧力结构。从建筑角度看，巨型结构可以满足许多具有特殊形态和使用功能的建筑平立面要求，从而使建筑师的天才想象得以实施。,香港汇丰银行 巨型钢结构体系,各种结构体系适用层数,2.2 高层建筑结构的布置,2.2.1 结构的总体布置 平面布置和竖向布置 结构的平面布置原则 对每一个单元，宜简单、规则和对称，结构的抗侧力构件和刚度分布力求均匀。 高层钢结构宜采用正方形、矩形等对称平面，开间进深尺寸宜统一。,宜选择风压较小的建筑平面体型，并注意邻近建筑物对该风压分布的影响。 选择有利于抗震的结构平面 控制结构的高宽比H/B (B为平面轮廓线较小边长) 为提高结构的抗侧移刚度，减小侧向位移，高宽比不宜过大。,矩形平面高宽比一般限制在： 框架结构 4 ； 剪力墙结构 6； 框架-剪力墙 45； 筒体结构 6,避免在建筑物的两端或拐角部位设置电梯间或楼梯间。 选择合理的楼盖形式。 抗侧力结构通过楼盖结构连接成空间结构，传递和分配水平作用，要求平面具有足够的刚度。整浇式楼盖刚度和整体性最好，一般超过50m宜采用现浇楼盖。对于高层钢结构，宜采用组合楼板和现浇楼板。,（2）结构的竖向布置 规则的竖向体型，沿竖向的刚度应均匀、连续，应尽量避免刚度不连续或者突变。 避免上刚下柔结构布置、避免过大的外挑和内收。,如对于钢筋混凝土房屋，高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定： 某层的侧向刚度小于相邻上一层时，不应小于上层的70%或不小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平尺寸不大于相邻下一层的25%。 高层钢结构不应小于上层的70%或不小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的50%。,当超出上述要求，结构视为不规则，设计时应采取加强措施。 当上下部采用的结构类型或材料不同时，应设置过渡层（转换层）。,2.2.2变形缝的设置,设置变形缝的原因：在建筑结构的总体布置中，要考虑沉降、砼收缩、温度改变和建筑体型复杂等产生不利影响。 方法：通常可分别用沉降缝、伸缩缝和防震缝将房屋分成若干个独立部分，从而消除沉降差、温度和收缩应力以及体型复杂对结构带来的危害。 变形缝是沉降缝、伸缩缝和防震缝统称,（1）沉降缝 考虑设置沉降缝的情况 建筑主体结构高度相差悬殊，重量差别过大； 地基不均匀。 同一建筑结构不同的单元采用不同的基础形式。 上部结构采用不同的结构形式或结构体系交接处。,设置沉降缝带来的问题： 地下室构造复杂，缝部位防水处理较难；在地震作用下，缝两边的上部结构容易相互碰撞造成危害。鉴如此，可以采取有效措施，不设置沉降缝，方法： 全部采用桩基； 主楼和裙楼采用不同的基础形式，调整地基土压力使两者沉降基本接近； 当地基承载力高，沉降计算较为可靠时，预留沉降差，,施工时暂将主楼和裙楼基础分开，先施工主楼，后施工裙楼，使最后的沉降值接近。 以上措施，均要留置后浇带。 沉降缝的宽度要求应满足抗震缝的要求,后浇带构造,（2）伸缩缝（温度缝） 温度变化和砼干缩产生的内力而设置。 从基础上部断开，宽度要求应满足抗震缝的要求。 设计中亦可以采取措施不设置沉降缝 设置后浇带 部位：对建筑结构无严重影响部位（框架梁1/3跨处、连梁跨中和内外墙连接处），每隔3040m设置一道，宽度,8001000m。主筋连通，砼用微膨胀水泥配置，2个月后完成。 顶部采用刚度较小的结构形式，或顶部设置局部温度缝 在下部几层设置局部温度缝 顶层采取保温隔热措施 结构布置时不要在长端设置刚度很大的剪力墙或支撑系统。,（3）防震缝 对于不规则平面的房屋，或者高度、重量相差悬殊时，在地震作用下薄弱部位容易造成震害（扭转和复杂的震动状态）。两种方法炯异：设防震缝，划分成若干个不同部分（规则、整齐和均匀）；加强各部分连接增强整体性。 需要设置防震缝的情况： 建筑平面突出部分较长，而又未采取有效措施时； 房屋有较大错层时；, 各部分刚度或荷载相差悬殊时； 地基不均匀、各部分沉降过大时。 为避免地震时两部分发生碰撞，高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定防震缝最小宽度应满足： 任何情况下不小于70mm. 框架结构：H15m,70mm；H15m时，设防为6、7、8、9度每相应增加5、4、3、2m，宜加宽20mm；,框架-剪力墙结构防震缝宽度按中规定数的70%采用； 剪力墙结构按中规定数的50%采用 且均不宜小于70mm。 防震缝两侧结构类型不同时，防震缝宽度应按较宽的结构类型和房屋较低高度确定。 变形缝构造复杂，尽量少设，统一考虑，力争三缝合一。,2.2.3 框架结构体系的结构布置,（1）柱网布置原则 满足使用以及生产工艺要求 满足建筑平面布置要求 使结构受力合理 应方便施工 结构布置三种：横向、纵向、纵横向,横向框架梁,纵向框架梁,纵向框架梁,横向框架梁,纵、横向框架梁,纵、横向连续梁,(a)横向承重框架(b)纵向承重框架(c)纵、横向承重框架,框架结构布置,横向承重框架 沿房屋长度方向的柱较多，无论是承载力还是刚度均可得到保证。横向较弱，所以把主要框架梁沿横向布置，使房屋横向刚度得以提高。,纵向承重框架 开间布置灵活，横向刚度差。适合层数不多的房屋，如多层厂房 图示纵向框架平面图（特点横向梁较小，有利于管线布置） 纵横向承重框架 当为大开间柱网、房屋接近正方形，抗震要求高或者两个方向的抗侧移能力均要求较高。,（2）框架结构梁柱梁截面尺寸 钢筋砼框架柱截面形式： 常用长方形、正方形；也有圆形和多边形 框架柱截面高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm。为避免发生剪切破坏，柱净高与截面长边之比宜大于4。 钢结构框架或混合结构： 方钢或H形钢，角柱宜采用对称形截面（正方形、圆形、十字形）,2.2.4剪力墙结构体系的结构布置,（1） 剪力墙分类 按施工工艺划分：大模现浇、滑模现浇、全装配大板和内浇外挂剪力墙体系。 按整体性划分：整体墙、小开口整体墙、双肢墙、联肢墙、壁式框架、框支剪力墙和带小墙肢剪力墙。,（2）承重方案 大开间：6070m， 小开间：3039m 大开间与小开间相比，大开间较经济合理，降低了材料用量，而且增大建筑使用面积。,（3）剪力墙的形状和布置原则 形状 常用截面形状：一字形，通常按建筑分隔和受力角度考虑设计成L、Z、T、工、 形以及封闭的、形。 布置原则 平面布置 1)剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都由钢筋混凝土墙承受，所以剪力墙应沿平面主要轴线方向布置。,矩形、L形、T形平面时，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置； 三角形及Y形平面可沿三个方向布置； 正多边形、圆形和弧形平面，则可沿径向及环向布置。 2)单片剪力墙的长度不宜过大： a.长度很大的剪力墙，刚度很大将使结构的周期过短，地震力太大不经济； b.剪力墙以处于受弯工作状态时，才能有足够的延性，故,剪力墙应当是高细的，如果剪力墙太长时，将形成低宽剪力墙，就会由受剪破坏，剪力墙呈脆性，不利于抗震。 同一轴线上的连续剪力墙过长时，应用楼板或小连梁分成若干个墙段，每个墙段的高宽比应不小于2。每个墙段可以是单片墙，小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于80m，以保证墙肢是由受弯承载力控制，和充分发挥竖向分布筋的作用。内力计算时，墙段之间的楼板或弱连梁不考虑其作用，每个墙段作为一片独立剪力墙计算。,3)剪力墙的数量要在方案阶段合理的确定，以对称，均匀，数量适当为好。 4)剪力墙结构的基本周期控制在合适的范围(0.050.06)Ns 竖向布置 剪力墙应在整个建筑的竖向延续，上到顶，下到底，中间楼层也不要中断。剪力墙不连续会造成刚度突变，对抗震非常不利。,顶层取消部分剪力墙时，其余剪力墙应在构造上予以加强。 底层取消部分剪力墙时，应设置转换层。 为避免刚度突变，剪力墙的厚度应按阶段变化，每次厚度减小宜为50l00mm，不宜过大，使墙体刚度均匀连续改变。厚度改变和混凝土强度等级的改变宜错开楼层。 厚度变化时宜两侧同时内收。外墙及电梯间墙可只单面内收。,剪力墙上的洞口宜上下对齐，并列布置，这种墙传力直接，受力明确，内力分布清楚；抗震性能好。错洞口上下不对齐，受力复杂，洞边容易产生应力集中，配筋大，地震时容易破坏。 相邻洞口之间及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。当墙肢的宽度与厚度之比小于3的小墙肢，在反复荷载作用下，早开裂，早破坏，故墙肢宽度不宜小于3bw(bw为墙 厚)，且不应小于500mm。,刀把形剪力墙会使剪力墙受力复杂，应力局部集中，而且竖向地震作用会产生较大的影响，宜十分慎重。,2.2.5框架剪力墙结构体系、钢框架-核心筒的结构布置,（1）框架剪力墙结构的构成 是由框架结构和剪力墙结构两种不同的抗侧力体系组成的新型受力体系。既能构成灵活自由的使用空间，同时又具有足够的水平刚度。 框架剪力墙结构的变形及受力特点 纯框架：以剪切变形为主； 纯剪力墙：以弯曲变形为主。,结构组成形式一般有： 框架与剪力墙(单片墙、联肢墙或较小井筒)分开布置； 在框架结构的若干跨度内嵌入剪力墙(带有边框剪力墙)； 在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙； 上述两种或三种形式的混合。,（2）框架剪力墙结构布置 框架剪力墙结构体系结构布置除应符合其各自的相关规则外，其框架和剪力墙的布置还应满足下列要求： 框架剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系，主体结构构件之间不宜采用铰接。抗震设计时，两主轴方向均应布置剪力墙。梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合，框架的梁 与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。,框架剪力墙结构中剪力墙的布置一般按照“均匀、对称、分散、周边”的原则布置： a.剪力墙宜均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位；在伸缩缝、沉降缝、防震缝两侧不宜同时设置剪力墙。 b.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。 c.剪力墙布置时，如因建筑使用需要，纵向或横向一个方,向无法设置剪力墙时，该方向可采用壁式框架或支撑等抗侧力构件，但是，两方向在水平力作用下的位移值应接近。壁式框架的抗震等级应按剪力墙的抗震等级考虑。 d.剪力墙的布置宜分布均匀，单片墙的刚度宜接近，长度较长的剪力墙宜设置洞口和连梁形成双肢墙或多肢墙，单肢墙或多肢墙的墙肢长度不宜大于8 m。每段剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的40%。,e.纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。房屋纵向长度较长时，不宜集中在两端布置纵向剪力墙，否则在平面中适当部位应设置施工后浇带以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响，同时应加强屋面保温以减少温度变化产生的影响。 f.楼梯间、竖井等造成连续楼层开洞时，宜在洞边设置剪力墙，且尽量与靠近的抗侧力结构结合，不宜孤立地布置在单片抗侧力结构或柱网以外的中间部分。,g.剪力墙间距不宜过大，应满足楼盖平面刚度的要求，否则应考虑楼盖平面变形的影响。 （3）剪力墙的数量 框架剪力墙结构中，剪力墙通常承担了大部分大部分水平荷载，并增加了结构