建筑培训讲座PPT高层建筑结构设计.ppt

1 高层建筑结构设计 颜媛媛 2 土地少 人口多 3 目录 4 高层建筑 指层数较多 高度较高的建筑 国际 1972年国际高层建筑会议 建议把高层划分为四类 9 16层 h 50m 17 25层 h 75m 26 40层 h 100m 40层以上超高层 h 100m 美国 30或40层以上日本 大于20层住宅或大于30层的旅馆 办公楼我国 高层混凝土规范 jgj3 2002 规定 住宅10层及10层以上或28米以上的高层民用建筑为高层建筑 建筑高度超过100m的建筑均为超高层建筑 防火规范 gb50045 95 规定 10层以上或总高度超过24米以上建筑为高层建筑 注 高度指室外地面到主楼屋面不包括突出屋面的电梯机房等民用住宅电梯要求 8层 如南京地区 7层 1 1高层建筑的定义 5 6 最高记录第一高楼 哈利法塔 原名迪拜塔 又称迪拜大厦或比斯迪拜塔 建筑现况 已完工投入使用 动土时间 2004年9月21日 封顶时间 2009年10月 使用时间 2010年1月4日 建筑高度 总高度828米 2 684英尺 建筑层数 162层 结构形式 钢筋混凝土结构 抗震能力 6 3级地震 建筑造价 105亿 rmb 占地面积 34 4公顷 设计单位 som 阿德里安 史密斯 建筑工人 1 2万名 建筑温差 底层 顶层 10 开发单位 伊玛尔地产 施工单位 中国南通六建 韩国三星工程 besix arabtec 7 高度记录 哈利法塔与其他知名的高层建筑比较 最高的建筑 828米 2 717英尺 先前为美国北达科塔州高628 8米 2 063英尺 的kvly电视塔 最高的自立建筑 828米 3 220英尺 先前为加拿大国家电视塔 553 3米 1 815英尺 最多楼层数 162层 先前为已完成的西尔斯大楼 110层 记录上最多的纽约世贸中心 110层 最高混凝土结构 601 0米 1 972英尺 先前为台北101屋顶 449 2米 1 474英尺 8 楼层用途 9 第二高楼 中国台北国际金融中心 也叫taipei101大楼 建设地点 台北市信义区西村里信义路五段7号 开工时间 1999年7月 竣工时间 2003年10月17日 占地面积 30278平方米 建筑面积 28 95万平方米 建筑高度 508米 建筑层数 地上101层 地下3层 结构形式 钢筋混凝土结构 新式的 巨型结构 建筑造价 580亿元台币 投资单位 台北金融大楼控股有限公司 设计单位 李祖原建筑师事务所 建设用途 购物中心 办公 观景 施工单位 ktrt 英文名称 taipei101 隐义technology art innovation people environment identity 别称 台北国际金融中心 10 工程结构 建筑 taipei101为世界首创的多节式摩天大楼 第27层至第90层共64层中 每8层为一节 一共8节 每八层所组成的倒梯形方块形状来自中国的 鼎 为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏 台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成 抵销风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器 而大楼外形的锯齿状 经由风洞测试 能减少30 40 风所产生的摇晃 基桩由382根钢筋混凝土构成 中心的巨柱为双管结构 钢外管 钢加混凝土内管 台北101所使用的钢至少有5种 依不同部位所设计 特别调制的混凝土 比一般混疑土强度强60 11 调质阻尼器 为了因高空强风及台风吹拂而造成的摇晃 大楼内设置了 谐质块阻尼器 是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球 利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度 据台北101告示牌所言 这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器 更是目前全球最大之阻尼器 12 第三高楼 上海环球金融中心 开工日期 1997年年初首次开工 后遭1997年亚洲金融危机停工 于2003年2月工程复工 竣工日期 2008年8月29日 用地面积 30 000 占地面积 14 400 建筑面积 381 600 建筑层数 地上101层 地下3层 建筑高度 492米 结构形式 钢筋混凝土结构 src结构 钢结构 s结构 建筑造价 1050亿日元 73亿人民币 投资单位 森海外株式会社 forestoverseasco ltd 建筑设计 kpf建筑师事务所 结构设计 籁思理 罗伯逊联合股份有限公司 lera 设计单位 上海现代建筑设计 集团 有限公司 华东建筑设计研究院有限公司 施工单位 中国建筑工程总公司 上海建工 集团 总公司总承包联合体 所获荣誉 2008年竣工的最佳高层建筑 美国芝加哥 高层建筑和城市住宅委员会 评选 13 上海环球金融中心建筑平面图 lowerfloormax 12tenants higherfloormax 14tenants 14 上海环球金融中心五大之最 屋顶高度世界第一 492米 超过了之前屋顶高度世界第一的台北101大楼 480米 人可达到高度世界第一 474米 大楼100层的观光天阁是世界上人能到达的最高观景平台 世界最高中餐厅 416米 设在93层的中餐厅 将成为全球最高中餐厅 世界最高游泳池 366米 设在85层的游泳池 将夺得 世界最高游泳池 称号 世界最高酒店 设在大楼79至93层的柏悦酒店 将成为世界最高酒店 15 第四高楼 马来西亚吉隆坡石油大楼 建设地点 吉隆坡市中市klcc计划区的西北角 开工时间 1993年12月27日 竣工时间 1996年2月13日 占地面积 40公顷 建筑面积 28 95万平方米 建筑高度 452米 建筑层数 88层 结构形式 高轧制钢梁支托的金属板 钢筋混凝土 建筑造价 20亿马币 投资单位 马来西亚石油公司 设计单位 凯撒培礼建筑事务所 西泽配利 建设用途 办公 英文名称 thepetronastwintowers 别称 佩重纳斯大厦 马来西亚国家石油大厦 国家石油双塔 双子塔 16 外部构造 双塔的外檐为152英尺 46 36m 直径的混凝土外筒 中心部位是74 8英尺 75 4英尺高强钢筋混凝土内筒 18英寸高轧制钢梁支托的金属板与混凝土复合楼板将内外筒连系在一起 4架钢筋混凝土空腹格梁在第38层内筒四角处与外筒结合 塔楼由一个筏式基础和长达340英尺但达不到基岩层之4英尺 9尺截面长方形摩擦桩 或称作发卡桩承托 位于圆形与正方形重送交接点位置处的16根混凝土柱子支承上部结构荷载 17 世界之最 连接双子塔的空中走廊是目前世界上最高的过街桥 站在这里 可以俯瞰马来西亚最繁华的景象 双子塔内有全马来西亚最高档的商店 销售的都是品牌商品 当然价格也是最高的 塔内有东南亚最大的古典交响音乐厅 dewan古典交响音乐厅 18 第五高楼 美国芝加哥西尔斯大楼 建设地点 美国伊利诺伊州芝加哥 现名 韦莱集团大厦 2009年7月16日改名 开工时间 1972年 竣工时间 1974年 建筑面积 418000平方米 建筑高度 443米 527 3米含天线 建筑层数 地上110层 地下3层 结构形式 高层建筑抗风结构 建筑造价 39亿 投资单位 西尔斯百货公司 设计单位 som建筑师事务所 建设用途 办公 英文名称 searstower 别称 希尔斯大厦 19 西尔斯大楼结构 整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构 离地面越远剪力越小 大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻 大厦采用由钢框架构成的成束筒结构体系 外部用黑铝和镀层玻璃幕墙围护 其外形的特点是逐渐上收的 即1 50层为9个宽度为23 86米的方形筒组成的正方形平面 51 66层截去一对对角方筒单元 67 90层再截去另一对对角方筒单元 形成十字形 91 110层由两个方筒单元直升到顶 20 21 第六高楼 上海金茂大厦 建设地点 中国上海浦东新区世纪大道88号 开工日期 1994年5月10日 竣工日期 1999年3月18日 占地面积 2 3公顷 建筑面积 29万平方米 建筑层数 地上88层 地下3层 建筑高度 420 5米 结构形式 钢筋混凝土结构 建筑造价 50亿 投资单位 中国金茂 集团 股份有限公司 建筑设计 美国芝加哥som设计事务所 主创建筑师adriansmith 英文名称 jinmaobuilding 22 结构平面立面图 23 24 最新结构技术 商品砼和散装水泥应用技术 粗直径钢筋连接技术 新型模板与脚手架应用技术 高强混凝土技术 建筑节能技术 硬聚氯乙烯塑料管的应用技术 粉煤灰综合利用技术 建筑防水工程新技术 现代管理技术与计算机应用 25 第七高楼 美国纽约世贸中心姐妹楼 建设地点 美国的纽约州纽约市曼哈顿岛西南端 开工日期 1962年 竣工日期 1976年 占地面积 6 5公顷 建筑面积 每幢摩天楼面积46 6万平方米 建筑层数 地上110层 地下6层 建筑高度 北楼 417米 南楼 415米 结构形式 钢结构 建筑造价 7亿美元 投资单位 纽约州和新泽西州的港务局 建筑设计 美籍日裔建筑师m 雅马萨基 26 世界贸易中心遭撞击示意图 27 世界贸易中心南塔楼倒塌后 28 世界贸易中心北塔楼倒塌后 29 夕阳下的世贸 追思 30 31 南京紫峰大厦 建设地点 位于南京鼓楼区鼓楼广场 东至中央路 西至北京西路 开工日期 2005年5月底 竣工日期 2008年9月28日 占地面积 18721m2 建筑面积 260000m2 建筑层数 地上89层 地下3层 建筑高度 381米 69米 施工单位 上海建工 建筑造价 40亿 投资单位 南京国资集团 上海绿地集团 建筑设计 由美国著名设计单位som与华东建筑设计研究院有限公司合作设计 32 紫峰大厦主楼结构形式为钢结构框架 钢筋混凝土核心筒体系 在10层 35层和60层分别设置了钢结构桁架 副楼为现浇混凝土框架 核心筒体系 裙房为钢结构框架和混凝土框架混合的结构体系 在主楼和副楼7层间为一个张弦玻璃屋顶 33 1 2发展高层建筑的意义 在现代化大都市中 过度的人口和建筑密度 城市用地日趋紧张 真可谓寸土千金 使得人们不得不向空间发展 意义 1 节约用地 2 节省城市基础设施费用 3 改善城市市容 高层建筑的出现 不仅改变了城市的建筑布局 而且为当地的经济发展起到了巨大的带动作用 随着高性能材料的不断研制和开发 结构形式合理性的进一步研究 可以预见 在今后的土木工程领域 高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式 扮演重要的角色 因此 掌握高层建筑的设计知识 是对土木工程领域技术人员的基本要求 34 1 3高层建筑的特点 优点 高层建筑具有占地面积少 建筑面积大 造型特殊 集中化程度高 有较好的日照 采光和通风效果等优点 正是这些优点 使得高层建筑在现代化大都市中得到了迅速的发展 缺点 随着建筑高度的增加 建筑的防火 防灾 热岛效应等已成为人们急待解决的难题 此外 从受力角度来看 随着高层建筑高度的增加 水平荷载 风载及地震作用 对结构起的作用将越来越大 35 1 4高层建筑的材料 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 1 钢结构钢材强度高 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 但是 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 36 2 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构造价低 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 缺点是自重较大 抗震性能不如钢结构 建造高度也不如钢结构 37 3 钢 混凝土组合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 目前世界最高建筑 吉隆坡的石油大厦 就是这种结构形式 38 1 5本课程学习要求 1 计算高层上的荷载与地震作用 2 掌握高层建筑结构的选型与布置原则 并能够正确地进行造型选择与结构布置 3 掌握各类高层建筑结构内力与变形的计算方法 4 掌握各类高层建筑结构构件与节点的配筋计算方法及构造要求 39 第二章高层建筑的结构体系与结构布置 2 1 1受力特点 底部轴力底部弯矩 均布 倒三角形 顶部位移 均布 倒三角形 40 随着高度h的增加 起控制作用的底部弯矩和顶部侧移随之成平方和4次方增长 由此可知 低层主要承受竖载 多层时同时考虑水平力 风载 地震力 但不很突出 高层时水平力影响成为主要控制因素 2 1设计基本原则一个建筑结构方案的确定 要涉及到安全可靠 使用要求 经济投入 施工技术和建筑美观等诸多方方面面的问题 原则 注重概念设计 重视结构选型和平 立面布置的规则性 择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系加强构造措施 41 结构满足的基本要求 1 具有必要的承载力 刚度和变形能力 2 避免因局部破坏而导致整个结构破坏 3 对可能的薄弱部位采取加强措施 4 避免局部突变和扭转效应形成的薄弱部位 5 宜具有多道抗震防线 简而言之 应符合安全适用 技术先进 经济合理 方便施工 42 2 2 1结构体系结构体系 是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式 是建筑物的受力 传力 传载 构件系统 主要分为 竖向结构体系和水平结构体系及基础 水平结构体系 主要由梁 板等组成的楼板 屋盖等 承担竖向荷载 水平结构除承受作用于楼面或屋面的竖载外 另一个重要作用是 连接各竖向结构构件 形成一个空间整体结构 风 地震等水平力首先通过楼屋盖等水平构件传给各竖向抗侧构件 由于整个建筑中 各个竖向抗侧构件能力 抗侧刚度 不尽相同 则按能力分配外力 这时会形成内合力和外力不重合 形成扭转 则水平结构在其中起到了扁担梁的作用 使各竖向构件侧移变形协调 共同工作 即空间协调工作 43 图例 各水平结构体系 44 房屋建筑中不仅有此类水平构件 更重要的是 竖向结构体系 主要由柱 剪力墙 筒体等构件组成 主要传递 承受 水平力 随高度h的增加水平力越来越大 因此要给建筑物设计一个强大的抵抗水平力的结构构件系统 如剪力墙结构体系等 基础 承托房屋全部重量及外部作用力 并将它们传到地基 另一方面 它又直接受到地震波的作用 并将地震作用传到上部结构 可以说 基础是结构安全的第一道防线 基础的形式 取决于上部结构的形式 重量 作用力以及地基土的性质 45 2 2 2常用结构体系 46 一 框架结构 组成构件 由横梁和立柱通过节点连接构成的平面结构体系 如果整幢结构都由框架作为抗侧向力单元 就称为框架结构体系 优点 建筑平面布置灵活 分隔方便 整体性 抗震性能好 设计合理时结构具有较好的塑性变形能力 外墙采用轻质填充材料时 结构自重小 缺点 梁 柱较柔 节点弱 侧向变形大 刚度小 正是这一点 限制了框架结构的建造高度 47 48 受力变形特点 每根杆系弯曲积累 合成以后呈总体剪切形变形特征 使用范围 高度不大的高层建筑 以15 20层以下为宜 适用于工业 民用建筑高度 60米图例 北京民航办公大楼北京长城饭店 49 2 1结构体系 50 二 剪力墙结构 组成构件 就是一片巨大的钢筋混凝土墙体 相当于固定在底部的悬臂深梁 优点 整体性好 刚度大 抵抗侧向变形能力强 抗震性能较好 设计合理时结构具有较好的塑性变形能力 因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高 缺点 平面布置不灵活 建筑空间分隔不自由 不能提供大空间 结构自重大 受力变形特点 总体弯曲型 开孔较大时趋于剪切形 适用范围 适用于住宅 办公楼 宾馆 结构高度 几十米 100多米 51 52 图例 某剪力墙结构广州白天鹅宾馆 53 不同形式剪力墙 54 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 55 短肢剪力墙结构 肢高肢厚比在3 5之间 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 56 注 由 形 形 形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构 截面各肢的肢高肢厚比小于3 57 三 框架 剪力墙 组成构件 将框架 剪力墙两种抗侧力结构结合在一起使用 或者将剪力墙围成封闭的筒体 再与框架结合起来使用 就形成了框架 剪力墙 框架 筒体 结构体系 优点 能获得大空间 房间布置灵活 比全框架增大了侧向刚度 抗震性能好 缺点 由于建筑功能要求 剪力墙位置往往受到限制 造成刚心 质心不重合 在水平力下产生扭转 另外 超高层不适用 适用范围 一般广泛用于办公楼 教学楼 病房 旅馆 公寓等 10 20层 受力变形特点 侧向变形呈总体弯剪型 上下各层层间变形趋于均匀 顶点侧移减小 58 图例 a 上海交大包兆龙图书馆 b 甘肃省图书馆 c 深圳西丽大厦 d 广州远洋大厦 59 60 四 筒体 1 实腹筒组成构件 由剪力墙围合而成的固定在基础上的悬臂箱形梁2 框筒组成构件 由密排柱和刚度很大的窗群梁形成的密柱深梁框架围合而成的筒体 61 3 桁架筒组成构件 由筒的四壁做成桁架 就形成桁架筒图例 香港中银大厦 62 淮南广播电视中心 下 由此有机组合 1 框架 筒体组成构件 由核心砼内筒与外框架通过楼盖组成 上海虹桥宾馆 下 63 上海雁荡大厦 香港大宝阁住宅 64 2 筒中筒组成构件 由实腹筒组成内部核心筒 外框筒或桁架筒组成外筒通过楼盖组成 图例 深圳国贸中心大厦 65 图例 广州国际大厦 66 3 成束筒 组成构件 两个以上框筒 或其他筒体 排成一起成状 称为成束筒 图例 西尔斯大楼 67 优点 具有很好的空间整体作用和抗风抗震性能 建筑布置灵活 能提供较大的可自由分隔的空间 适用于超高层 30层以上或100米以上 的办公楼 旅馆 综合楼等建筑 68 2 2 3其他结构体系 由于此类结构工程实例及研究较少 尚不具备推广条件 规范 未列入 高层建筑日新月异 空间和平面布置较为复杂灵活 因此 对给定的建筑方案 可对现有的基本结构形式灵活组合或创新形成新的抗侧力结构体系 主要是抵抗水平力 介绍几种较典型的新型结构体系方案 69 1 巨型框架结构图例 深圳亚洲大酒店 70 2 悬挂式结构 71 3 竖向桁架结构 72 4 核心筒加复合巨型柱 图例 上海金茂大厦 73 5 混合结构体系有多种不同材料构件组成的结构体系称为混合结构体系 采用不同材料构件组成的结构体系实际上是各种构件的优化组合 钢管混凝土用于高层建筑的柱子 高耸结构的受压弦杆型钢混凝土可制作成柱 梁 剪力墙 筒体等 可与钢结构 用于上部 混合使用 也可与混凝土 用于上部 混合使用 高规 列出了钢框 砼筒 型钢混凝土框 砼筒两种混合结构体系的设计原则与方法 74 2 2 4结构布置的基本规定 2 2 4 1不同结构体系建筑的适用高度 不同结构体系有不同的抗水平力的能力 如超过了某一规定的高度 限值 常规设计很难达到各相关规程的要求 即使勉强去设计达到了 也难免在经济上付出较大的代价 显然是不经济的 高规 将高层分为a b两类 a类 是指目前数量 范围最广泛的建筑 乙 丙类 见课本表2 4 p20 凡超过表2 4 如建筑方案要求 则最大高度限制见表2 5 p21 对b类 高层建筑总高度尽量放宽 但其抗震等级及有关计算 构造措施均相应加严 另外为保证b级房屋建筑的设计质量 还需按有关规定进行超限高层建筑的抗震审查复核 75 76 2 2 4 2不同结构体系建筑的高宽比限制 对高层建筑最大高宽比限制是概念设计的又一重要体现 高宽比实际上反映了建筑物的 苗条 程度 其目的是对结构刚度 整体稳定 承载能力和经济合理性的宏观控制 高层建筑结构可近似的看作固定于基础上的悬臂构件 因此增加建筑的平面尺寸对减少其侧移十分有效 高规 对a级与b级建筑的限制见表2 6 p21 2 7 p21 注 当主体结构与群房相连时 高宽比按群房以上的结构的高度与宽度设计 77 78 2 2 5水平承重结构的选型特点 对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用 结构计算中一般假设楼板平面内刚度为无穷大 使空间问题变为平面问题 大大简化了计算 实际结构中也要求楼板应具有足够的平面内刚度以保持建筑物的空间整体稳定性及有效传递水平力 高规 规定 h 50m的框 剪 筒体及复杂高层均应现浇楼盖 剪力墙 框架也宜用现浇楼盖 砼等级不易低于c20 不宜高于c40 h 50m时 8 9度框 剪结构也宜用现浇楼盖6 7度框 剪结构可用装配整体式楼盖 但应符合一定构造要求 79 h 50m时 框架剪力墙结构可用装配式楼盖但应符合一定构造要求 见 高规 第4 5 4房屋的顶层 结构转换层 平面复杂或开洞过大的楼层 作为上部结构嵌固部位的地下室楼层应采用现浇楼盖结构且符合一定构造要求 见 高规 第4 5 5现浇预应力混凝土楼板厚度可按跨度的1 45 1 50采用 且不宜小于150mm 并应采取措施防止或减少主体结构对楼板施加预应力的阻碍作用 80 楼盖的主要形式 现浇楼盖 肋梁楼盖 板薄 混凝土用量少 自重轻 施工方便 较经济 但板底不平 可能影响美观和使用 普通 技术经济指标好 密肋楼盖 省材料 自重轻 高度大 适用于大跨且梁高受限时 当使用荷载较大时可有较好技术经济指标好 无梁楼盖 适用于大跨且梁高受限 或升层法施工时 冲切问题平板楼盖 广泛用于剪力墙 筒体结构 可降低层高 平整 跨度大时自重大 不经济 现浇非预应力空心板楼盖 81 预制板楼盖预应力空心板楼盖 适用于高度50m以下时 但要求严格 缝内设钢筋 设现浇面层 加强板端连接 预应力大楼板楼盖 与房间同尺寸 双向先张法预应力筋 板边齿槽 吊装问题预应力叠合板楼盖预制rc薄板 50 60mm 上现浇rc 省模板 刚度大 整体性好组合楼盖压型钢板上现浇rc 省模板 自重小 厚度小 用钢量大 水平承重结构选择的基本要求及构造要求见书p22 p23 82 2 2 6下部结构的选型基础形式有以下几种 1 柱下独立基础适用于层数不多 地基承载力较好的框架结构 当抗震要求较高或土质不均匀时 可在单柱基础之间设置拉梁 以增加整体性 2 条形基础条形基础 交叉条形基础比柱下独立基础整体性要好 可增加上部结构的整体性 3 钢筋混凝土筏形基础当高层建筑层数不多 地基土较好 上部结构轴线间距较小且荷载不大时 可以采用钢筋混凝土筏形基础 83 4 箱形基础是高层建筑广泛采用的一种基础类型 它具有刚度大 整体性好的特点 适用于上部结构荷载大而基础土质较软弱的情况 它既能够抵抗和协调地基的不均匀变形 又能扩大基础底面积 将上部荷载均匀传递到地基上 同时 又使部分土体重量得到置换 降低了土压力 5 桩基也是高层建筑广泛采用的一种基础类型 桩基具有承载力可靠 沉降小的优点 适用于软弱土壤 震害调查表明 采用桩基常常可以减少震害 但是必须注意 在地震区 应避免采用摩擦桩 因为在地震时土壤会因震动而丧失摩擦力 6 复合基础层数较多时或土质较弱时采用 84 2 3 1结构平面布置平面形状宜简单 规则 对称 均匀 结构平面上刚度 质量 竖向荷载宜分布均匀 并尽量使结构抗侧刚度中心 平面形心 质量中心三心合一以减少扭转效应 可设计成和y l 十 h等 其中风载较小 a级建筑平面形状不宜采用重叠或细腰h形 因凹处易应力集中 平面布置基本要求 85 对有抗震要求的b级混合结构及复杂高层建筑 更应简单规则 减少偏心 平面布置时应尽量减少偏心 扭转效应的产生 因为高层对扭转影响特别敏感 且靠增加构件承载力抵抗效果不明显 楼层平面削弱过大对高层结构非常不利 高规 4 3 6对楼板平面较狭长 l b有限定 有较大凹入和开洞 如楼 电梯间 要求开洞尺寸不宜大于楼宽的一半 开洞面积不宜 30 楼面 86 对艹和井字等外伸较大的建筑 如中央楼板有较大削弱时 应加强楼板以及连接部位的墙体的构造措施 必要时还可对外伸凹槽处设立连接梁或板 凡开大洞削弱均应采取构造措施 1 加厚洞口附近楼板 提高楼板的配筋率 采用双层双向配筋 或加配斜向钢筋 2 洞口边缘设置边梁 暗梁 3 在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋 87 规则结构 指体型规则 平面布置均匀 对称 并具有很好的抗扭刚度 竖向质量和刚度无突变的结构 三种平面不规则的类型 1 扭转不规则 见p28图2 25 楼层的最大弹性水平位移 或层间位移 大于该楼层两端弹性水平位移 或层间位移 平均值的1 2倍 2 凹凸不规则 见p28图2 26 结构平面凹进的一侧尺寸 大于相应投影方向总尺寸的30 3 楼板局部不连续 见p28图2 27 楼板的尺寸和平面刚度急剧变化 88 2 3 2结构竖向布置竖向体型宜规则 均匀 避免过大的外挑和内收 刚度沿高宜下大上小 逐渐匀变 不应采取严重不规则结构 本层楼层侧刚不宜小于相邻上部楼层侧刚的70 或其上相邻三层侧刚平均值的80 a级建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于80 上一层受剪承载力 不应小于65 上一层受剪承载力 b级不应小于75 上一层受剪承载力 竖向抗侧构件宜上下贯通 否则按部分框支剪力墙 框支核心筒及复杂结构处理 对结构上下有收进或挑出时 其尺寸要求见p28要求5 89 上部收进且h1 h 0 2时 应b1 b 0 75上部外挑应b b1 0 9 且a 4m 结构顶部取消部分墙 柱形成空旷房屋时 应进行弹性动力时程分析计算并采取有效构造措施 高层建筑宜设地下室 90 三种竖向不规则类型 1 侧向刚度不规则 见p29图2 30 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 2 竖向抗侧力构件不连接 见p29图2 31 竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递3 楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80 91 基础埋置深度 高层建筑由于高度大 重量大 受到的地震作用和风荷载值较大 因而倾覆力矩和剪力都比较大 为了防止倾覆和滑移 高层建筑的基础埋置深度要深一些 使高层建筑基础周围所受到的嵌固作用较大 减小地震反应 具体见书p30 92 结论 结构布置尽可能做到简单 规则 均匀 对称 使结构具有足够的承载力 刚度和变形能力 避免因局部破坏而导致整个结构破坏 避免局部突变和扭转效应而形成薄弱部位 使结构具有多道抗震防线 93 2 3 3变形缝变形缝是伸缩缝 沉降缝 防震缝的总称 高层建筑宜采用调整平面形状和结构布置 避免结构不规则 亦可采用结构措施如选择节点连接 设刚性层 采取分阶段施工 设后浇带等等来解决问题 避免设变形缝 因为设缝将增加造价及施工难度 伸缩缝 高层由于温度变化引起 为防止由此引起的房屋开裂等 伸缩缝最大间距见表2 12 p31 如框架现浇55m 剪力墙结构现浇45m 框 剪结构可视具体情况按上表参照取用 有些情况下 如屋面无隔热保温措施 混凝土收缩较大或室内结构因施工外露时间较长时 伸缩缝间距应适当减小 气候干燥地区 夏季炎热且暴雨频繁地区的结构 伸缩缝间距宜适当减小 94 另外 如采取了如下措施 可适当放宽伸缩缝间距 1 顶层 底层 山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率2 顶层加强保温隔热措施 外墙设置外保温层3 每30 40m间距留出施工后浇带 带宽800 1000mm 钢筋采用搭接接头 后浇带混凝土宜在两个月后浇灌4 顶部楼层改用刚度较小的结构形式或顶部设局部温度缝 将结构划分为长度较短的区段5 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6 提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构 95 沉降缝 高层建筑中主楼和裙房交接 重量相差大 常设沉降缝 但采取以下措施可不设 基础为桩基 且支承在基岩上 调整主楼与裙房的基底土压力 使沉降量基本一致 预留沉降差 主楼先浇 裙房后浇 或在主裙间留出后浇带 待沉降基本稳定后再连为整体防震缝 高层建筑中如上部结构平面形状需要划分为两个以上单元时 各部分刚度和荷载相差大且无有效措施 另外 对于有较大错层时 则其间宜设防震缝 设缝宜符合 高规 第4 3 10 1 最小宽度 框架 h 15m 可取70mm 超过15m的部分 6 7 8 9 96 度相应每增加高度5m 4m 3m 2m 宜加宽20mm 框架 剪力墙结构房屋可按 部分规定的70 采用剪力墙结构房屋可按 部分规定的50 采用 但两者均不得小于70mm 2 两侧结构体系不同时 按不利的结构类型确定 高度不同时按低的确定 3 当相邻结构的基础存在较大沉降差时 宜增大防震缝宽度 4 防震缝宜按房屋全高设置 地下室 基础可不设防震缝 但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接5 结构单元之间或主楼与裙楼之间如无可靠措施 不应采用牛腿托梁的做法设缝 最后 如同时设有伸缩缝 沉降缝 则其宽度应符合防震缝最小宽度要求 97 作业1 条件 拟建于8度区 ii类场地上的高度为60m的框 剪结构 其平面布置有四个方案 各平面示意如下图所示 该建筑竖向体型无变化 要求 仅从结构布置方面考虑 比较方案的合理性 98 答案 根据 高层规范 规定 8度抗震的框 剪结构的最大高宽比为4 p21 方案a h b 60 14 4 374 不可 方案b h b 60 15 4 可以l b 5 3 1 67 1 5 不可 方案c h b 60 15 4 可以l b 50 15 3 33 5 0 可以l bmax 5 20 0 25 0 3 可以l b 5 6 0 83 1 5 可以 方案d 细腰形 不可以 综上所述 选方案c 99 作业2 条件 某一拟建于8度区 ii类场地的框 剪结构房屋 高度为72m 其平面为矩形 长40m 在建筑物的宽度方向有3个方案 如图所示 单位为m 要求 仅从结构布置相对合理角度考虑 选择最合理的方案 100 答案 根据 高层规范 规定 h1 h 52 72 072 0 2方案 1 h b 72 18 4 可以b1 b 14 28 0 78 0 75 可以方案 2 b1 b 12 18 0 670 9 a 1m4 不可综上所述 最合理结构方案为方案 1 101 第三章荷载与地震作用高层建筑所承受的荷载可分为竖向荷载和水平荷载两部分 见p35页表3 1 竖向荷载中重力荷载和楼面活荷载与一般结构相同 与多层区别的是 这里竖载远大于多层 可能引起底层相当大的内力及附加内力 如二阶弯矩 因此对高层侧移限制较严 又由于高层的特点 水平力的影响已上升为主要矛盾 设计要求包括荷载效应组合方法和承载力 变形的要求 102 3 2恒载 3 3楼面活荷载 3 4屋面活荷载 3 5雪荷载与一般结构相同 在此不再重复 课后回去自己看 本章主要内容 风荷载和地震作用 103 3 6风载 3 6 1风载的概念空气流动形成的风遇到建筑物时 在建筑物表面产生的一种压力和吸力 风载的大小分布非常复杂 与风速 风向 建筑物形状 表面状况以及周围环境等因素有关 同时 风力作用具有静力作用与动力作用 与地震作用相比 持续时间比较长 在建筑物表面的分布不均匀 角区和建筑物内收的局部区域 会产生较大的风力 104 风力的静力作用与动力作用在空旷地面 离地10米高度处 测得建筑物上风压变化如图 风压时程曲线 可见 风压由两部分组成 1长周期部分 周期t 10分钟 2短周期部分 周期t约为几秒钟 为便于分析 常把实际风压分解为平均风压 稳定风压 与脉动风压 不稳定风压 两部分 因为长周期极大于一般结构的自振周期 105 所以平均风压相当于静力作用 脉动风压周期短 沿高度随时间变化 属动力性质 将引起结构振动 因此风本身既具有动态 也具有静态两种特性 单厂及多层建筑结构中 一般仅考虑它的静力作用效应 而对高层建筑和高耸结构 则必须考虑风压脉动对结构的动力作用与影响 实际设计中是采用加大风载的办法 对稳定风压 来考虑这个动力效应 即在风压上乘以一个大于1的风振系数 106 3 6 2风荷载标准值风对建筑物表面的作用力大小 与建筑物体型 高度 建筑物所处位置 结构特性有关 垂直于建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值可按下式计算 式中 高层建筑基本风压值 风压高度变化系数 风载体型系数 风振系数 107 当计算维护结构时总风荷载标准值总风荷载是指建筑物各个表面所受风荷载的合力 是沿建筑物高度变化的线荷载 通常按建筑物的主轴方向进行计算 108 z高处建筑物各个表面上承受风压的合力沿高度的线荷载为 合力作用点即总风载作用点 其位置由静力平衡条件定 109 局部风荷载高层建筑由于高度大 高空中的局部水平构件如檐口 雨蓬 遮阳板 阳台所收上浮风载较大 计算时风载体型系数不宜小于2 0 立面有竖线条挡板引起的比平整墙面大 更为明显 一般此类表面要增大6 8 此局部风载应进行构件的局部强度验算 110 3 6 3高层建筑基本风压值我国 建筑结构荷载规范 给出了各地的基本风压值 是用各地区空旷平坦地面上离地10m高 统计30年重现期的10分钟平均风速 m s 计算得到的 基本风压 对于高层建筑 需要考虑重现期为50年的大风 对于特别重要或者有特殊要求的高层建筑 需要考虑重现期为100年的强风 因此要用基本风压值乘以系数1 1或1 2后 作为一般高层建筑及特别重要的高层建筑的基本风压值 111 3 6 4风压高度变化系数风速大小不仅与高度有关 一般越靠近地面风速越小 愈向上风速越大 而且风速的变化与地貌及周围环境有直接关系 我国 建筑结构荷载规范 将地面情况分为a b c三类 a类地面粗糙度 指海岸 湖岸 海岛及沙漠地区 b类地面粗糙度 指田野 乡村 丛林 丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市的郊区 c类地面粗糙度 指平均建筑高度在15m以上 有密集建筑群的大城市市区 112 风压高度变化系数反应了不同高度处和不同地面情况下的风速情况 具体见表3 7 113 3 6 5风载体型系数风载体型系数是指建筑物表面所受实际风压与基本风压的比值 通过实测可以看出 风压在建筑物表面的分布不是均匀的 如p49图3 7所示 在风荷载计算时 为简化计算 一般将建筑物各个表面的风压看成是均匀分布的 风荷载体型系数与高层建筑的体型 平面尺寸等有关 各种体型的风荷载体型系数见书p50 51 114 3 6 6风振系数空气在流动时 风速 风向都在不停地改变 建筑物所受到的风荷载是不断波动的 风压的波动周期一般较长 对一般建筑物影响不大 可以按静载来对待 但是 对于高度较大或刚度相对较小的高层建筑来讲 就不能忽视风压的动力效应 在设计中 用风振系数来考虑 115 对高度大刚度小的高层波动逢会产生不可忽略的动力变流 使建筑物在风压造成的侧移附近振动 设计中采用加大风载来来考虑这个动力效应 乘 对高度 30m且高宽比 1 5的高层及其基本自振周期 0 25秒的高耸取 1 0 对高度 30m且高宽比 1 5的高层构架 塔架 烟囱等高耸取z高处 其中 为脉动增大系数 见表3 13 p53 为脉动影响系数 可查表3 14 p53 为振型系数 由结构动力计算确定 可仅考虑受方向基本振型 当质量与刚度沿高比较均匀时 也可根据相对高度z h按 荷载规范 附录f确定 116 3 7地震作用 3 7 1地震的基本知识地震 地球在不停地运动 深部岩石的应变超过容许值 岩层将发生断裂 错动和碰撞 从而引发地面振动 按成因分类 地震分为天然地震和人工地震两大类 天然地震主要是构造地震 火山地震 陷落地震等 人工地震是指工业爆破 地下核爆炸造成的振动 高压注水以及大水库蓄水也会诱发地震 其中90 以上的地震为构造地震 117 地震灾害实例1976年7月28日唐山大地震 在唐山 烈度达10度 天津 8度 北京 6度 的高层建筑发生了严重的震害 2008年5月2日14时28分据国家地震台网重新核定 北京时间5月12日14时28分 在四川汶川县 北纬31度 东经103 4度 发生的地震震级为8 0级 2010年4月14日4月14日7时49分40秒 青海省玉树藏族自治州玉树县发生7 1级地震 震源深度14千米 震中位于县城附近 纬度 33 1 n 经度 96 6 e 其后发生一千多次余震 导致2698人遇难 270人失踪 118 119 120 青海省玉树县2010年4月14日晨发生两次地震 最高震级7 1级 地震震中位于县城附近 121 震源 地壳深处岩层发生断裂 错动和碰撞的地方 震中 震源正上方的地面 震中距 地面上某点至震中的距离 震中距愈远 所遭受的地震破坏愈小 地震波 地震以波的形式向四周传播 纵波 p波 体波地震波横波 s波 面波 l波 对建筑物的影响较大 122 震级 衡量地震释放能量的等级 用符号m表示 m lgam5的地震称为破坏地震 m 7的地震称为强震或大地震 m 8的地震称为特大地震 地震烈度 地震时在一定地点震动的强烈程度 中国地震烈度表 将地震烈度分为12度 中国地震烈度区划图 给出了全国各地地震基本烈度取值 123 地震作用的特点地震波传播产生地面运动 通过基础影响上部结构产生的振动称为结构的地震反应 包括加速度 速度和位移反应 大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作用 原因如下 地面水平振动使结构产生移动和摆动 扭转振动使结构扭转 其对房屋破坏性很大 但目前尚无法计算 主要采用概念设计方法加大结构的抵抗能力 以减少房屋破坏程度 地面竖向振动只在震中附近的高烈度区影响房屋结构 124 地面运动的特性可以用三个特征量来描述 强度 由振幅值大小表示 频谱和持续时间 强度 频谱和持续时间也被称为地震动三要素 其原因是 如果地震的加速度或速度幅值很大 但地震时间短 建筑的破坏可能不大 如果地面运动的加速度或速度幅值不太大 但地震波的卓越周期 频谱分析中能量占主导地位的频率成分 与结构物基本周期接近 或者振动时间很长 其将对建筑物造成严重影响 125 建筑本身的动力特性对建筑物是否破坏和破坏程度也很大的影响 建筑物动力特性是指建筑物的自振周期 振型和阻尼 它们与建筑的质量和结构的刚度有关 质量大 刚度大 周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大 刚度小 周期长的建筑物位移较大 但惯性力较小 当地震波的周期与建筑物自振周期相近时 会引起类共振 结构的地震反应加剧 126 房屋破坏的直接原因 地震引起的山崩 滑坡 地陷 地面裂缝或错位等地面变形 对上部建筑物的直接危害 地震引起的砂土液化 软土震陷等地基失效 对上部建筑物的破坏 建筑物在地面激发下产生剧烈震动过程中因结构强度不足 过大变形 连接破坏 结构失稳或整体倾覆而破坏 127 震害规律房屋体形方面 l形等复杂平面房屋破坏率显著增高 有大地盘的高层建筑群房顶面与主楼相接处 楼板面积突然减小的楼层破坏程度加重房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏 防震缝处多因缝的宽度太小而发生碰撞 128 结构体系方面相对框架体系而言 采用 框 墙体系 框剪体系 的房屋破坏程度轻 特别有利于保护填充墙和装饰免遭破坏 采用 填充墙框架 体系的房屋 在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时 柱上部易发生剪切破坏 外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏 采用 钢筋混凝土板柱体系 的房屋 或因楼板冲切破坏 或因楼层侧移过大柱顶 柱脚破坏 各层楼板坠落 重叠在地面上 采用 框托墙 体系 框支剪力墙 的房屋 相对柔弱的底层 破坏程度十分严重 129 刚度分布方面采用l形 三角形等不对称平面的建筑 地震时发生扭转破坏而使震害加重 矩形平面建筑 电梯间竖筒等抗侧力构件布置存在偏心时 同样因扭转而使震害加重 130 构件形式方面钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙 连梁 常发生斜向裂缝或交叉裂缝 在框架结构中 绝大多数情况下 柱的破坏程度重于梁和板 钢筋混凝土框架 如在同一楼层中出现长 短柱并用的情况 短柱破坏严重 配置螺旋箍的钢筋混凝土柱 当层间位移角达到很大数值时 核心混凝土依然保持完好 依然具有较大的竖向承载力 对于配制方形箍的钢筋混凝土柱 箍筋绷开 核心混凝土破碎脱落 131 3 72高层建筑结构的抗震设防基本烈度 该地区在未来一定时期内 如50年 在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度 一般采用建筑物所在地区的基本烈度 对于重要和特别重要的建筑加以调整 建筑根据其使用功能的重要性分为 甲类建筑 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑乙类建筑 地震时使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑丙类建筑 除甲 乙 丁类以外的一般建筑丁类建筑 抗震次要的建筑 132 设防烈度的取值除甲类外 其他建筑取本地区基本烈度作为计算设防烈度 确定建筑的抗震构造措施时 除甲类有特殊的规定外 对于乙类建筑按基本烈度提高一度作为设防烈度 9度适当增强措施 对于丙类建筑 按原基本烈度 对于丁类建筑 则降低一度设防 国家抗震文件规定 6度区内100万以上人口大城市的高层建筑 抗震计算和构造按7度设防 133 江苏各个城市的抗震设防标准 134 抗震设防的三个水准目标抗震设防的目标和要求 是根据一个国家的经济力量 科技水平 建筑材料和设计 施工现状等综合制定的 并会随着经济和科学水平的发展而改变 现阶段 我国的房屋建筑采用三个水准抗震设防目标 即 小震不坏 中震可修 大震不倒 在小震作用下 房屋应该不需修理并可继续使用 在中震作用下 允许结构局部进入屈服阶段 经过一般修理即可继续使用 在大震作用下 构件可能严重屈服 结构破坏 但房屋不应倒塌 不应出现危及生命财产的严重破坏 135 三个设防水准的建筑的破坏程度与层间位移角的大致对应关系如图所示 136 小 中 大震是指概率统计意义上的地震烈度大小 小震是指该地区50年内超越概率约为63 的地震烈度 即众值烈度 又称多遇地震 中震是指该地区50年内超越概率约为10 的地震烈度 又称基本烈度或设防烈度 大震是指该地区50年内超越概率约为2 3 的地震烈度 又称为罕遇地震 137 各个地区和城市的设防烈度是由国家规定的 某地区的设防烈度 是指基本烈度 也就是指中震 小震烈度大约比基本烈度低1 55度 大震烈度大约比基本烈度高1度 138 两阶段设计 对建筑抗震的三个水准设防要求 是通过 两阶段设计 来实现 第一阶段第二阶段 139 第一阶段step1 采用第一水准烈度的地震动参数 先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应 与风 重力等荷载效应组合 并引入承载力抗震调整系数 进行构件截面设计 从而满足第一水准的强度要求 step2 采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角 使其不超过规定的限值 同时采取相应的抗震构造措施 保证结构具有足够的延