高层建筑结构设计交流课件

高层建筑结构设计交流欢迎各位领导、同事指导、交流！高层建筑结构设计交流一二三结构概念设计主要设计原则主要控制指标四设计中应该注意的问题1）水平荷载是设计的主要因素。水平荷载产生的弯矩是高度的2次方关系，侧向位移是高度的4次方关系。1.高层建筑结构设计的主要特点高层建筑结构设计交流一、结构概念设计2）抗震设计要求更高。为使结构具有较好的抗震性能，在一定意义上构造设计比计算更重要。3）减轻高层建筑自重比普通建筑更重要。4）筒体结构体系。可将剪力墙在平面内围合成箱形，也可由密柱框架或壁式框架围合，形成筒体结构。可分为框架-核心筒结构体系、筒中筒结构体系、成竖筒结构体系。2.高层建筑主要结构体系高层建筑结构设计交流一、结构概念设计5）巨型结构体系。巨型结构由多级结构组成，一般有巨型框架结构和矩形桁架结构。结构体系应结合建筑造型、结构高度、荷载大小、设防烈度等因素合理选择。1）平面要简单。方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可以。避免三角形平面。3.选择有利的房屋体形高层建筑结构设计交流一、结构概念设计建筑布局合理、结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。3.选择有利的房屋体系高层建筑结构设计交流一、结构概念设计2）立面变化要均匀。采取矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免采用带有突然变化的阶梯型立面。大底盘结构，底盘屋面梁板、塔楼与底盘连接部位应加强。3）不大的房屋高宽比。4.合理的结构布置高层建筑结构设计交流一、结构概念设计2）结构竖向刚度不得突变。结构的竖向刚度应自下而上逐渐减小，不应在某层大幅减小或取消。3）屋顶小塔楼合理设计。屋顶小塔楼不作为主楼的一部分一起做整体振动，而是在主楼振动的激励下，产生二次型振动，振动得到了2次放大。当采用底部剪力法时，应乘以增大系数3.0；采用振型分解反应谱法时，应计算出包括小塔楼在内的整个结构的前若干个高阶振型进行组合，并且在构造上采取措施提高结构的延性（适当增大截面控制轴压比、增加箍筋等）。1）避开不利地形抗震不利地段：条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁顶部，高差较大的地台边缘，非岩质陡坡和边坡边缘。比如图中的B点，地震时基岩运动将被放大。5.选择抗震有利地段高层建筑结构设计交流一、结构概念设计2）远离河岸河岸上的房屋，常因地面不均匀沉降或地面裂隙穿过而断裂成数段，一般情况应采取避开方案。必须在岸边建房时，应采取可靠措施，完全消除下卧土层的液化性，提高土层的抗剪强度，增强边坡稳定性。5.选择抗震有利地段高层建筑结构设计交流一、结构概念设计3）不跨在两类土层上不同类别的土壤，在高层建筑荷载作用下存在较大的沉降差异；同时具有不同的动力特性，地震反应也随之出现差异。4）薄的场地覆盖层场地覆盖土层，相当于一个地震波的过滤器和放大器，对于高层建筑，建于基岩或薄土层上，相比于建于厚的土层上，能减少地震能量输入，减轻破坏程度。

如果设置沉降缝，可以让各部分自由沉降，避免出现由于不均匀沉降产生附加内力。但是设缝后，结构在缝的两侧必须要有足够侧面约束以满足埋深的要求。

7.地下室沉降缝的设置高层建筑结构设计交流一、结构概念设计

如果不设沉降缝，则必须是采用端承桩或者是刚度很大的基础来避免不均匀沉降。

如果不设缝，也可以在设计中调整主群楼的压力差。主楼部分因荷载大，采用整体的箱基或筏基，降低其土压力，低层部分采用独立承台基础，使高底层沉降接近。同时调时间差，先施工主楼，主楼工期长，沉降大，待主楼基本建成，沉降基本稳定，再施工裙房，使后期沉降基本相近。并且在地下室底、顶板、侧墙在主办公楼与裙房之间靠裙房一侧设置后浇带，待沉降大部分完成后封闭。1）设计基准期：为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于设计使用年限，也不等同于建筑寿命。1.设计使用年限高层建筑结构设计交流二、主要设计原则2）建筑寿命：指从建造开始直到建筑毁坏或丧失使用功能的全部时间。3）设计使用年限：指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的年限，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和一般维护下所应达到的使用年限。结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠性。设计使用年限并不是结构的寿命年限，而是不需大修的年限，在大修后可以延长结构的使用年限，可能结构的寿命远不止50年。因此，设计使用年限不等同于建筑寿命。同一幢房屋建筑中，不同部分的设计使用年限可以不同。1）框架、框架剪力墙结构体系12～14kN/m2；剪力墙、筒体结构体系14～16kN/m2。方案设计或初步设计阶段可以据此来预估墙柱截面和桩基数量。活荷载约占15％，所以在设计中常常不考虑不利布置；工艺用房活荷载较大（超过4.0kN/m2），因考虑不利布置。2.荷载高层建筑结构设计交流二、主要设计原则2）基本风压按现行《建筑结构荷载规范》取值，但对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应乘以1.1。风荷载是否敏感，目前尚无实用的划分标准，一般情况下，高度大于60m的建筑，承载力计算时乘以1.1，高度不超过60m的建筑，风荷载取值是否提高，可由设计人员根据实际情况确定。

高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，以及结构局部的经济性。

《建筑抗震设计规范》第6.1.14条规定，地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下室顶板应避免设置大开洞，相关范围地下一层的侧向刚度，宜大于地上一层的2倍。这里的“相关范围”，一般指上部结构外延不大于20m。侧向刚度比按《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E进行计算。4.嵌固端的选取高层建筑结构设计交流二、主要设计原则

方案设计或初步设计阶段，应尽量把抗震设防类别不同的房间放在不同的塔楼。

甲类、乙类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强抗震措施。

一栋房屋的抗震设防分类可以分不同的区段有不同的等级，平面上可以不同、立面上上下也可以不同，但下部区段的类别不能低于上部区段的类别。

“抗震措施”与“抗震构造措施”是两个不同的概念。“抗震措施”是指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括建筑总体布置，结构选型，地基抗液化措施，考虑概念设计要求对地震作用效应（内力及变形）的调整，以及各种构造措施。“抗震构造措施”是指根据抗震概念的设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分所采取的细部构造，如钢筋锚固，搭接，最小配筋率，抗震等级划分等。“抗震措施”涵盖了“抗震构造措施”。5.建筑抗震设防类别高层建筑结构设计交流二、主要设计原则

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068－2001）确定建筑结构安全等级和建筑结构重要性系数；

《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008），附录A：“房屋建筑结构抗震设计中的甲类建筑和乙类建筑，其安全等级宜规定为一级”，相应安全系数取1.1。6.建筑结构安全等级高层建筑结构设计交流二、主要设计原则

《建筑抗震设计规范》规定，楼梯与主体结构整浇时，楼梯构件应参与整体结构模型计算。初步设计阶段，应重视楼梯间的布置。楼梯间的布置应尽量对称，避开角柱。因为高层建筑柱截面通常较大，与楼梯间相连的框架柱及容易出现超短柱，角柱本来就是抗震不利部位，应尽量避免超短柱。8.楼梯间布置高层建筑结构设计交流二、主要设计原则1）当墙肢（一字形）的截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计。2）短肢剪力墙：截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙。

具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构：在规定的水平地震作用下，短柱剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30％的剪力墙。3）一般剪力墙：墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。各墙段的高度与强度长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8m。跨高比不小于5的梁按框架梁进行设计，跨高比小于5按连梁进行设计。4）异形柱：截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。9.框架柱、剪力墙、异形柱的区别高层建筑结构设计交流二、主要设计原则

结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后。当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对于其中一主轴的侧移刚度是合理的，但对于另一主轴的侧移刚度过小，此时应适当削弱结构内部沿第三振型转角方向的刚度或适当加强结构外围的刚度。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.5条，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级高层不应大于0.9，B级高层不应大于0.85。

此外，对于内筒偏置的框架-核心筒结构，周期比不应大于0.85。1.周期比高层建筑结构设计交流三、主要控制指标

位移比是指采用刚性楼板假定下，端部最大位移（层间位移）与两端位移（层间位移）平均值的比，位移比的大小反映了结构的扭转效应，同周期比一样都是为了控制建筑的扭转效应提出的控制参数。

《高层建筑混凝土结构技术规程》3.4.5条，最大位移/平均位移，A级高层不宜大于1.2、不应大于1.5，B级高层及复杂高层不宜大于1.2、不应大于1.4。3.位移比高层建筑结构设计交流三、主要控制指标

剪重比要求结构有能力承担足够的地震作用，设计时不能小于规范的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.12条，结构的水平地震剪力系数，不应小于表中数值；对于竖向不规则的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。

所给振型数要足够多，以保证有效质量系数＞90％。4.剪重比高层建筑结构设计交流三、主要控制指标

楼层抗剪承载力之比控制的是结构的竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层。

《高层建筑混凝土结构技术规程》3.5.3条，A级高度的高层建筑的楼层抗剪承载力不宜小于其相邻上一层的80％，不应小于65％；B级高度的高层建筑的楼层抗剪承载力不应小于上层的75％。对于形成的薄弱层应按高规3.5.8条，对地震力乘以1.25的增大系数。7.楼层抗剪承载力比高层建筑结构设计交流三、主要控制指标

高层建筑层数多、高度大，为保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其楼层位移加以控制。

《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.3条，对高层结构楼层最大位移与层高之比作出了限制。8.水平位移高层建筑结构设计交流三、主要控制指标

规则高层建筑结构，进行抗震设防专项审查。超限高层结构，进行超限审查。超限审查的依据见《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2010〕109号）。9.超限结构高层建筑结构设计交流三、主要控制指标表一

房屋高度(m)超过下列规定的高层建筑工程结构类型6度7度(含0.15g)8度(0.20g)8度(0.30g)9度混凝土结构框架6050403524框架-抗震墙1301201008050抗震墙1401201008060部分框支抗震墙1201008050不应采用框架-核心筒1501301009070筒中筒18015012010080板柱-抗震墙80705540不应采用较多短肢墙1006060不应采用错层的抗震墙和框架-抗震墙806060不应采用混合结构钢外框-钢筋混凝土筒20016012012070型钢混凝土外框-钢筋混凝土筒22019015015070钢结构框架110110907050框架-支撑(抗震墙板)220220200180140各类筒体和巨型结构3003002602401809.结构超限审查高层建筑结构设计交流三、主要控制指标表二、同时具有下列三项及以上不规则的高层建筑工程(不论高度是否大于表一)序号不规则类型简要涵义备注1a扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2参见GB50011-3.4.21b偏心布置偏心率大于0.15或相邻层质心相差大于相应边长15%参见JGJ99-3.2.22a凹凸不规则平面凹凸尺寸大于相应边长30%等参见GB50011-3.4.22b组合平面细腰形或角部重叠形参见JGJ3-4.3.33楼板不连续有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高参见GB50011-3.4.24a刚度突变相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%参见GB50011-3.4.24b尺寸突变竖向构件位置缩进大于25%,或外挑大于10%和,多塔参见JGJ3-4.4.55构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类参见GB50011-3.4.26承载力突变相邻层受剪承载力变化大于80%参见GB50011-3.4.27其它不规则如局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换已计入1~6项者除外9.结构超限审查高层建筑结构设计交流三、主要控制指标表三、具有下列某一项不规则的高层建筑工程(不论高度是否大于表一)序号不规则类型简要涵义1扭转偏大裙房以上的较多楼层，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于0.9,混合结构扭转周期比大于0.853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的50%4高位转换框支墙体的转换构件位置：7度超过5层，8度超过3层5厚板转换7~9度设防的厚板转换结构6塔楼偏置单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%7复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层连体两端塔楼高度、体型或者沿大底盘某个主轴方向的振动周期显著不同的结构8多重复杂结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔等复杂类型的3种9.结构超限审查高层建筑结构设计交流三、主要控制指标表四、其他高层建筑序号简称简要涵义1特殊类型高层建筑抗震规范、高层混凝土结构规程和高层钢结构规程暂未列入的其他高层建筑结构，特殊形式的大型公共建筑及超长悬挑结构，特大跨度的连体结构等2超限大跨空间结构屋盖的跨度大于或悬挑长度大于或单向长度大于，屋盖结构形式超出常用空间结构形式的大型列车客运候车室、一级汽车客运候车楼、一级港口客运站、大型航站楼、大型体育场馆、大型影剧院、大型商场、大型博物馆、大型展览馆、大型会展中心，以及特大型机库等注：表中大型建筑工程的范围，参见《建筑工程抗震设防分类标准》高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题以抗震设防烈度7度的较规则普通建筑（住宅、办公楼等）为例：1.经济指标短期内如果无法做到市场水平，至少不能超过太多。层数用钢量（kg/m2）混凝土量（m3/m2）多层框架38～420.33～0.3512层小高层50～520.3518层高层54～600.3630层高层65～750.42～0.47高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

调整各层平面结构布置，与相关专业协调荷载布置，各层刚性与质心尽量靠近，减小扭转；剪力墙尽量沿周边布置，或将周边框架适当强，增大结构抗扭刚度。2.结构做到“均匀”，“周边”，“对称”3.刚度不要过大

尽量让所有的框架柱、剪力墙等抗侧力构件落在基础上，不要造成竖向结构不连续；局部梁上立柱不属抗侧力构件中断。4.抗侧力构件要落地高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

高层建筑结构都要求采用2个不同的软件进行计算，计算模型互导经常出现结果差异。

结果对比的时候应注意不同软件设计参数的不同，比如：重力加速度PKPM取10、Midasbuilding取9.8；结构刚度计算PKPM可以选择侧刚或总刚、Midasbuilding默认是总刚；PKPM活荷载不利布置只影响本层梁、Midasbuilding还对其他楼层梁和竖向构件产生影响，梁的配筋率计算PKPM取全截面高度、Midasbuilding取有效截面高度。5.模型在不同软件之间转换应相应调整设计参数高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

在中国规范中，结构动力分析以及地震作用计算基于建筑物的重力荷载代表值。很过国外软件比如sap2000、MidasGen等，计算程序并不是按中国规范来编写的，所以引入了“质量源”或“将荷载转换成质量”的概念来实现中国规范，设计必须指定质量源。

质量源包括：结构自重、附加质量、恒荷载、活荷载。

中国规范：结构自重1.0、附加质量1.0、恒荷载1.0、活荷载0.5。6.质量的问题高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

刚性楼板假定：楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为零。结构在每层板内只有x、y向平动和绕Z轴的转动3个公共自由度。

刚性楼板假定认定平面外刚度为零，忽略了楼面梁的有效翼缘对平面外刚度的贡献，使结构总刚度偏小，周期加长，吸引的地震作用小，偏不安全。

在计算“位移比”时应采用强制刚性楼板假定，在计算“周期比”宜采用全楼强制刚性楼板假定，以忽略局部震动造成的影响。选择强制刚性楼板假定来计算结构的“位移比”、“周期比”，可以约束局部的较大变形、过滤局部振动产生的周期。

内力计算、配筋计算不应采用强制刚性楼板假定。7.刚性楼板假定的使用高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题CQC方法存在的问题：是将结构各个振型的响应在概率的基础上采用完全二次方开方的组合方式得到总的结构响应，每一点都是最大值，可能出现两端位移大，中间位移小，所以CQC方法计算的结构位移比可能偏小，不能真实地反映结构的扭转不规则。

扭转位移比计算时，楼层的位移不应采用各振型位移的CQC组合计算，按“规定水平力”计算。

规定水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力，并考虑偶然偏心；结构楼层位移和层间位移控制值验算时，仍采用CQC的效应组合。

新高规3.4.5条文说明：水平作用力的换算原则：每一楼面处的水平作用力取该楼面上、下两个楼层的地震剪力差的绝对值。

另外，规定水平力不仅用于计算地震作用下的扭转位移比，还用于计算倾覆力矩。8.CQC法和规定水平力高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

高规4.3.2条：“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；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响”；

高规4.3.3条“计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响”，附加偏心距可取与地震方向垂直的建筑物总长度。当计算双向地震作用时，可不考虑偶然偏心的影响，但应与单向地震考虑偶然偏心的结果进行比较，取不利情况。

用软件计算的时候（比如PKPM），要同时勾选“偶然偏心”和“双向地震”，程序并不会同时考虑，而是这2项都要计算。9.偶然偏心和双向地震高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

在竖向荷载作用下，钢筋混凝土框架梁设计允许考虑混凝土的塑性变形内力重分布，适当减小支座负弯矩，梁端负弯矩调幅系数取0.8～1.0，调幅后，梁跨中弯矩按平衡条件相应增大。周期折减的目的是为了充分考虑框架结构和框架-剪力墙结构的填充墙刚度对计算周期的影响，周期折减后，地震力相应增大。周期折减系数对框架结构可取0.6～0.7，框架-剪力墙结构0.7～0.8，框架-核心筒结构0.8～0.9，纯剪力墙结构0.8～1.0。

刚域是在内力与位移分析中，可考虑的梁、柱重叠部分的范围。不考虑刚域作用时，一般来说会导致梁端负弯矩加大，增加梁端配筋。有悖于强柱弱梁的抗震理念。当梁、柱截面都很大，计算内力和配筋很大时，可取刚域。

有梁上立柱时，托梁应按转换梁进行设计。

框架结构的角柱应按双向偏心受压构件设计。10.弯矩调幅，周期折减系数，刚域，梁上柱，角柱的调整高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题

当其房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等有特殊要求时，可采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。有特殊要求的高层建筑混凝土结构包括：1）“超限高层建筑结构”；2）有些工程虽不属于“超限高层建筑结构”，但由于其结构类型或有些部位结构布置的复杂性，难以直接按本规程的常规方法进行设计；3）还有一些位于高烈度区（8度、9度）的甲、乙类设防标准的工程或处于抗震不利地段的工程，出现难以确定抗震等级或难以直接按本规程常规方法进行设计的情况。

结构抗震性能设计的三项主要工作：1）分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求，以确定结构设计是否需要采用抗震性能设计方法并以此特殊性作为选用性能目标的主要依据。2）选用抗震性能目标。性能目标选用时，一般需征求业主和有关专家的意见。3）计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位，提出有针对性的抗震加强措施，必要的试验验证，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。11.抗震性能化设计高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题A、B、C、D四个等级性能目标的结构，在小震作用下均能满应第1抗震性能水准，也就是弹性设计要求。A级性能目标是最高等级，结构基本处于弹性状态；B级性能目标，大震作用下满足第3抗震性能水准，允许结构有轻度损坏；C级性能目标，结构中度损坏；D级性能目标是最低等级，大震作用下满足第5抗震性能水准，结构有比较严重的损坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。抗规附录M4个抗震性能等级与高规基本是一致的。11.抗震性能化设计高层建筑结构设计交流四、设计中应该注意的问题11.抗震性能化设计构件性能目标小震中震大震比较结果宏观高规A完好、无损坏完好、无损坏基本完好、轻微损坏接近抗规1完好完好基本完好高规B完好、无损坏基本完好、轻微损坏轻度损坏接近抗规2完好基本完好轻~中等破坏高规C完好、无损坏轻度损坏中度损坏接近抗规3完好轻微损坏中等破坏高规D完好、无损坏中度损坏比较严重损坏抗规稍严抗规4完好轻~中等破坏不严重破坏关键构件高规A无损坏无损坏无损坏高规稍严抗规1完好完好基本完好高规B无损坏无损坏轻微损坏高规稍严抗规2完好基本完好轻~中等破坏高规C无损坏轻微损坏轻度损坏高规稍严抗规3完好轻微损坏中等破坏高规D无损坏轻度损坏中度损坏高规稍严抗规4完好轻~中等破坏不严重破坏普通竖向构件高规A无损坏无损坏无损坏接近抗规1完好完好基本完好高规B无损坏无损坏轻微损坏接近抗规2完好基本完好轻~中等破坏高规C无损坏轻微损坏轻~中度损坏接近抗规3完好轻微损坏中等破坏高规D无损坏轻~中度损坏中~比较严重损坏接近抗规4完好轻~中等破坏不严重破坏耗能构件高规A无损坏无损坏轻微损坏抗规稍严抗规1完好完好基本完好高规B无损坏轻微损坏轻~中度损坏