高层设计专题

高层设计专题第1页，共67页，2023年，2月20日，星期四内容

1、上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计

2、楼板刚度的各种假定及在特殊结构中的应用

3、多塔、错层及设缩缝结构的设计计算

4、温度应力与支座位移分析

第2页，共67页，2023年，2月20日，星期四1、上部结构与地下室共同工作1.1规范有关规定1.2分析模型1.3风、地震、恒活荷载作用计算1.4地下室抗震设计1.5地下室外墙平面外设计1.6地下室人防设计第3页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.1有地下室结构的特点上部结构与地下室组成一个承力体系，具有共同的位移场，相互协调变形；地下室外的回填土对结构有一定的约束作用。第4页，共67页，2023年，2月20日，星期四规范有关规定《抗震规范》第6.1.14条、《高规》第5.3.7条都规定，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

《高规》的“宣贯培训材料”（P5-12）建议：当刚度比不满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，有条件可增加地下室楼层的侧向刚度，或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位。第5页，共67页，2023年，2月20日，星期四地下室侧向刚度比计算《高规》的“宣贯培训材料”（P5-12）建议：方法1：按《抗震规范》的楼层剪力与层间位 移比计算方法1：按《高规》附录E的剪切刚度比计算《抗震规范》第6.1.14条文说明中建议：当进行方案设计时，侧向刚度比可采用剪切刚度比估算。第6页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.2分析模型简化的分离模型：将上部结构与地下室分裂开，分别设计计算共同工作分析将上部结构与地下室作为一个整体，考虑共同作用，采用如下两种方式之一来考虑地下室外回填土对结构的约束作用。方法1：嵌固地下室的水平位移方法2：对地下室部分施加弹簧约束第7页，共67页，2023年，2月20日，星期四第8页，共67页，2023年，2月20日，星期四第9页，共67页，2023年，2月20日，星期四第10页，共67页，2023年，2月20日，星期四第11页，共67页，2023年，2月20日，星期四分析模型共同工作分析通过对地下室部分施加弹簧约束，考虑地下室外的回填土对结构有一定的约束作用。第12页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.3风、地震、恒活荷载作用计算风荷载计算地下室部分的基本风压为零；在地上部分的风荷载计算中，自动扣除地下室部分的高度，地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点；结构在风荷载作用下的反应（位移、内力）受地下室外的回填土约束。第13页，共67页，2023年，2月20日，星期四地震作用计算结构在地震作用下的反应（周期、振型、位移、内力）受地下室外的回填土约束；由地下室质量产生的地震力，主要被室外的回填土吸收；在计算结构的“最小剪重比”时，不考虑地下室部分。第14页，共67页，2023年，2月20日，星期四恒活荷载作用计算地下室部分竖向构件的轴向变形和转动会导致上部结构恒活作用内力的重分布。对于一般规则结构，地下室外的回填土约束对竖向荷载作用影响很小。对于不规则结构，地下室外的回填土约束对竖向荷载作用有一定影响，在计算中由程序自动反映这一特点。第15页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.4地下室抗震设计地下室的抗震等级（抗震规范第6.1.3条）当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层一下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。地下室无上部结构的部分，可可根据具体情况采用三级或更低等级。第16页，共67页，2023年，2月20日，星期四地下室抗震设计构造要求（抗震规范第6.1.14条）地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。地上一层框架结构柱和抗震墙墙底截面的设计弯矩值应符合6.2.3、6.2.6、6.2.7条规定。位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和。第17页，共67页，2023年，2月20日，星期四地下室抗震设计有关调整底层柱墙内力的调整（在０.０标高处）框支柱的地震力调整剪力墙底部加强区第18页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.5地下室外墙平面外设计恒活荷载作用结构整体分析得到的恒活荷载的轴力、弯矩面外土、水侧作用按简化方法计算面外土水侧压力作用的弯矩配筋设计按压弯构件进行配筋计算第19页，共67页，2023年，2月20日，星期四1.6地下室人防设计

人防荷载计算的输入参数地下室层数与人防地下室层数考虑了哪些构件的人防设计人防作用效应分析模型人防作用效应组合地下室外墙的平面外设计地下室构件的人防设计第20页，共67页，2023年，2月20日，星期四第21页，共67页，2023年，2月20日，星期四

部分地下室人防设计；门框墙；地下室顶板的配筋计算在SLABCAD中；地下室底板配筋计算；传给基础的设计荷载中不包括人防设计荷载。暂未考虑的因素

第22页，共67页，2023年，2月20日，星期四2、楼板在结构整体分析中的考虑2.1楼板刚度的特点2.2刚性楼板假定2.3弹性楼板62.4弹性楼板32.5弹性膜2.6板柱结构2.7空旷结构2.8楼板开大洞第23页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.1有关规定《抗震规范》第3.4.3条第1款的第2项规定，凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时，尚应计及扭转影响。《高规》第4.3.6条规定，当楼板平面比较长、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。第24页，共67页，2023年，2月20日，星期四有关规定《高规》第5.1.5条也规定：进行高层建筑内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内为无限刚性，相应地应采取必要措施保证楼板平面内的整体刚地。当楼板会产生明显的面内变形时，计算时应考虑楼板的面内变形或对采用楼板面内无限刚性假定计算方法的计算结果进行适当调整。第25页，共67页，2023年，2月20日，星期四楼板刚度的特点楼板刚度由面内刚度和面外刚度两部分组成面内刚度——膜剪切单元面外刚度——板弯曲单元对楼板的假定刚性楼板假定弹性楼板6弹性楼板3弹性膜第26页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.2刚性楼板假定刚性楼板假定面内刚度无限大，面外刚度为零适用范围楼板不特殊的绝大多数工程梁刚度放大变相地考虑楼板的面外刚度第27页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.3弹性楼板6弹性楼板6考虑楼板的面内刚度和面外刚度采用壳单元适用范围所有工程缺点计算量大，影响梁配筋结果第28页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.4弹性楼板3弹性楼板3面内刚度无限大，考虑楼板的面外刚度采用板弯曲单元适用范围面内刚度很大，不可忽略面外刚度的结构第29页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.5弹性膜弹性膜考虑楼板的面内刚度，面外刚度为零采用膜剪切单元适用情况要考虑面内刚度，可以忽略面外刚度的结构第30页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.6板柱结构等代梁法等代梁截面定义：等代框架方向板跨3/4，及垂直方向板跨1/2弹性楼板虚梁布置楼板假定第31页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.7工业厂房、体育馆所等空旷结构不与楼板相连的构件特性的考虑楼板刚度的合理考虑第32页，共67页，2023年，2月20日，星期四2.8楼板开大洞G35弹性楼板或板带定义第33页，共67页，2023年，2月20日，星期四3、多塔、有缝结构及错层3.1多塔结构3.2有“缝”结构3.3错层结构3.4顶部小塔楼第34页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1多塔结构多塔建筑的特点多塔结构抗震设计多塔结构的计算模型多塔结构定义应注意的问题第35页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1.1多塔结构的特点“塔”和“刚性楼板”的区别对于多塔建筑，其每个塔都有独立的迎风面和独立的变形；每块“刚性楼板”有独立的变形，但不一定有独立的迎风面。“塔”和“刚性板”之间不存在一一对应关系，一个塔中可以有多块刚性板，也可以没有刚性板（没有楼板或定义成弹性楼板）。第36页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1.2多塔结构抗震设计多塔楼结构的平立面布置底盘屋面楼板抗震设计构造多塔楼之间裙房连接体的屋面梁、塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、剪力墙的抗震设计构造裙房的抗震等级第37页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1.3多塔结构的计算模型周期比控制计算模型位移比控制计算模型构件内力计算模型

《抗震规范》第3.4.3条第1款的第2项规定，凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时，尚应计及扭转影响。

《高规》第4.3.6条规定，当楼板平面比较长、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。

第38页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1.4多塔结构定义多塔结构需用户以围区方式定义；刚性楼板信息由程序自动搜索，无需用户交互操作；建议以最高的塔为一号塔，以下依次按高度排列。第39页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.1.5采用整体模型应注意的问题如果没给出多塔定义会怎样？定义了多塔又会怎样？第40页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.2有“缝”结构结构缝的定义有缝结构的特点有缝结构的计算模型第41页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.2.1考虑的缝的范围伸缩缝：《混凝土结构设计规范》9.1.1条，规定了排架结构，框架结构、剪力墙结构等的伸缩缝的最大间距。沉降缝：《地基基础设计规范》规定了沉降缝的设置要求。防震缝：《抗震设计规范》6.1.4条，规定了防震缝设置要求。第42页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.2.2有缝结构的特点仅就上部结构而言，“缝”将结构划分成几个较为规则的抗侧力结构单元，各结构单元之间完全分开。所以，各结构单元有独立的变形，若忽略基础变形的影响，各单元之间相对独立。这一点与多塔楼结构不同，多塔楼结构的各塔通过底盘相互发生影响。由于缝的宽度不是很大，在风荷载作用下，各结构单元的迎风面与多塔楼的迎风面不同，缝隙面不是迎风面。第43页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.2.3有缝结构的计算模型离散模型

除与风荷载有关的计算结果外，其它所有结果都是对的。需要注意的是在计算风荷载作用时，程序把缝所在的面也作为迎风面，该方向的风荷载计算值偏大。整体模型

在采用整体模型时，要把每个结构单元定义成多塔楼，程序采用多塔楼结构计算模型进行设计计算。此时，要注意的有两点：一是计算振型数要取得足够多，使整个结构系统的有效质量系数在90%以上，二是风荷载略偏大，第44页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3错层结构错层结构的特点

计算模型模型输入错层信息生成越层柱的计算长度系数错层结构的层刚度比计算抗震设计的有关规定第45页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.1错层结构的特点错层结构的突出特点是在同一楼层平面内，部分区域有楼板，部分区域没楼板，在没有楼板的区域内，有些竖向构件（柱、墙）可能与梁连接，也可能是越层构件。在该区域内构件的内力和位移与楼板无关。第46页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.2计算模型当错层高度不大于框架梁的截面高度时，一般可以近似地忽略错层因素影响，可以归并为同一楼层参加结构计算，这一楼层的标高可近似取两部分楼面标高的平均值；当错层高度大于框架梁的截面高度时，各部分楼板应作为独立楼层参加整体计算，不宜归并为一层，此时每一个错层部分都应视为独立楼层。第47页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.3模型输入框架错层结构剪力墙错层结构多塔错层第48页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.4错层信息生成软件自动将错层构件在楼层平面内的节点设为独立的弹性节点，不受楼板计算假定限制，因而能更真实地反应结构的实际受力状态。对于错层结构，程序判断柱和墙是否越层的原则是：既不和梁相连，又不和楼板相连。程序自动按上述原则搜索出越层信息，无需用户交互操作。第49页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.5越层柱的计算长度系数在错层结构设计计算中，越层柱的计算长度系数计算应受到足够重视。有些柱两个方向的计算长度不同，而且程序应有越层柱搜索功能，计算结果应确保在越层范围内越层柱每个截面的计算长度相同。第50页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.6错层结构的层刚度比计算因为在PM中输入的计算层与真实结构的层不一定一致,软件输出的层刚度不参考价值不大,需设计人员注意.第51页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.3.7错层结构抗震设计的有关规定第10.4.4条规定，错层处框加柱的截面高度不应小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，抗震等级应提高一级采用，箍筋应全柱段加密。第10.4.5条规定，错层处平面外受力的剪力墙，其截面厚度，非抗震设计时不应小于200mm，抗震设计时不应小于205mm，并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱；抗震等级应提高一级采用。错层混凝土强度等级不应低于C30，水平和竖向分布钢筋的配筋率，非抗震设计时不应低于0.3%，抗震设计时不应低于0.5%。

第52页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.4顶部小塔楼

《抗震设计规范》5.2.4条，采用基底剪力法时，突出屋面部分的地震作用效应宜乘以增大系数3；采用振型分解法时，突出屋面部分每层可作为一个质点，并取足够的计算振型。

第53页，共67页，2023年，2月20日，星期四4、温度、支座位移和弹簧刚度4.1温度作用的特点4.2有关规定4.3程序实现4.4最不利温差的确定4.5计算温差的确定4.6温度作用效应组合4.7支座位移4.8弹簧刚度第54页，共67页，2023年，2月20日，星期四4.1温度作用的特点

高层建筑结构不仅平面尺寸大，而且竖向的高度也很大，其竖向构件截面尺寸较大，温度变化和混凝土收缩不仅会产生较大的水平方向的变形和内力，而且也会产生竖向的变形和内力。根据有关资料统计，工程实践中结构物的裂缝原因属于由变形作用（温度、收缩、不均匀沉降）引起的约占80%以上，属于由荷载引起的约占20%左右，可见高层建筑结构设计中考虑变形作用的影响是很重要的，不容忽视。高层建筑结构的温度变形与应力应该引起设计人员的重视。第55页，共67页，2023年，2月20日，星期四4.2有关规定《高规》宣讲培训材料（P4-17）：高层钢筋混凝土结构一般不计算由于温度、收缩而产生的内力。因为一方面高层建筑的温度场分布和收缩参数等都难以准确确定；另一方面混凝土又不是弹性材料，它既有塑性变形，还有徐变和应力松弛，实际的内力要远小于按弹性结构的计算值。广州白云宾馆（33层、高112m、长70m）的温度应力计算结果表明，温度-收缩应力计算值过大，难以作为设计依据。曾经计算过温度-收缩应力的其它建筑也遇到类似的情况。第56页，共67页，2023年，2月20日，星期四有关规定但由于种种原因，诸如高层建筑各处的温度场、混凝土收缩、徐变等随时间变化的变量因素还难以直接采用数值准确量化，混凝土收缩、徐变的弹塑性特征使分析处理复杂，所以一般很难准确地计算结构的温度－收缩应力，并且作为设计的依据。因此，高规不要求直接计算非荷载作用，而强调由构造措施来解决。《高规》宣讲培训材料（P4-17）：

钢筋混凝土高层建筑结构的温度-收缩问题，主要由构造措施来解决。第57页，共67页，2023年，2月20日，星期四4.3程序实现程序提供了计算温度应力、支座沉降以及设置弹簧支座的功能。设计人员可以通过给定温差或基础支座沉降值来计算结构的温度和基础支座沉降产生的效应。从而能较正确地估计温度、基础支座沉降的影响，有助于设计人员采取相应对策与措施。第58页，共67页，2023年，2月20日，星期四温度应力计算情况高层建筑的温度分析可考虑下列三种情况：施工阶段 当主体结构完成后，未作内外装修和围护结构，结构处于通透状态时的温差造成的内力。正常使用阶段1

外墙围护结构已施工，室内处于自然通风状态时的温差造成的内力。正常使用阶段2

外墙围护结构已施工，室内空调恒温状态时的温差造成的内力。第59页，共67页，2023年，2月20日，星期四对温度作用的简化温度变作用表现为：（1）构件内外表面温差造成的弯曲；（2）构件内外表面温差的平均值比构件初始温度高（低）时造成的伸长（缩短）。程序仅考虑了平均温差造成的伸缩作用，而忽略了内外表面温差造成的弯曲作用。第60页，共67页，2023年，2月20日，星期四4.4最不利温差的确定樊小卿在《温度作用与结构设计》一书中建议：室外空气温度夏季取30年一遇最高日平均温度，冬季取30年一遇最低日平均温度。使用阶段室内空气温度夏季取空调