高层建筑结构体系和关键结构布置

1、1高层建筑结构体系和关键结构布置23高层建筑的定义各国的规定：2.世界高层建筑委员会建议： 第一类高层建筑：916层（高度50m) 第二类高层建筑：1725层（高度75m) 第三类高层建筑：2640层（高度100m) 第四类高层建筑：41层以上（高度超过100m，即超高层建筑)JGJ-2002高层建筑混凝土结构技术规程规定：层数10层或高度28mJGJ99-1998高层民用结构钢结构技术规程规定：层数10层的居住建筑， 和高度24m的其他建筑德国英国美国法国日本前苏联22m24.3m24.6m居住建筑50m其他建筑28m8层31m9层4高层建筑结构用于高层建筑的结构形式或体系，如框架结构、剪力

2、墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构等等。 在规定的设计基准期（一般50年，特别重要建筑100年）内，在承受其上的各种荷载和作用下，完成预期的承载力、正常使用、耐久性以及突发事件中的整体稳定功能。5高层建筑结构内力和位移与结构高度的关系： 如均布荷载作用下的悬臂结构，61.3.1按功能材料分： 材料来源丰富、造价底，易成形，防火性好，刚度大。自重大2.钢结构 强度高，自重轻，抗震性能好，易于加工，施工方便；造价高，耐火性能不好 如钢骨（型钢）混凝土结构，钢管混凝土，部分用钢结构，部分用钢筋混凝土结构的结构体系7剪力墙结构体系4.筒体结构体系 框筒结构、筒中筒结构、多筒结构、成束筒结构8框架结构体系

3、9剪力墙结构体系10框架剪力墙结构体系11框架筒体结构体系12筒中筒结构体系13成束筒结构体系14悬挂结构体系15巨型框架结构体系16（1）建筑高度不断增加；（2）建筑功能和用途越来越多；（3）各种新型的建筑结构类型和结构体系日趋多样化；17第2章 高层建筑结构受力特点和结构概念设计2.3高层建筑结构的结构体系和结构布置 181.恒荷载（自重） 重力密度 按GB 50009-2001建筑结构荷载规范查取2.楼面 、屋面活荷载 使用荷载按建筑结构荷载规范查取KN/m2时（如储藏室、书库）， 高层建筑结构一般不考虑，因为： （1）活荷载占竖向荷载的比例很小（10%20%） （2）复杂，计算工作量大

4、简化做法：按满布方式布置活荷载计算内力后，将框架梁的跨中弯距1.3的放大系数。191.风荷载的标准值 KN/m2风荷载的标准值 z高度上的风振系数 z高度处的风压高度变化系数 风荷载体形系数 基本风压（ KN/m2 ）（1）基本风压 50年一遇的基本风压按建筑结构荷载规范查取2021（2）风压高度变化系数 位于平坦或稍有起伏地形的高层建筑，按照地面粗糙程度和建筑物高度确定（表2.1)地面粗糙程度： A类近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类有密集建筑群的城市市区； D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区；22离地面或海平面高度（m）地

5、面粗糙度类别ABCD5101520304050607080901001502002503003504004501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.867.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620

6、.620.840.730.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12表2.1 风压高度变化系数 z 23（3）风荷载体型系数 s ： 指建筑物表面实际风压与基本风压的比值，它表示不同体型建筑物表面风力的大小。与建筑物的体型、平面尺寸、表面状况和房屋高宽比有关。24风荷载体型系数 s ：一般设计时，可采用：（a）（b）正多边形及截角三角形平面建筑 n多边形的边数（c）高宽比H/B（d） V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑： L形、槽形和高宽比H/B 4的十字形平面建筑； 高宽比H/B4,长宽比的矩形、鼓形平面建筑；25（3）风荷载体型系数

7、 s ：计算重要且体型复杂的高层建筑及需要更细致进行风荷载计算的场合，可以参照高层规程附录A采用，或由风洞试验确定。 H200m宜采用风洞试验确定风荷载； H150m,有下列情况之一时，宜采用风洞试验确定风荷载： a.平面形状不规则，立面形状复杂； b.立面开洞或连体建筑； c. 周围地形和环境较复杂26（3）风荷载体型系数 s ：当群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，乘以相互干扰增大系数。檐口、雨棚、遮阳板、阳台等水平构件，计算局部上浮风荷载时，s不宜小于2.0.验算表面围护结构及其连接的强度时，按荷载规范采用局部风压体型系数计算。27（4）风振系数 平均风压（稳定风

8、压）+波动风压 （2.3) z振型系数，可仅考虑受力方向基本振型的影响，对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，近似 取振型计算点距室外地面高度z与房屋高度H的比值(z/H)。 脉动增大系数，查表2.2; v脉动影响系数，外形、质量沿高度比较均匀的结构按表2.3采用； z 风压高度变化系数，按表2.1采用； 282.总风荷载（力的大小、方向、作用点） z高度处总风荷载值的大小为： KN/m si第i个表面的平均风荷载体型系数（带正负号） Bi第i个表面的宽度 i 第i个表面的法线与风荷载作用方向的夹角 n建筑物的外围表面总数29风荷载计算例题KN/m2，风向为图中箭头所示方向。3031地

9、震波 地面运动 建筑物振动地震作用的大小与以下因素有关： 地震波的特性、场地土的性质、建筑物的动力特性32地震震级地震产生的能量大小地震烈度某一地区受到一次地震影响的强烈程度 基本烈度某一地区今后一定时期内，在一般场地条件下，可能遭受的最大烈度 设防烈度一般取基本烈度，重要的建筑经报批可适当提高。33地震烈度的概率分布34三水准抗震设防目标小震不坏 不损坏或不需修理可使用中震可修 局部进入塑性，结构不破坏，一般修复可继续用大震不倒 不倒塌或发生危及生命的严重破坏35两阶段抗震设计方法 第一阶段设计 对绝大多数结构 小震作用 承载力验算 结构弹性变形验算，保证结构延性的抗震构造措施第二阶段设计

10、对甲类建筑和特别不规则的建筑 大震作用 薄弱部位 塑性变形验算36高层建筑按其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别：甲类建筑：属于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：属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑；丙类建筑：属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑；丁类建筑：属于抗震次要建筑。 37高层建筑结构应按下列原则考虑地震作用： 一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用； 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响

11、；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响； 8度、9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用； 9度抗震设计时应计算竖向地震作用。 381 高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法； 2 高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法； 393. 79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算： 1）甲类高层建筑结构； 2）表2.4 所列的乙、丙类高层建筑结构； 3）结构竖向布置特别

12、不规则的高层建筑结构； 4）带转换层、带加强层、错层、连体、多塔楼等复杂高层建筑结构； 5）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构40表2.4 采用时程分析法的高层建筑结构 设防烈度、场地类别建筑高度范围8度、类场地和7度100m8度、类场地80m9度60m41建立在地震作用下单质点结构体系的最大动力反应与结构体系自振周期的反应谱函数关系，计算结构的惯性力，将其作为等效地震荷载，按静力方法进行结构计算和分析的方法。规范给出地震影响系数与结构自振周期的设计反应谱曲线（图2.2) 建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。 42图2.2 地震影响系数曲线

13、 地震影响系数；max地震影响系数最大值；1直线下降段的下降斜率调整系数；衰减指数；Tg特征周期；2阻尼调整系数；T结构自振周期。4389规范的地震影响系数44 阻尼调整系数2应取1.0 衰减指数应取0.9 ，下降斜率调整系数1452 当建筑结构的阻尼比不等于0.05时，其形状参数和阻尼调整系数2应符合下列规定： 1）曲线水平段地震影响系数应取2max； 2）曲线下降段的衰减指数 ： =0.9+（0.05-）/（0.05+5） （2.5） 阻尼比。 463）直线下降段的下降斜率调整系数1： 1=0.02（0.05-）/8 （2.6） 1小于0时应取0。 4）阻尼调整系数2： 2=1（0.05-

14、）/（0.06+1.7） （2.7)当2小于0.55时，应取0.55。47表2.5 水平地震影响系数最大值地震影响 6度 7度 8度 9度 多遇地震 0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震 0.5(0.72)0.9(1.2)1.448表2.6 特征周期值T（s）设计地震分组 场地类别第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.9049表2.7 场地类别的选用等效剪切波速(m/s)场 地 类 别vs5000500 vs 25055250 vs 140335050vs 140331515808050（）底部

15、剪力法（）振型分解反应谱法 不考虑扭转耦联振动影响 考虑扭转耦联振动影响（）弹性时程分析法51（）底部剪力法 (2.8) GeqGE (2.9) (2.10) (2.11)52 表2.8 顶部附加地震作用系数n T1为结构基本自振周期 Tg (s)T11.4TgT11.4Tg 0.35 0.08T1+0.07 0.00.350.550.08T1+0.010.550.08T1-0.0253突出屋面的房屋（楼梯间、电梯间、水箱间）的处理宜作为一个质点参加计算其水平地震作用标准值乘以增大系数，用于突出屋面房屋及与其直接相连的主体结构构件的设计54表2.9 突出屋面房屋地震作用增大系数n 注：1 Kn

16、、Gn分别为突出屋面房屋的侧向刚度和重力荷载代表值；K、G分别为主体结构层侧向刚度和重力荷载代表值，可取各层的平均值； 2 楼层侧向刚度可由楼层剪力除以楼层层间位移计算。 55（）振型分解反应谱法 不考虑扭转耦联振动影响1 结构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定： (i=1,2,n, j=1,2,m) （2.12) （2.13) （2.14) 56考虑扭转耦联振动影响 j振型i质点的水平地震作用标准值： (质点i=1,2,n, 振型 j=1,2,m) （2.15)57振型参与系数计算当仅取x方向地震作用时 （2.16)当仅取y方向地震作用时 （2.17)当取与x方向斜交的地震作

17、用时， （2.18)58单向水平地震作用的扭转效应 （2.19) （2.20)S地震作用标准值的扭转效应；Sj、Sk分别为j、k振型地震作用标准值的效应，可取前915个振型；jkj振型与k振型的耦联系数； j k分别为j、k振型的阻尼比；Tk振型与j振型的自振周期比。59双向水平地震作用的扭转效应 （2.21) （2.22) Sx、Sy分别为x向、y向单向水平地震作用按式(2.19)计算的扭转效应 60（）弹性时程分析法地震烈度较高房屋沿高度刚度和质量特别不均匀61对9度时的高层建筑： (2.23） （2.24) （2.25)质点i的竖向地震作用标准值 : （2.26)62第i层竖向总轴力为：

18、楼层的竖向总轴力可按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配并宜乘以增大系数； 63 长悬臂和其它大跨度结构、结构上部楼层外挑部分的竖向地震作用标准值： 8度g9度64（）顶点位移法（框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构）。假想把集中在各楼层处的重力荷载代表值作为该楼层的水平荷载，计算出的顶点弹性水平位移（）考虑非承重墙刚度的折减系数：框架65（）能量法假想把集中在各楼层处的重力荷载代表值作为该楼层的水平荷载，计算出的各楼层弹性水平位移66（）微分方程简化公式（框剪结构） （2.30) （2.31)J 由图2.6查出的系数；6768 框架剪力墙结构的刚度特征值 框架剪力墙结构中所有框架的总抗剪刚度

19、 框架剪力墙结构中所有剪力墙的总抗剪刚度69（）经验公式与结构层数有关： 框架结构 （0.05-0.06) 框架剪力墙结构 （0.05-0.06) 剪力墙结构 （0.05-0.06) 70与结构高度、宽度有关： 框架结构、框剪结构：剪力墙结构 71对超静定结构，温度变化、材料收缩、结构不均匀沉降会产生结构内力；“抗”的原则：给结构提供完全约束，结构应力最大，变形为零；“放”的原则：结构能自由变形，结构变形最大，应力为零；72（）温度作用9-30层的建筑，适当设计、施工和选用材料，温度影响可忽略；30层以上的超高层建筑，必须考虑温度的影响；73减小温差影响的综合技术措施：（）平面和立面设计要避免

20、突变；（）降低结构的约束程度，减小约束应力；（）加强构造钢筋；（）结构局部提高配筋率*（）优化混凝土级配，减小塌落度，后浇带方法 施工74沉降缝减小不均匀沉降影响的综合技术措施：（）选择压缩性小的地基；（）分开施工，设后浇带；（）将裙房做在高层建筑的悬挑基础上；（）综合采用上述方法；75防震缝避免结构不规则，不设防震缝；当结构不规则要设缝时，应符合下列规定： 1 防震缝最小宽度： 1）框架结构房屋，高度不超过15m的部分，可取70mm；超过15m的部分，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm； 2）框架-剪力墙结构房屋可按第一项规定数值的70采用，剪力墙结构

21、房屋可按第一项规定数值的50采用，但二者均不宜小于70mm。 762 防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按不利的结构类型确定；防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度应按较低的房屋高度确定； 3 当相邻结构的基础存在较大沉降差时，宜增大防震缝的宽度； 4 防震缝宜沿房屋全高设置；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房之间如无可靠措施，不应采用牛腿托梁的做法设置防震缝。 772.2.1 结构设计时，应考虑高层建筑结构的整体工作性能低层建筑 按受荷面积分配总水平力高层建筑结构 ： 不考虑扭转影响时，同层各构件水平位移相同，剪力墙结构中各片

22、墙按其等效刚度分配；框架结构按其抗侧刚度分配；框架剪力墙结构按空间协同工作和刚度分配； 考虑扭转影响时，情况更复杂；782.2.2水平荷载对高层建筑结构的影响占主导地位，且不能忽略轴向变形和剪切变形低层建筑： 只考虑弯曲变形产生的侧移，忽略轴力和剪力产生的侧移高层建筑结构： 梁 弯曲、剪切、扭转，必要时轴向变形 柱 弯曲、剪切、扭转、轴向变形 墙 弯曲、剪切、扭转、轴向变形792.2.3高层建筑结构具有刚度大、延性差、易损的特点2.2.4在进行结构的设计时，有些情况下要进行结构薄弱层的弹塑性变形验算 下列结构应进行弹塑性变形验算： 1）79度时楼层屈服强度系数小于05的框架结构； 2）甲类建筑

23、和9度抗震设防的乙类建筑结构； 3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。 80下列结构宜进行弹塑性变形验算： l）竖向刚度不均匀的高层建筑结构； 2）7度、类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构； 3）板柱-剪力墙结构。81体型（平面、立面）规则，平面均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构的刚度、承载力和质量沿竖向均匀分布；具备必要 的承载力、刚度和变形能力；避免局部破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；加强薄弱部位；设置多道防线；822.3.2控制房屋适用高度和结构高宽比 钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度和高宽比应分为A级和B级。8384852.3.3 结构平面布置A级高度

24、钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜符合下列要求： 1） 平面宜简单、规则、对称，减少偏心； 2） 平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大（图2.7）；L、等值宜满足表2.12的要求； 3） 不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。 86 图2.7 建筑平面872.3.3 结构平面布置抗震设计的B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。 882.3.3 结构平面布置2.结构平面布置应减少扭转的影响：*在考虑偶然偏心影响*的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1

25、.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。892.3.3 结构平面布置3.当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m。9091

26、2.3.3 结构平面布置4. 艹字形、井字形等外伸长度较大的建筑，当中央部分楼、电梯间使楼板有较 大削弱时，应加强楼板以及连接部位墙体的构造措施，必要时还可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板。 925. 楼板开大洞削弱后，宜采取以下构造措施予以加强： ） 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； ） 洞口边缘设置边梁、暗梁； ）在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋932.3.3 结构平面布置尽量布置成规则结构，不设防震缝防震缝的最小宽度：（框架结构）高度不超过15m ， 70mm高度超过15m的部分，每增加高度5m(6度）4m（7度）3m（8度）2m（9度），加宽20mm

27、942.3.3 结构平面布置7. 高层建筑结构伸缩缝表2.13 伸缩缝的最大间距结构体系施工方法最大间距 （）框架结构 现浇 55剪力墙结构 现浇 4595 可适当放宽伸缩缝的间距的 构造措施和施工措施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） 3040m间距留出施工后浇带，带宽8001000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在两个月后浇灌； 96 可适当放宽伸缩缝的间距的 构造措施和施工措施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