高层建筑结构设计20120408课件

高层建筑结构设计2012-04阿联酋迪拜大楼由美国SOM设计所设计，高828米，，楼层数量超过160层)，是世界第一高楼。世界第一高楼并不是迪拜大楼创造的唯一世界纪录；其它新纪录还包括拥有最多楼层及世界最高居住楼层。如天气晴朗，远在100公里以外皆可看到这座超高摩天大楼的尖顶。台北101（Taipei101），又称台北101大楼，在规划阶段初期原名台北国际金融中心（TaipeiFinancialCenter），是目前世界第二高楼（2010年）,508米高。位于我国台湾省台北市信义区，由建筑师李祖原设计,保持了中国世界纪录协会多项世界纪录。台北101曾是世界第一高楼，以实际建筑物高度来计算已在2007年7月21日被当时兴建到141楼的迪拜塔（阿联酋迪拜）所超越，2010年1月4日迪拜塔的建成（828米）使得台北101退居世界第二高楼。位于上海市浦东新区陆家嘴,大厦总高492米(比金茂大厦高72米),地上101层,地下3层,总建筑面积38.16万平方米,2008年竣工,为中国内地第一,世界第二高楼,是上海建设国际金融中心的又一地标性建筑,于2006年11月16日开工建设.上海环球金融中心大厦世界超高层建筑排名一、佩重纳斯大厦(1、2号大厦)，高度452米，位于吉隆坡；二、西尔斯大厦，高度443米，位于芝加哥；三、金茂大厦，高度420米，位于上海；四、世界贸易中心大厦(1、2号大厦)，高度417米，位于纽约；(在9.11恐怖分子袭击事件中倒塌)五、帝国大厦，高度381米，位于纽约；六、中环广场大厦，高度374米，位于香港；七、中国银行大厦，高度369米，位于香港；八、T／C大厦，高度374米，位于高雄；九、阿摩珂大厦，高度346米，位于芝加哥；十、约翰·汉考克大厦，高度344米，位于芝加哥。高层建筑的界定标准1.世界高层建筑委员会1972年建议,将高层建筑分为四类:第一类:9-16层,高度不超过50米;第二类:17-25层,高度不超过75米;第三类:26-40层,高度不超过100米;第四类:40层以上,高度100米以上.2.我国对高层建筑的分类:1)<民用建筑设计通则>(JGJ37-87),<高层建筑防火设计规范>(GB50045-95):10层及以上的民用建筑和总高度≥24米的公共建筑及综合性建筑为高层建筑.建筑高度超过100米的建筑均为超高层建筑.2)高层建筑混凝土结构技术规程:10层以上,高度≥28米的钢筋混凝土高层建筑.3)建筑抗震设计规范:钢结构:一般按超过12层时开始提高抗震设防标准.事实上,从结构的观点看,凡是水平荷载起主要作用的建筑就可以认为进入高层建筑结构的范畴.第一章高层建筑结构概述本章教学目标:通过本章学习,明确高层建筑结构的特点和概念,了解高层建筑结构与一般低层,多层结构的区别.了解高层建筑结构的一些特殊技术措施.掌握各种结构体系的优点,缺点以及布置要点.能区分各种结构体系.了解高层结构总体布置的意义,掌握高层结构总体布置的要求和要点.了解防震缝,伸缩缝和沉降缝的异,同时.掌握如何通过各种措施来避免设置三种缝.第一章高层建筑结构概述国内高层的特点:1.层数增多,高度加大.2.结构体系日益多样化:悬挑结构,巨型框架结构3.平面布置与竖向体型更加复杂常用不对称,曲线型平面(城市规划,建筑功能的要求,计算机的广泛应用).在竖向布置上,一方面竖向体型趋向于多变,阶梯形内收,上部楼层外挑,突出的建筑物增多;另一方面,高低不等的组合体型更广泛地得到应用.4.向更多功能,综合性发展

上层布置旅馆,公馆;中间是中，小空间办公楼;下层大空间的商店,银行,娱乐等公共设施;地下部分为商业街,地下铁道车站.5.高强轻质材料的应用C60混凝土,高强钢管混凝土,陶粒混凝土,火山渣混凝土.6.钢结构高层兴建back高层建筑的设计特点:

结构分析:与多层建筑结构是一样的.特殊性:1.构件轴向变形(墙,柱轴力大)与剪切变形(截面高度大)对结构内力和位移影响不可忽略.2.侧向风荷载或地震作用所产生的结构内力与结构位移成为控制因素.3.侧向位移是结构设计控制因素:(1)顶点总位移:过大会导致电梯正常运行困难,竖向荷载下易产生P-位移效应.钢材用钢量增加,过够失稳,倾覆危险性增加.(2)层间相对位移量(层间位移):过大会导致建筑装修及隔墙开裂,甚至引起承重构件裂缝与破坏.风地震风地震框架1/5001/4501/6501/550框-剪力墙1/7501/6501/8001/700剪力墙1/9001/8001/10001/900材料:

钢筋混凝土:优点:造价低,材料丰富,刚度大,耐火好.缺点:自重大,抗震差,建筑高度小最高建筑:平壤柳京饭店101层,319.8米钢:优点:自重轻,抗震好,施工方便,现阶段高层建筑基本都是钢结构缺点:耐火差(800摄氏度以上强度为0),造价高混合结构:优点:一般为钢筋混凝土核心筒,钢框架,目前迅速推广,发展很快。设计时要特别注意基础.钢筋混凝土核心筒重量比较重,钢框架的重量比较轻,基础沉降差距比较大.所以要注意基础沉降差的处理.第二章抗侧力结构与布置一.框架结构体系(适用公共建筑)

当采用梁.柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构,并同时承受水平荷载时,称其为框架结构体系.此种结构体系优点是:建筑平面布置灵活,可作成需要较大空间的建筑,加隔墙后,也可作为小房间.建筑立面易于处理,构件便于标准化.缺点是:框架结构的侧向刚度较小,水平位移大.因此,框架结构适用于多层及高度不大的高层建筑,一般高度不宜超过60米..

根据使用要求和建筑布置确定的柱网和层高来布置梁和柱.在高层建筑中，梁柱必须作成刚接,梁柱布置要整齐,规则.1.1结构体系及典型布置二.剪力墙结构体系(适用于公寓,住宅,旅馆)层数很多的框架,意味着房屋的高宽比很大.这时,水平荷载对框架的威胁很严重,不仅使框架的弯矩很大，而且,柱子负担的轴向力和剪力也很大.从力的平衡关系看,因为房屋很高,水平荷载产生的倾覆力偶很大.在这种情况下,有效的解决办法就是设置一些墙片以代替框架.这墙片在水平力作用下的工作犹如悬臂的深梁,抗弯惯性矩大,换言之,抗侧力刚度就大大提高;另外,从受剪力的效能看,墙的抗剪能力比框架强得多,这种墙为整个房屋提供很大的抗剪强度和刚度,所以称抗剪墙或剪力墙.此种结构体系优点是:整体性好，刚度大,在水平力作用下侧向变形小,承载力要求也易于满足.

缺点是:剪力墙间距太小,平面布置不灵活,不能满足公共建筑的使用要求,结构自重较大.适用于10-50层的高层建筑.(二)剪力墙的分类1.根据洞口的有无,大小,形状和位置等,剪力墙主要划分为以下几类:(1)整截面墙:几何判定:剪力墙无洞口;有洞口,墙面洞口面积不大于墙面总面积的16%,且洞口间的净距及洞口及墙边的距离均大于洞口长边尺寸.受力特点:可视为上端自由,下端固定的竖向悬臂构件.(2)整体小开口墙:几何判定:洞口稍大一些,且洞口沿竖向成列布置;洞口面积超过截面总面积的16%,但洞口对剪力墙的受力影响仍较小.受力特点:在水平荷栽下,由于洞口的存在,墙肢中已出现局部弯曲,其截面应力可认为由墙体的整体弯曲和局部弯曲二者叠加组成,截面变形仍接近于整截面墙.(3)联肢墙:几何判定:沿竖向开有一列或多列较大的洞口,可以简化为若干个单肢剪力墙或墙肢与一系列连梁联结起来组成.受力特点:连梁对墙肢有一定的约束作用,墙肢局部弯矩较大,整个截面正应力已不再呈直线分布.(4)壁式框架几何判定:当剪力墙成列布置的洞口很大，且洞口较宽,墙肢宽度相对较小,连梁的刚度接近或大于墙肢的刚度.受力特点:与框架结构相类似.(三)剪力墙结构体系优缺点优点:1.集承重,抗风,抗震,围护与分隔为一体,利用结构材料经济合理;2.结构整体性强,抗侧刚度大，侧向变形小,在承载力方面的要求易于满足,适用于高层建筑.3.抗震性能好,具有承受强烈地震而不倒的良好性能;4.用钢量较省;5.与框架结构相比,施工相对简便,快速.剪力墙的缺点:1.墙体一般较密,致使建筑平面布置和空间利用受到限制,难于满足大空间功能的要求;2.结构自重一般较大,抗侧刚度较大,结构自振周期较短,导致输入的地震作用较大.三.框架剪力墙结构体系

在框架结构中设置部分剪力墙,使框架和剪力墙两者结合起来,取长补短,共同抵抗水平荷载,就组成了框架-剪力墙结构体系.如果把剪力墙布置成筒体,又可称为框架-筒体结构体系.

框-剪结构的优点是:既可以使平面布置灵活,获得较大空间,又能抵抗一定的侧力.筒体的承载力,侧向刚度和抗扭强度都较单片剪力墙大大提高.在建筑布置上，常利用筒体作为电梯间,楼梯间和竖向管道的通道.框--剪(框—筒)结构平面布置要注意下面两个方面问题∶1、剪力墙数量剪力墙太多，不仅会增加建筑布置的困难，而且在地震作用下，刚度大则侧向力也大，通常以保证结构侧向变形不超过规范规定的限制值为宜。2、剪力墙的布置及间距1.剪力墙布置应与建筑使用要求相结合,根据建筑物高度和刚度要求,可采用单片形,L,半开口形,I形或筒形.2.在非地震区,纵横两个方向剪力墙数量可以不同.在地震区,纵横方向上布置的剪力墙数量要尽量接近.3.剪力墙布置要对称,以减少结构的扭转效应.4.在两片剪力墙间布置框架时,楼盖必须有足够的平面刚度.5.剪力墙靠近结构外围布置,可以加强结构的抗扭作用.6剪力墙应贯通全高,使结构上下刚度连贯而均匀.剪力墙的布置应符合:均匀,分散,对称,周边的八字原则.

均匀,分散要求剪力墙的片数适当的多,且每片的刚度大小应适度,不要太大.

对称,周边布置是高层建筑抵抗扭转的要求,因剪力墙的刚度大，它的位置对楼层刚度分布起决定性作用.楼(电)梯间楼板开大洞，削弱严重，特别是在端角和凹角处设置楼(电)梯间时，受力更为不利，采用楼(电)梯竖井来加强是有效的措施。楼(电)梯间、竖井等竖向通道，不宜设在结构单元的端部角区。如必须位于端部时，应设剪力墙予以加强。这时竖向通道不应独立在柱网行列的中间，必须使井筒至少有两侧与柱网重合，并布置剪力墙。纵横向剪力墙宜组合布置成L形，T形和槽形等，使纵墙可作为横墙的冀缘，横墙也可以作为纵墙的翼缘，从而提高其强度和刚度。宜设置端柱提高刚度。剪力墙应尽量利用连梁组成双肢或多肢墙，以提高其延性和抗震能力。连成一片的单肢墙，长度不宜大于8m，必要时可以留出结构洞口，变成双肢墙，等施工后期用轻质料封闭。1.2结构总体布置原则多,高层建筑中:根据结构高度选择合理结构体系,恰当地设计和选择建筑物平面;剖面形状和总体型.通常在初步设计由建筑设计选择,但平面,体型的选择必须在综合考虑使用,建筑美观,结构合理及便于施工等因素后才能确定.由于高层中保证结构安全,经济合理等比低层更为突出,结构布置与选型更应受重视.较为复杂的多,高层建筑结构:设计应合理,经济.但复杂部位无法精确计算,抗震情况影响因素多,精确计算更加困难,安全与否往往无法用力学分析解决,因此特别需要注重概念设计.概念设计特点:1.对一些难以作出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题需要由工程师进行”概念”分析,以便采用相应措施.例如加强构件构造配筋.2.带有一定经验性,是对具体经验和教训的总结.3.内容十分丰富,事实证明为有效的方法.总体布置要求:

1.控制结构高宽比H/B

高层建筑中,控制位移常成为结构设计的主要矛盾,H越大,则倾覆力矩越大,建筑宽度很小的建筑是不适宜的.H/B<5-6,8度以上,H/B更小一些(B为建筑平面较小的一边).2.控制结构平面形状(1)板式:L/B较大,多用于多层建筑,高层建筑中应避免使用,短边侧向刚度差.(2)塔式:L/B接近于1,适用于高层建筑,侧向刚度好,形状:圆形,芳形,巨形,Y形,井形,三角形等.3.采用对抗震有利的结构布置形式震害教训:建筑物平面不对称,刚度不均匀,高低错层连接,局部凸出或高度方向刚度突变,都易造成震害.抗震结构:结构体型,布置,结构措施好坏比计算是否精确更直接影响安全.抗震结构布置要点:(1)平面布置简单,对称,规则,质心与刚心尽量重合.(2)注意突出部分的尺寸比例.(3)竖向位置应刚度均匀而连续,避免刚度突变,避免软弱层,刚度突变及软弱层常由切断剪力墙所致.(4)避免局部错层,夹层,例如当结构中长短柱结合,抗震中短柱易破坏.1.2高层建筑结构体系的选择首先考虑建筑物的高度和建筑物的用途一.抗侧力结构体系的选择不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的,因而它们适用的高度也不同另一个因素是建筑物的用途.高层建筑物按用途分三大类:住宅,旅馆及公共性建筑(办公,商业,科研,教学,医院等).竖向结构体系（抗侧力体系）的选择建筑使用功能建筑平面建筑高度抗震等级地质条件施工技术……用途≤50m≥50m住宅剪力墙、框架-剪力墙剪力墙、框架-剪力墙旅馆剪力墙、框架-剪力墙、框架剪力墙、框架-剪力墙、筒体公共框架-剪力墙、框架框架-剪力墙、筒体back水平承重体系（楼盖体系）及其选择楼（屋）盖体系的作用承受竖向荷载连接抗侧力构件，承受其传来的剪力和轴力选择原则结构整体性、面内刚度结构高度小、质量轻建筑使用功能、装饰要求、设备安装、施工技术等常用楼盖体系及其适用性现浇楼盖预制板楼盖预应力叠合板楼盖组合楼盖back常用楼盖体系及其适用性现浇楼盖肋梁楼盖——普通、技术经济指标好；结构高度大、不便管线安装

⇒宽扁梁（用于层高受限时）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；不美观、吊顶处理无梁楼盖——适用于大跨且梁高受限、或升层法施工时；冲切问题非预应力平板楼盖——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无粘结预应力平板楼盖——适用于大跨且梁高受限时、平面布置灵活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back0.3结构布置原则1抗震设防结构布置原则（1）选择有利的场地（2）保证地基基础的承载力、刚度（3）合理设置抗震缝（4）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径（5）多道抗震设防能力（6）合理选择结构体系（7）结构应有足够的刚度（8）结构应有足够的结构承载力（9）节点的承载力应大于构件的承载力（10）结构应有足够的变形能力及耗能能力2房屋适用高度和高宽比结构类型非抗震6度7度8度9度框架7060554525框架-剪力墙14013012010050剪力墙全部落地剪力墙15014012010060部分框支剪力应采用筒体框架-核芯筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱-抗震墙70403530不应采用适用的房屋最大高度（m）注：1房屋高度指室外地面至主要屋面高度（不包括局部突出屋面的电梯机房等高度）；2框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构；3部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构；49度抗震设防、超过表内高度的房屋，应进行专门研究，采取必要的加强措施。back3结构平面布置原则抗震设计的A级高度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I不宜过大；L、I等值宜满足要求；

(3)不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。L,l的限值当平面局部突出部分的尺寸l／b＜1，l／Bmax<0.3,且质显与刚度平面分布基本均匀对称时,可视为规则建筑进行抗震分析。筒体结构多采用正多边形、圆形、矩形和等边三角形，对称轴尽可能多设。采用矩形平面时，长宽比不大于2。不能满足上述各项要求的复杂平面结构要进行充分的研究分析，并从结构上采取加强措施。4结构竖向布置原则

A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比变形缝的设置高层建筑结构由于平面布置、立面高差、荷载分布、地基压缩性等的不同，分别采用设置伸缩缝、防震缝、沉降缝等措施。三缝之间，既有相同之处，又因针对性不同而有差异。伸缩缝:为了解决钢筋混凝土结构最大间距问题；防震缝:抗震设计时，当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，设置防震缝将其划分为较规则的几个结构单元；沉降缝:为了解决建筑高度差异、荷载差、异平面转折及地基土的压缩性有显著差异的问题。抗震设防地区，伸缩缝、沉降缝的宽度必须满足防震缝最小宽度要求。“三缝”的设置与措施

一.伸缩缝钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距(m)结构类别室内或土中露天框架结构装配式7550现浇式5535剪力墙结构装配式6540现浇式4530挡土墙地下室装配式4030墙壁类结构现浇式3020当采用下列构造措施和施工措施减小温度和混凝土收缩对结构的影响时，可适当放宽伸缩缝的间距：第一，混凝土浇筑采用后浇带分段施工；第二，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；第三，顶层加强保温、隔热措施，外墙设置保温层；第四，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；第五，采用收缩较小的水泥，减少水泥用量，在混凝土中加入适量的外加剂；第六，提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构。二.抗震缝建筑结构设计中，往往遇到平面凹凸尺寸过大、细腰型平面、角部重叠面积小、扭转位移比过大、抗扭刚度弱等情况，有些工程已成为特别不规则建筑、超限工程。在这种情况下，通过设缝可改变建筑的不规则程度，使之成为几个较规则的结构单元，避免超限。抗震设防区的建筑结构，在下列情况下宜设置防震缝1.平面外伸长度超过规范的限值而又没有采取加强措施；2.结构采用不同的材料和不同的结构体系，刚度相差悬殊；3.各部分质量相差很大；4.各部分有较大错层，不能采取合理的加强措施。为防止建筑物在地震中碰撞，防震缝应保证足够的宽度。房屋高度不超过15米时，防震缝最小宽度为70mm，当高度超过15米时,按下表确定:房屋高度超过15米时防震缝宽度增加值(mm)设防烈度6度7度8度9度高度增加值/m5432结构类型框架20202020框架剪力墙14141414剪力墙10101010(三)沉降缝当建筑物中的各部分由于基础沉降而产生显著沉降差，有可能产生结构难以承受的内力和变形。为避免由此造成结构过大的裂缝，可在容易产生裂缝的部位设置沉降缝，将其分开成两个独立的结构单元。沉降缝不但应贯通上部结构，而且应贯通基础本身。高层建筑在下述平面位置处,应考虑设置沉降缝:(1)高度差异或荷载差异较大处；(2)上部不同结构体系或结构类型的相邻交界处；(3)地基土的压缩性有显著的差异处；(4)基础底面标高相差较大，或基础类型不一致处处理方法:(1)放——没沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免出现由于不均匀沉降时产生的内力。(2)抗——采用端承桩或利用刚度很大的基础。前者由坚硬的基岩或砂卵石层来尽可能避免显著的沉降.后者则用基础本身的刚度来抵抗沉降差。(3)调——在设计与施工中采取措施，调整各部分沉降，减少其差异，降低由沉降差产生的内力。采用“放”的方法在结构设计时比较方便，但将导致建筑、设备、施工各方面的困难。采用“抗”的方法不设缝，基础材料用量多，不经济。通常用”调”的方法不设永久性沉降缝:减少沉降差；(1)调整地基土压力主楼和裙房采用不同的基础形式;调整地基土压力,使各部分沉降基本均匀一致,减少沉降差;(2)调整施工顺序施工先主楼，后裙房;主楼工期较长,沉降大,待主楼基本建成,沉降基本稳定后,再施工裙房,使后期沉降基本相近;(3)预留沉降差地基承载力较高、有较多的沉降观测资料、沉降值计算较为可靠时,主楼标高定得稍高,裙房标高定得稍低、预留两者沉降差，使最后两者实际标高一致.结构截面尺寸初估:(1)柱截面尺寸的估计控制:轴压比(2)梁截面尺寸估计

梁截面宽度与高度之比为1/2—1/4,且至少比柱宽小50mm(3)板厚的估计框架结构侧移计算及限值1.侧移的近似计算第j层框架层间水平位移与层间剪力之间的关系:这样便可逐层求得各层的层尖水平位移.框架顶点的总水平位移应为各层间位移之和,即:应当指出,按上述方法求得的框架结构侧向水平位移只是由梁,柱弯曲变形所产生的变形量,而