第二章高层建筑结构体系与布置原则（第1-5节）辅导资料

高层建筑结构辅导资料三主题：第二章高层建筑结构体系与布置原则（第1—5节）学习时间：2015年4月13日--4月19日内容：这周我们将学习第二章中的第1—5节，这部分主要介绍高层建筑各种常用的结构体系，对每种结构体系的特点作相应的论述，下面整理出的框架供同学们学习，希望能够帮助大家更好的学习这部分知识。一、学习要求1、了解水平力对结构内力及变形影响；2、熟悉不同结构体系的特点及适用范围。二、主要内容高层建筑发展到今天，其结构体系形式繁多，划分的标准也多种多样。从结构工程师的观点出发，高层建筑结构体系的分类标准通常依据其竖向承重单体和抗侧力单元的类型来划分。（一）框架结构1、框架结构的定义框架结构是由梁、柱等线型构件通过节点连接在一起构成的结构，其基本的竖向承重单体和抗侧力单元为梁、柱通过节点连接形成的框架。下图1所示为一些常见框架结构的柱网布置示意图。（a）方形平面（b）鱼形平面（c）圆形平面（d）矩形平面（e）内廊式平面（f）T形平面（g）十字形平面图1框架结构柱网布置图2、框架结构的侧向位移在水平荷载的作用下，框架结构将产生较大的侧向位移，侧移一般由以下两部分组成：（1）由水平力所引起的倾覆力矩，使得框架结构产生的整体弯曲变形，即柱子的轴向拉伸和压缩所引起的侧移，如下图2中绿色线所示变形；（2）由水平力所引起的楼层剪力，使得框架结构产生剪切变形，即框架整体受剪，层间梁、柱杆件发生弯曲而引起的水平位移，如下图2中红色线所示变形。图2框架结构侧向位移示意图框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形，如下图2中蓝色线所示变形。当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。3、框架结构的优点框架结构内部比较空旷而且建筑平面布置灵活，可以做成具有较大空间的会议室、餐厅、办公室、实验室等，同时便于门窗的灵活布置，立面也可以处理得富于变化，可以满足各种不同用途的建筑的需求。4、框架结构的缺点框架结构的构件截面较小，抗侧刚度较小，在强震作用下结构的整体位移和层间位移都比较大，这对结构构件以及非结构构件都是不利的，容易加重震害。框架结构的节点内力集中，受力非常复杂，是结构抗震设计的关键部位。另外，由于框架结构的受力特性和抗震性能的限制，使得他的适用高度受到限制，一般不宜超过60m。（二）剪力墙结构1、剪力墙结构的定义由墙体承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系成为剪力墙结构体系。一般情况下，剪力墙结构均做成落地形式，但是由于建筑功能及其他方面的要求，部分剪力墙可能不能落地，如下图3所示，即为此类部分框支剪力墙结构。图3部分框支剪力墙结构立面布置示意图剪力墙结构按照施工方法的不同，可以分为以下三种：（1）剪力墙全部现浇的结构；（2）全部用预制墙板装配而成的剪力墙结构；（3）部分现浇、部分为预制装配的剪力墙结构。2、剪力墙结构的侧向位移在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根悬臂深梁，其水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成，在高层建筑结构中，框架柱的变形以剪切变形为主，剪力墙的变形以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲性，特点是结构层间位移随楼层的增高而增加。3、剪力墙结构的优点相比框架结构来说，剪力墙结构的抗侧刚度大，整体性好，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，经过恰当设计的剪力墙结构具有良好的抗震性能，结构的用钢量也较省。4、剪力墙结构的缺点由于剪力墙结构中采用了一定数量的墙体用以承担全部水平作用和竖向荷载，因此结构的平面布置相对不灵活，结构自重较大。（三）框架—剪力墙结构1、框架—剪力墙结构的定义框架—剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系，竖向荷载由框架和剪力墙等竖向承重单体共同承担，水平荷载则主要由剪力墙这一具有较大刚度的抗侧力单元来承担。2、框架—剪力墙结构的侧向位移框架—剪力墙结构很好的综合了框架的剪切变形和剪力墙的弯曲变形的受力性能，它们的协同工作使各层层间变形趋于均匀，改善了纯框架或者纯剪力墙结构中上部和下部楼层层间变形相差较大的缺点。其变形特征如下图4所示。（a）计算简图（b）框架的变形（c）剪力墙的变形（d）框架剪力墙的变形图4框架—剪力墙结构在侧向力作用下协同工作时的变形特征总体说来，框架—剪力墙结构呈现弯—剪型变形：（1）下部楼层：剪力墙位移较小，框架位移较大，剪力墙拉着框架，弯曲型变形。（2）上部楼层：剪力墙位移较大，框架位移较小，框架拉着剪力墙，剪切型变形。3、框架—剪力墙结构的优点框架—剪力墙结构体系综合了框架和剪力墙结构的优点，并在一定程度上规避了两者的缺点，达到了扬长避短的目的，使得建筑功能要求和结构设计协调得比较好。它既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又具有较大的刚度和较好的抗震能力。因此，在高层建筑用应用非常广泛，它与框架结构、剪力墙结构一起构成了目前最常用的三大常规结构。4、框架—剪力墙结构布置要点框架—剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系。关键应该注意剪力墙的数量和位置。如果剪力墙布置数量多，则结构的抗侧刚度大，侧向变形小，布置难度大；如果剪力墙布置的数量少，则结构的抗侧刚度小，侧向变形大，对框架的抗震要求高。因此在进行框架—剪力墙结构设计时，对于剪力墙的布置，应注意以下一些要求：（1）抗震设计时使各主轴方向侧向刚度接近；（2）对称布置；（3）贯穿建筑全高；（4）布在周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化处、竖向荷载变化处；（5）平面形状凸凹较大时在突出部位的端部设置；（6）形成翼墙；（7）布置3片以上；（8）间距不宜过大；（9）不宜布置在长框架的两端。（四）筒体结构1、筒体结构的定义由于筒体结构单元受力性能的特殊性，通常将竖向承重单体和抗侧力结构单元含筒体单元的结构体系称为筒体结构。筒体结构的基本特征是主要由一个或多个空间受力的竖向筒体承受水平力。筒体可以由剪力墙组成，也可以由密柱深梁构成。2、筒体结构的分类筒体结构的类型很多，根据筒体的布置、组成和数量等，可以再分为：（1）框筒结构：框筒结构，如下图5所示。筒体通常放在建筑外围，由间距很密的柱子与截面很高的梁组成，筒体内设置了一些柱子以减小楼板和梁的跨度，这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。图5框筒结构示意图密柱深梁：实际是一个开了很多很多窗洞的筒体，靠空间受力特性来抵抗水平力。整体像一个悬臂筒体一样，刚度和承载力很大。水平荷载下楼板只是一个刚性隔板，保证框筒的侧向稳定和刚度，有如竹子中的竹节，楼板中的板、梁按承受垂直荷载要求单体设计。（2）筒中筒结构:筒中筒结构，如下图6所示。一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。图6筒中筒结构示意图（3）桁架筒结构：用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架，布置在建筑物周边，形成桁架筒结构。桁架筒结构的结构特点是柱距大，支撑斜杆横跨建筑的一个面的边长，竖向跨越几个楼层，形成巨型桁架，4片桁架围成桁架筒，形成整体悬臂结构。刚度大，比框筒结构更能充分利用材料。（4）多筒结构—成束筒结构:成束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。（五）巨型结构巨型结构，如下图7所示。利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即构成巨型框架。巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。图7巨型框架结构示意图典型习题（一）简答题1．简述框架—剪力墙结构设计中剪力墙的布置原则。答：（1）抗震设计时使各主轴方向侧向刚度接近；（2）对称布置；（3）贯穿建筑全高；（4）布在周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化处、竖向