高层建筑结构方案设计的做法和实例

1、Slide 1page 1高层结构方案设计助教：范李劼page 2结构方案设计的前期工作了解建筑布置和功能要求n建筑物设计基准期、建筑物重要性n建筑层数、总高、各层层高、柱网尺寸n建筑主要功能n围护墙材料n了解建筑构造做法（楼、屋面及墙面）n收集结构设计的基本条件n了解其他相关专业对结构的要求page 3结构体系的选择page 4结构体系n框架结构n框架-剪力墙结构n剪力墙结构全部落地剪力墙部分框支剪力墙n筒体结构框架-核心筒筒中筒page 5框架结构n框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系。框架结构体系的柱网布置形式很多，柱网的布置和层高，主要根

2、据建筑的使用功能和建筑形式确定。 n这种体系适用需要大空间的、层数不宜太多、房屋的高度不宜太高的建筑。在非地震区，钢筋混凝土框架结构一般不超过15层。钢筋混凝土框架15层以下是经济的。 page 6 框架结构典型平面 page 7柱网尺寸确定n框架结构的柱网布置应力求做到简单、规则、整齐，柱网尺小应符合经济原则，尽量符合模数；n框架结构的柱网尺寸及层高应根据建筑功能要求、施工条件及材料设备等各方面因素来确定。n房屋长度较大时，需考虑设置伸缩缝，以避免温度开裂。因为伸缩缝将房屋上部结构断开，分成独立的结构单元，所以在缝的两侧应各自设置框架page 8柱网尺寸的适宜范围n内廊式柱网内廊式柱网 常为

3、对称三跨(A+B+A)：nA边跨跨度(房间进深)：常为6m、6.6 m、6.9mnB中间跨为走廊，跨度常为2.4m、2.7m、3.0mn开间方向，柱距为68.4m。n常用于旅馆、办公楼、宿舍、教室、医院等。n等跨式柱网等跨式柱网n进深常为6m、7.5m、9 m、12m，从经济考虑不宜超过9m。n开间方向的柱距常为69m。n适用于厂房、仓库等。page 9柱截面尺寸n柱的截面尺寸估算（按轴压比）nc：允许轴压比，三级0.9,二级0.8,一级0.7。n竖向荷载与地震作用组合的最大轴力设计值N。nrG：分项系数，取为1.2；nw：单位面积重量，取为1214kN/m2；nS：柱承载楼面面积；n：柱设计

4、截面以上楼层数；n1：一、二级抗震设计角柱为1.3,其余为1.0n2：由于水平力使轴力增大的系数，7度1.05，8度1.1，9度1.2。ccccGhbfNnSwN21page 10page 11影响框架结构柱网尺寸选择的因素(1)工程造价当柱距较小时,构件截面满足构造要求即可,所以强度不能充分发挥,造成材料浪费,造价提高;当柱距较大时,构件尺寸增大,结构内力随尺寸成二次曲线增大,导致设计要求提高,结构的造价升高;而只有当柱距合理时才会使造价最低(2)施工难易程度(3)空间使用率 当构件尺寸增加时,降低了建筑物的空间使用率,梁截面尺寸的增大减小了建筑物净空,使建筑物的舒适度降低 (4)使用空间布

5、置的灵活性、实用性page 12框架梁截面尺寸n梁宽不宜小于200mm，且不宜小于柱宽的1/2（节点要求，联结紧密）； n梁截面的高宽比小于4（抗剪要求，避免形成薄腹梁降低其抗剪性能）；n梁净跨与截面高度之比宜大于4（避免形成深梁，以抗剪为主，脆性破坏）n考虑强度与刚度的需要，取值如下： 框架梁高h1/81/12 L， L为梁跨；通常取1/10 L； 框架梁宽b=1/21/3h；一般不小于一般不小于300mm。page 13次梁截面尺寸n次梁的作用n承托围护墙、隔墙n减小板的跨度n洞口边缘的封梁n次梁截面尺寸n梁高梁高h（ l为梁跨） 简支梁：h1/121/15 l ；连续梁：h1/121/2

6、0 l 井字梁：h1/151/20 l ；悬挑梁：h1/51/7 l n梁宽梁宽b 梁宽b=1/21/3h；一般不小于一般不小于200mmpage 14现浇板的厚度确定n对板厚的要求n满足承载力和刚度要求n满足防火要求n满足预埋暗管的要求n板厚h的取值（L为板跨）n板厚与板跨的最小比值n简支单向板：h=L/30 ；简支双向板：h=L/40 ；n连续单向板：h=L/40 ；连续双向板：h=L/50 ；n悬臂板： h=L/12；一般为100140mmn最小板厚n一般为一般为80mm，预埋暗管时不小于预埋暗管时不小于100mmpage 15荷载计算 竖向荷载 恒载Gk 可变荷载(活载) Qk 按负荷

7、面积折减 活载最不利布置 水平荷载 风荷载Wk 地震作用(偶然作用) EkWkGkQkQkEkpage 16框架结构设计实例n工程概况u 工程名称：某五层行政办公楼u 建筑面积：3792.05 m2 u 建筑层数：五层u 建筑形状：一字形u 结构形式：框架结构体系u 场地情况：场地平坦、无障碍物。u 地质情况：地基土为粘性土为主，建筑场地类别为类，容许承载fk=180kPa。u 基本雪压：0.45kN/m2。u 基本风压：0.40kN/m2。u 地震烈度：按7度近震设防。u 建筑耐火等级：二级。u 建筑耐久年限：50年。page 17平面图page 18n结构选型n采用现浇钢筋混凝土框架结构体

8、系。基础采用柱下锥形基础 n框架梁： h/l=7200/87200/12=900600 mmn取梁尺寸：h=600mm， b=h/2=300mm.n次梁： h=500mm, b=250mm.n连系梁： bh=200mm400mm.page 19n框架柱：n建筑总高度按18.60m算，小于30m的现浇框架结构，设防烈度7度近震，查抗震设计规范，该框架为三级抗震，最大轴压比0.9。假定采用C30混凝土，查得设计强度，假定每平方米荷载为14kN/m2，则柱子最大轴压力nN=1.25147.24.25=2646kN.n则柱子轴压比n取柱子截面形状为正方形，可以计算出b=h=453.4mm。n为了简化施

9、工，各柱截面从底层到顶层不改变，即取柱子尺寸为500mm500mm。ccccNf b hpage 20框架剪力墙结构体系n框架-剪力墙结构体系(简称框剪结构)，是在框架体系的基础上增设一定数量的横向和纵向剪力墙所构成的双重受力体系。框架-剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性好的优点和剪力墙结构刚度大，承载力大的优点 。n框架剪力墙结构有较大的刚度，也有较灵活的空间，可用于150200m范围内的办公建筑和综合建筑。当剪力墙为散乱布置时，建造高度有限，约2030层，当剪力墙做成筒体时，其建造高度可增大至4050层，甚至更高。 Slide 21page 21框架剪力墙结构典型平面 page 22剪力

10、墙的布置n剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称、周边分布.分散均匀的原则是要求剪力墙片数不要太少,而且每片剪力墙刚度不要太大,连续尺寸不要太长,使抗侧力构件数量多一些,分散一些,每片剪力墙的弯曲刚度适中n剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处,即:角隅、端角、凹角page 23n剪力墙的间距:现浇钢筋混凝土楼盖L/B =24为宜;装配整体式钢筋混凝土楼盖L/B=12.5为原则是建筑物愈高、抗震设防烈度愈高,间距取值愈小n一片剪力墙的长度不宜大于8 m,当超过时,应利用洞口分割成两片墙,功能上不需要洞时,洞口可用不同的材料或轻质材料填充,过长的剪力墙中央部分的钢筋尚未到达屈服阶段,墙端部的钢筋早

11、因变形过大而断开破坏page 24剪力墙数量估计n由于框剪结构中水平荷载由框架与剪力墙共同承担,因此,估计剪力墙的数量是一个反复的过程。通常情况,在框架剪力墙结构中,框架柱的总截面面积Ac与楼层面积Af之比约在1%2%。底层结构截面的面积(剪力墙截面面积Aw+框架柱截面面积Ac)与楼层面积之比在表1范围内,大致是合适的page 25框架剪力墙结构设计框架剪力墙结构抗震设计中,应尽可能设置抵抗地震的多道防线一般情况下,剪力墙作为第一道防线首先屈服,将框架设计作为第二道防线page 26框架剪力墙设计实例n 北京CEC大厦n北京CEC大厦位于北京海淀区中关村科技园区。n工程总占地面积13457，总

12、建筑面积约n120000本工程地下三层。地上由东西两幢高层n组成，东楼18层，西楼22层，刚度90.0m。主体n结构平面柱网主要为9mX9m,9mX8m两种，首层层高为n5m，标准层层高为4m，层顶机房层高为5m。两幢高层建筑之间自然形成宽敞通透的大堂。建筑物主要是面向IT行业，功能以写字为主，并配有相应的辅助设施（如展示厅，新闻发布中心、俱乐部、精品店）page 27结构体系选择n本工程主体采用框架剪力墙结构。抗震等级设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，场地土为硬场地土，场地类别为2类，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地下室防水等级为二级。根据建筑抗震设计规范GB50011-

13、2001，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为一级。为了满足业主对建筑物室内净高保证2.8m的要求，综合比较后采用宽扁梁楼盖方案，9m跨和8m跨框架梁截面分别为600X600和600X500，9m跨和8m跨次梁截面分别采用400X550和400X470.为了减小框架柱断面，底部4层以下框架柱采用C60高强混凝土page 28结构计算与分析n（1）根据建筑物的自振周期、位移及地震效应判断结构方案的合理性。n（2）得出各构件的内力及配筋，以判断构件截面的合理性n（3）根据结构内力分析判定结构受力的薄弱部位，并在设计中采取加强措施。n本工程东、西楼由于建筑物使用功能的需要，其剪力墙核心筒设置偏向一侧

14、，并且在其他部位部允许甚至剪力墙，造成剪力墙布置过于集中，建筑物的质心与刚心偏移较大，给结构设计，计算带来很大的困难。经过与建筑专业协商，在部影响使用功能的前提下，增加剪力墙的数量，同事调整剪力墙的厚度。page 29剖面图标准层剖面图page 30筒体结构n筒体结构常见平面布置图筒中筒体结构体系框架筒体结构体系束筒体结构体系典型筒体结构page 31n竖向承力构件在平面内围合成箱形或筒体，成为刚度很大的空间结构体系，称为筒体结构体系。当剪力墙在平面内围合成空间薄壁筒体，称为实腹筒，当实腹筒上开出了许多规则排列的窗洞说形成的开孔筒体，称为框架筒。page 32高层结构选型的基本原则n1.国情特

15、点在超高层建筑结构选型时，首先要充分考虑我国国情特点，必须从实际出发，掌握了解目前我国建筑业的材料、研究、设计、施工、配套等方面的经验与水平，再结合自己的实际工程研究确定哪种结构类型符合我国国情。n2.设防烈度建筑物的设防烈度对于结构选型至关重要，比如同一点同一建筑物设防烈度不同，其地震力值会成倍增长，故在建筑结构选型前，一定要把建筑物的设防烈度准确定值，如7度设防地区视其建筑物的重要性，是否提高一级按1度设防。这对超高层建筑的竖向、水平结构构件影响极大page 33n3.平面形状超高层建筑水平荷载作用处于主导位置，其空间整体作用尤为显著。为了减少或避免整体结构受扭，使结构构件受力均匀，充分发挥结构的空间受力作用，确保超高层建筑的结构安全，其平面形式要求规整且对称，按照超高层建筑平面选择的基本原则。n4.基础形式超高层结构体系的选型是指地面以上的结构体系，而地面以上的结构体系必须具有合适的强度、刚度和延性。另一重要决定因素就是基础形式的选择。而基础形式的选择则有赖于塔楼所处位置的地质条件。page 34n5.能用于超高层建筑的结构材料，目前有三种：钢筋砼、