多层及高层房屋结构的组成

第2章

多层及高层房屋结构2.1多、高层房屋结构的组成2.2楼盖的布置方案和设计2.3柱和支撑的设计2.4多、高层房屋结构的分析和设计计算2．1多、高层房屋结构的组成多层和高层房屋建筑之间并没有严格的界线。根据房屋建筑的荷载特点及其力学行为，尤其是对地震荷载的反应，大致可以12层(高度约40m)为界。

一、多高层房屋结构的类别

多、高层房屋钢结构中，侧向荷载的影响显著。按抵抗侧向荷载作用的功效可分为：框架结构、框剪结构、筒体结构。优点是平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，侧向刚度小。柱距一般控制在6~9m范围内，次梁间距以3~4m为宜；一般不超过30层时比较经济。美国休斯敦印地安纳广场大厦——框架结构高121m(29层)，平面尺寸为43.7m43.7m的正方形，柱距约7.6m。1.框架结构：莱钢开发的青岛即墨钢结构住宅2.框剪结构：在框架结构上设置适当的支撑或剪力墙，或二者皆设。在侧向荷载的作用下，纯框架的侧向位移呈剪切变形模式，抗剪结构呈弯曲变形模式，二者组合而成的框剪结构则显著减少了纯框架结构的侧向位移。在地震区，具有双重设防的优点。可用于不超过40~60层的高层建筑。侧向位移模式剪力墙可以是钢筋混凝土结构，也可是钢板结构。钢筋混凝土结构需要采取一些构造措施，避免地震时可能发生的应力集中破坏；钢板结构可取8~9mm厚的钢板制成。研究表明：侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。高153m(地上43层)的上海锦江饭店分馆，采用带支撑和钢板剪力墙的框剪结构，其平面尺寸为32mx32m的正方形，柱距为8m。不设抗剪结构将最外层框架柱加密(不超过3m)，用深梁将其相互刚性连接，使外层框架在侧向荷载的作用下，具有悬臂箱形梁的力学行为。3.框筒结构：内筒及其他竖向构件主要承受竖向荷载，刚性楼面作为框筒的横隔，增强筒的整体性。为了避免剪力滞后造成角柱的轴力过大，可控制框筒平面的长宽比不宜过大(平面迎风面的长度超过45m时筒体效果降低)；加大框筒梁和柱的线刚度比。框筒结构横向刚度较大，可适用的建筑高度超过90层。在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为剪力滞后。

高411m(110层)的原美国纽约世贸中心大厦是带有裙房的框筒结构，其平面尺寸为240根柱子组成的正方形，柱距1.02m；内筒由中央电梯井的47根柱子组成。阵风作用下实测到的屋顶最大横向位移仅为0.46m(不足计算值1．02m的50％)，约为其高度的1／950，证明框筒结构具有良好的抗侧力性能。

马来西亚双塔楼：88层，450米，框—筒结构，1996年建成。框筒结构是筒体结构的一种，称为筒中筒结构。深圳发展中心大厦束筒结构是由各筒体间共用筒壁的一束筒状结构组成，是为了减缓框筒结构的剪力滞后效应而提出来的。利用第35、66、90三个设备层，设置一层楼高的桁架，提高框筒抵抗竖向变形的能力。束筒结构方案可灵活地组成平面形式，也可将各筒体在不同的高度中止，以获得丰富的立面造型。筒体可用密柱深梁的钢结构形成，也可采用钢筋混凝土筒体，不过常以内筒出现。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)依地震设防烈度，对各类结构形式所适用的高度作出了规定，见P141表4—1，其中个别数据按《建筑抗震设计规范》做了调整。结构种类

结构体系

非抗震设防抗震设防烈度钢结构

框架-支撑（剪力墙板）各类筒体

110

260

360

110

220

300

90

200

260

50

140

180

钢框架-混凝土剪力墙220

180

100

70

有混凝土剪力墙的钢结构

220

180

15070

6,789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒钢结构和有混凝土剪力墙的

钢结构高层建筑的适用高度（m）

4.悬挂结构称芯筒体系或悬挂结构框架、框—支、框—筒是多高层房屋结构的最基本型式，由此可衍生出多种多样的型式。在内筒(通常是钢筋混凝土结构)具有足够的抗侧力刚度时，可把框—筒的外层框筒去掉，将整个建筑物悬挂在内筒上，打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏，充分发挥钢结构抗拉强度高的优势及钢筋混凝土结构抗压性能好的长处，实现优势互补。

通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。5.支撑框筒结构或桁架筒体结构用加支撑的外围框架代替框筒结构，解决密柱深梁的问题。支撑系统覆盖了整个建筑物表面，又称大型支撑体系，它较框筒结构更为优越。香港中国阶银行大楼高315m(70层)的香港伙中国银巷行大楼怖为大型支撑修筒结构体去系。四根角破柱是由H型钢与混久凝土的组枯合结构，佩据称该大室楼与位于侍风荷载仅介为香港一落半的纽约朴的某面积贫和高度均巧相同的建小筑物相比覆，结构耗幕钢量减少呢约40％。八片支激撑的平狮面位置陶图非抗震谢设防的多层(≤12层)钢结构帝房屋，还可不设听双重抗耐侧力体糕系，可古采用单谅纯框架亡或斜撑(或剪力墙)结构体系眨。采用框架体系时，现不一定把须所有的梁烂都和柱刚轿性连接，造只要侧向矮刚度够大厅，可以只植取一部分躺柱参与抗趁侧力工作。采用斜撑体系时，辰只在少数哑柱间加设挠斜撑，梁和柱的苹连接都可鼓做成铰支研——柔性不连接。少数柱参动与抗侧力着体系，和遇多跨门式堵刚架的中巧柱做成摇闻摆柱一样姜。梁柱刚叹性连接欠构造复恋杂，制御作和工折地安装拣工作量须；抗侧腐力体系味也可混合使狸用，如纵向迫用框架，刑横向用斜敞撑体系。有抗震欣要求时把，可采途用偏心挪支撑体着系。纯框架具青有很好的旅延性和耗螺能能力，精但侧向刚免度较弱。轴线交登汇的支兼撑体系旅侧向刚帅度很好晌，但支廊撑设计鱼得在强要烈地震临作用下炕不屈曲陶，则造梅成地震蚂力过大咐，不经睬济合理久；若允吃许支撑斤屈曲，猛则屈曲吼后性能闷退化，夺影响它参的耗能毕能力。采用偏鲜心支撑场框架结悲构，支菠撑一端依做成偏盛心交汇炭，在梁储端部或袍中部形惯成耗能美梁段；栗结构在意弹性阶抗段有较酷好的刚胁度，在殖非弹性宁阶段具而有很好钩的延性维和耗能他能力。设置偏心锅支撑的开阅间内，构秩件之间的饱相互连接蛙均为刚接肥。《建筑差抗震设醉计规范仔》规定盼，超过12层的钢结影构应采用住偏心支撑很框架，顶磁层可采用佣中心支撑涝；不超过12层的钢结偷构宜采用咬中心支撑础，有条件陕时也可采色用偏心支览撑。二、结构布启置1.窑平面布展置为了减登少风压荣作用，虽应首选粉由光滑轻曲线构莫成的凸原平面，膊减小风籍载体型屠系数。圆形或描椭圆形钱平面比煤矩形平冠面能显碎著降低卧风压的馋整体作姿用；尽诵可能采靠用中心容对称或谈双轴对隙称的平晚面，减蚁小或避秆免在风炮荷载作酿用下的梦扭转振刑动；避青免狭长僻形平面敞，减少剪切滞县后现象。框筒结构暮采用矩形萄平面形式杯时，应控绩制其平面霞长度比小镰于1.5砖；（不满足父时，宜采赶用束筒结醒构）扭转问题建筑结腔构的几睡何形心菠、刚度搁中心、见结构重熔心即建收筑三心醉。在结构设粗计时要求盛建筑三心免尽可能汇怨于一点,虾即三心合首一。结构的扭呀转问题就淡是指在结中构设计过蚀程中未做叫到三心合迈一，在水衣平荷载作似用下结构脸发生扭转铸振动效应机。在水平荷三载作用下果，高层建卡筑扭转作节用的大小枕取决于质杨量分布。为使楼层博水平力作士用沿平面记分布均匀玻,减轻结资构的扭转隆振动，应环使建筑平陶面尽可能既采用方形仿、矩形、领圆形、正腰多边形等展简单平面艘形式。在某些情异况下,由挡于城市规勤划对街道渣景观的要秧求以及建记筑场地的排限制,高尼层建筑不酱可能全部钟采用简单遥平面形式拒,当需要览采用不规奇则L形、T形、十跃字形等嚷比较复唱杂的平记面形式添时,应们将凸出拼部分厚垃度与宽拿度的比早值控制弟在规范瓣允许的滤范围之老内,同仁时,在驰结构平类面布置婶时,应匆尽可能掘使结构楼处于对革称状态稿。（1）忧有抗震荡设防要求喇时，平面泪尺寸关系获应符合P143表4-2的要求镇。≤0.5

B'

/

Bmax

大洞口宽度比

≥1

≤1.5

l'/

Bmax

l/

b

凹凸部分的长宽比

≤4

≤5

L/

Bmax

L/B

平面的长宽比

结构在戚水平荷言载下是滩否会出钟现扭转顷，不仅循和平面湾图上的冒外形有购关，还涂和抗侧电力构件胀设置部慎位有关者。抗侧力形刚度中魂心应和岸水平合弓力线尽萌量接近某。偏心率是敞度量抗侧馒力构件布乖置状况的宏力学参量谱，任一楼园层相应于x和y方向的偏揭心率x和y可由下每式计算狗：（2）平面不规锄则结构1）任一层捕的偏心跪率大于0.15矛；2）结构平璃面形状性有凹角贼，凹角胀的伸出则部分在捧一个方身向的尺果度，超槐过该方悉向建筑具总尺寸挽的25％；3）楼唉面不连息续或刚直度突变北，包括售开洞面艘积超过扭该层总绪面积的50％；4）抗水矮平力构件练既不平行斗又不对称霞于侧力体书系的两个狱互相垂直奔的主轴。平面不规鄙则结构，外在计算和秀构造上应仍作相应处狗理。大量建筑毅震害表明煮：防震缝叹设置不当天导致高层锻建筑在地撕震时相互歉碰撞的破铸坏后果很色严重的；高层建纲筑在发姿生地震研时具有陶很大的惧侧向位贴移，防支震缝的零合理设瓜置很困响难的，漏一般不察宜设置商防震缝胳。对地震淘区多高折层建筑貌应当建拾立精细万的力学瓣模型，去作较精扁确的地铸震分析火，并采弄取相应肤的措施丧提高其疏薄弱部猴位和构饺件的抗艇震能力限。高层钢结闷构建筑，炒一般不设斯置温度缝态，因为建劫筑的平面艺尺寸通常栗不会超过90m。防震缝洗设置2.竖向结猎构布置(1)君竖向结早构布置的采原则：1）使寨结构各层炎的抗侧力债刚度中心党与水平合费力中心尽两可能重合托；2）各竹层的刚轧度中心宿应尽可遣能在同哈一竖直必线上；3）建筑铜开间、进苦深的尺寸涂尽可能统蚕一。(2)水竖向结三构布置应窃满足的要钢求：多高层比房屋的彼横向刚欢度、风峰振加速洋度与其畏高宽比千有关。唇一般认室为高宽匪比超过8时，结圣构效能耕不佳。《建筑萝结构抗拖震规范滚》(GB50裙011)规定：对滩于钢结构竿的高层建动筑，其高猫宽比不宜通大于P14土4表4-3的限值。设防烈度6，789最大高宽比6.56.05.5(3)竖向布抽置的不垄规则结席构：1）楼层舰刚度小于丘其相邻上绘层刚度的70％，且连锅续三层总抓的刚度降变低超过50％；2）相邻插楼层质量弦之比超过1．5(建筑为芝轻屋盖石时，顶声层除外)；3）立面漫收进尺寸租的比例为L1／L<0浴.75；4）竖向谎抗侧力构有件不连续慎；5）任龙一楼层赤抗侧力壁构件的凉总受剪病承载力凑，小于桐其相邻炕上层的80％。竖向布洪置的不栽规则结诉构，在杏计算和钱构造上佳作相应水处理。框筒结尼构高宽节比不宜玻小于4，可发挥宰框筒的立更体作用；龄内筒的边妄长不宜小扰于相应外皆框筒边长残的1／3；框筒的柱烧距一般为1.5~逃3.0m，且不宜大薯于层高；框筒的开秒洞面积不北宜大于其死总面积的50％；内外筒间摧的进深一加般控制在10~1赏6m之间；内筒也蜂为框筒孔时，柱若距宜与秘外框筒帜柱距相严同，且产在每层钱楼盖处舰都设置玻钢梁将矿相应内怪外柱相深连接，后保证角谊柱有足截够的截坟面积，喜控制其左不产生焰严重的牌剪力滞爸后。角冶柱一般候为非角漆柱截面厚积的1.5尊~2.碎0倍；外框筒诞为矩形并平面时害，作成走切角矩构形，以醒削减角均柱应力吹；为提高内枝外筒的整缎体性能，处缓解剪力端滞后，可渐设置帽桁闪架和腰桁拍架。腰桁架一加般布置于织设备层。帽桁架馒和腰桁阔架由相植互正交浅的两组好桁架构驴成，等天距满布呼于建筑盘物的横(纵)向，并传贯通建藏筑物的孝纵(横)向。4.基前础埋深(1)高层建筑恩基础设宜设地威下室，起西补偿基础贩的作用，录增大结构协抗侧倾的我能力，(2)主抗震设防财时，基础诊埋深宜一枯致，不宜策采用局部缠地下室。（3）采月用天然地摊基时，基消础埋深不遵宜小于H/1凉5；采用桩燥基时，昂不宜小赴于H／18。基础埋深位指室外地铸