结构选型与结构布置

第2章

高层结构的选型与布置

高层建筑结构设计应注重概念设计，重视结构选型与平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系，加强构造措施。在抗震设计中，应保证结构的整体性能，使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。结构应满足下列规定：1.应具有必要的承载力、刚度和变形能力。2.应避免因局部破坏而导致整个结构破坏。3.对可能的薄弱部位要采取加强措施。4.结构选型与布置合理，避免局部突变和扭转。5.宜具有多道抗震防线。2.1高层建筑结构设计的基本要求

①概念设计相对于数值设计计算而定义的，对建筑物的有利或者有害情况无法用数值精确计算，只好通过调整结构布局、调整建筑物高度来实现，即是一种非量化的表现形式，是设计原则和设计思想，不是具体的数值计算。如简单、规则、均匀、对称；又如强柱、弱梁、节点更强等。

②规则结构：指体型规则、平面布置均匀、对称并具有很好的抗扭刚度；竖向质量和刚度无突变的结构。③承载力：结构构件所能承受的最大内力或达到不适于继续承载变形时的内力。④刚度：构件抵抗变形的能力。在弹性范围内，刚度是构件载荷与位移的比值，即引起单位位移所需的力。刚度的倒数为柔度，即单位力引起的位移。⑤动力时程分析法：

时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而可计算出构件内力的时程变化关系。由于此法是对运动方程直接求解，又称直接动力分析法。由初始状态开始一步一步积分直到地震终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以至达到最终状态的全过程。⑥减少非荷载作用产生的不利影响：比如：150m以上的高层建筑，外墙宜采用建筑幕墙，以减小主体结构的温度应力。建筑幕墙---是建筑物不承重的外墙护围，通常由面板（玻璃、铝板、石板、陶瓷板等）和后面的支撑结构（铝横梁立柱、钢结构、玻璃肋等）组成。⑦高层建筑设计中对场地的选择有地段要求P14表2.12.2高层建筑结构的选型

2.2.1

高层结构的选型原则房屋结构可分成竖向结构、水平结构和底部结构。

根据房屋高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术等因素考虑其适宜的结构体系。这个结构体系应符合以下要求：

满足使用要求；尽可能地与建筑形式相一致（方形体育馆不用筒体结构）；平面和立面型式规则，受力好，有足够的承载力、刚度和延性；施工简便；经济合理。

2.2.2竖向承重结构的形式及选用1、框架结构定义：由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构，节点一般为刚性节点。刚性节点：结构在受力变形过程中梁柱夹角保持不变或者变化很小结构特点：布置灵活；可形成大的使用空间；施工简便；较经济；抗侧刚度小，侧移大；对支座不均匀沉降较敏感。

适用范围：70m及以下建筑。

①框架结构不包括无剪力墙或井筒的板柱结构。板柱结构的侧向刚度和抗震性能较差，不适宜做高层建筑。井筒：主要应用于楼梯间或者电梯间，把楼梯间或者电梯间做成井筒形式，作为主要抗侧力构件，承担全部或大部分水平力，从而使框架主要承担竖向荷载。②框架结构也不包括异形柱框架。异形柱的概念以及特点是什么？③非抗震设计和6度抗震设防时,框架结构体系房屋的高度不应超过24m,7度和8度抗震设防时，允许高度更小。a：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（JGJ149-2006）b：异形柱结构应用于：框架结构和框架-剪力墙结构c：异形柱的柱截面（各肢截面）肢高肢厚比：截面高度与厚度之比，不大于4d:异形柱结构适用的最大高宽比：柱的高度与截面宽度之比注：井筒图片井筒群施工现场，用作电站竖井储料仓2．剪力墙结构剪力墙：能有效抵抗水平荷载的墙体，又称结构墙或抗震墙。

结构特点：抗侧刚度大，侧移小；室内墙面平整；平面布置不灵活；结构自重大，吸收地震能量大；施工较麻烦，造价较高。适用范围：150m以内的高层住宅和高层旅馆。剪力墙的分类：按截肢墙面长度与宽度之比定义。

短肢剪力墙与筒体或普通剪力墙结构一同作用时应满足的8点规定：①其最大适用高度应比剪力墙结构的规定值适当降低，且7度、8度抗震设计时分别不应大于100m和60m注：因为不完全是剪力墙，所以高度不能像剪力墙那样高。②抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％，以限制短肢剪力墙的数量。注：第一振型：第一次振动时振动的形态，第一振型来的时候，在相同的时间里，房子晃的次数少，但幅度大。也就是说，当地震来临的时候，筒体和一般剪力墙起到的作用要达到一半以上。③抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比剪力墙的抗震等级提高一级，从构造上改善短肢剪力墙的延性。延性，物理术语，是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。举例来说，金、铜、铝等皆属于有较高延性的材料。④抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值和轴压比，抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7；对无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限制相应降低0.1，以改善剪力墙的延性。注：轴压比：柱子所受的轴力除以柱子的混凝土所能承受的压力。限制柱轴压比主要是为了控制柱的延性，因为轴压比越大，柱的延性就越差，在地震作用下柱的破坏呈脆性。翼缘：一个构件的截面（无论它是砼的、钢的、或别的材料）只要是工形、T形、丄形、土形、[形等等由横、竖部件组成的形状，横的部件就叫翼缘，而竖的部件叫腹板。⑤抗震设计时，除了底部短肢剪力墙按规范设计外，其余各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2，以避免短肢剪力墙过早破坏。⑥抗震设计时，短肢剪力墙截面全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2％，其他部位不宜小于1.0％。⑦短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。⑧7度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘。一字型短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁，以避免一字形短肢剪力墙平面外丧失稳定性。3.框架-剪力墙结构特点：兼有框架结构和剪力墙结构二者的优点。适用：150m以内的高层建筑。4．筒体结构特点：空间结构，刚度很大，受力好。适用：超高层建筑。①筒中筒结构内筒--钢筋剪力墙+连梁外筒--密柱+裙梁连梁：连接墙肢与墙肢，指的是两端与剪力墙相连且跨高比小于5的梁。裙梁：高层建筑筒体结构中，连接外筒柱的梁。（高层建筑中，常取上下层窗之间的高度作为裙梁高度，其刚度要比框架梁的刚度大很多，也称窗裙梁）。约旦一所水泥厂的筒中筒结构②框架核心筒结构钢筋混凝土核心筒（主要抗侧结构）+周边框架（柱距较大）③框筒框架结构：外围为密柱框筒，内部为普通框架柱④多重筒结构两个以上的筒体互相包围其中⑤成束筒结构由两个以上的框筒或其他筒体排列成束状。称为成束筒⑥多筒体结构与成束筒相比，不单单是几个筒体平面上挨在一起，每几个筒体的外侧也相连。注：①转换结构构件：完成上部楼层到下部楼层的结构形式的转变或上部楼层到下部楼层结构布置改变而设置的结构构件，如转换梁、转换板等。结构形式：木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构等结构布置：框架、剪力墙、框架剪力墙、筒体等②转换层：设置转换构件的楼层，包括水平结构构件及其以下的竖向结构构件。5．其它结构如多塔结构、连体结构、带转换层结构、带加强层结构、错层结构等复杂结构。此外还有巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂结构、高层混合结构、带加强层结构、错层结构、多塔结构、连体结构等。巨型结构特点：分两级结构，第二级为一般框架，只承受竖向荷载，并将其传递给第一级。第一级结构承受全部水平荷载和竖向荷载。巨型结构适用于超高层建筑。①多塔结构：底部相连、上部独立、多个高层建筑的底部有一个连成整体的大裙房，形成大底盘，即大底盘多塔结构。裙房：也称裙楼，底部面积较上部面积大的建筑。②连体结构：指的是除了裙房之外，两个或者两个以上的塔楼之间带有连接体的结构

③带转换层的结构：④带加强层结构⑤错层结构错层结构是指在建筑中同层楼板不在同一高度,并且高差大于梁高(或大于500mm)的结构类型。美观、耳目一新、自然地理条件所限。⑥悬挂结构：将楼面系统的荷载通过吊杆传递到悬挂在竖立井筒上的水平桁架上，再由桁架传递到结构直至基础的结构。桁架：主要承受轴向力的直杆在相应的节点上连接成几何不变的格构式的承重结构图香港汇丰银行大厦（43层，高180m，悬挂结构）

⑦巨型结构：a定义：整幢结构用巨柱、巨梁、巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架，相邻立面的支撑交会在角柱，形成巨型空间桁架结构。b特点：材料尽量舒展、抗侧刚度大、满足多种立面需求，分两级结构，第二级为一般框架，只承受竖向荷载，并将其传递给第一级。第一级结构承受全部水平荷载和竖向荷载。巨型结构适用于超高层建筑。图香港中国银行大厦

（71层，高369m，巨型钢桁架结构）（1）

适用高度

分A级高度和B级高度，B级高度允许的高度比A级的高一些，但是在建筑结构的规则性、结构抗震等级划分、作用效应计算和构造措施方面的要求比A级也严一些。具体规定见表。

各类房屋的适用高度和高宽比：表2.2A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)

结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度0.20g0.30g框架7060504035--框架-剪力墙1501301201008050剪力墙全部落地剪力墙1501401201008060部分框支剪力墙1301201008050不应采用筒体框架-核心筒1601501301009070筒中筒20018015012010080板柱-剪力墙11080705540不应采用框支剪力墙：指的是结构中的局部，部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将荷载传至框架柱上，这样的梁就叫框支梁，柱就叫框支柱，上面的墙就叫框支剪力墙。这是一个局部的概念，因为结构中一般只有部分剪力墙会是框支剪力墙，大部分剪力墙一般都会落地的。注：

0.20g表示该地区的设计基本地震加速度值为重力加速度的0.2倍.对应的抗震设防烈度为8度房屋高度指室外地面至主要屋面的高度,不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度；表中框架不含异形柱框架结构；平面和竖向均不规则的结构，最大适用高度应适当降低；甲类建筑（抗震要求最高的建筑），6、7、8度时宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合本表的要求，9度时应专门研究；9度抗震设防、房屋高度超过本表数值时,结构设计应有可靠依据,并采取有效措施。表2.3

B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)结构体系非抗震设计抗震设防6度7度8度0.20g0.30g框架-剪力墙170160140120100剪力墙全部落地剪力墙180170150130110部分框支剪力墙15014012010080筒体框架-核心筒220210180140120筒中筒300280230170150框架结构、板柱-剪力墙结构以及9度设防的各类结构，因研究成果和工程经验尚显不足，未列入B级高层中。

(2)高宽比高宽比是指房屋的总高度与总宽度（最小宽度）的最大比值，房屋结构刚度、整体稳定、承载力和经济合理性的宏观控制。高宽比的限值见表2-3。表2.4钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比结构类型非抗震设计抗震设防烈度6、7度8度9度框架板柱-剪力墙框架-剪力墙、剪力墙框架-核心筒筒中筒567884567834567----445复杂体型的高层建筑，如何计算高宽比？

一般情况下，可按所考虑方向的最小宽度计算高宽比，但对突出建筑物平面很小的局部结构（如楼、电梯间等），一般不应包含在计算宽度内；对于不宜采用最小宽度计算高宽比的情况，应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法；对带有裙房的高层建筑，当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时，计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上塔楼结构考虑。1.水平承重结构的主要类型及特点---楼盖结构的型式及选择水平承重结构对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用。(1)普通肋形楼盖特点：板薄，砼用量少，自重轻，施工方便，较经济。但板底不平，可能影响美观和使用。类型：单向板肋形楼盖;双向板肋形楼盖;井式楼盖.2.2.3水平承重结构型式及选择注：单向板和双向板楼板承受着竖向荷载，当板面较大时可设梁将板划分成多个区格。单向板---两对边支承的板。双向板---四边支承的板。①按单向板设计的双向板荷载向两个方向传递的多少，将随着板区格的长边计算跨度l02与短边计算跨度l01的比值而变化。当l02/l01的比值较大时，板上的荷载主要沿l01方向传递给支承构件，而沿l02方向传递的荷载很少，以至可以略去。这种主要沿短跨受弯的板为按照单向板计算的双向板，又称梁式板。此板的受力钢筋应沿短向配置，沿长向仅按构造配筋。l02l01构造筋：就是按国家建筑结构设计规范的强制要求布设、不用经设计人员重新计算的配筋，就是构造配筋，如单向受力板中长向配筋、柱子核心区加密等。eg：一般情况下讲构造筋都是在梁里面的。由于梁的高度过大，一般超过500mm，上边受压筋和下部受拉筋相距较远,中间如果没有构造钢筋,容易造成混凝土开裂,所以要配构造钢筋.同时也好控制上下钢筋的相对位置.简而言之，构造筋就是不用进行设计计算，直接按照规范的要求配置即可。②按双向板设计的双向板当l02/l01的比值较小时，沿长跨方向传递的荷载将不能略去，这种在两个方向受弯的板称双向板。双向板的受力钢筋应沿两个方向配置。工程设计中：l02/l01>3时按单向板设计；l02/l01≤3时按双向板设计。(2)无梁楼盖①实心平板:非预应力砼平板无粘结预应力砼平板②空心平板:板厚30cm至40cm，内埋大孔空心管。

楼盖的结构形式（a）单向板肋形楼盖；（b）双向板肋形楼盖；（c）井式楼盖；（d）密肋楼盖；（e）无梁楼盖(3)组合式楼盖压型钢板—砼楼板钢梁—砼板组合楼盖网架楼盖图2.8组合式楼盖

2．水平承重结构的选择---楼盖结构应满足的要求房屋高度超过50m时，框架-剪力墙结构、筒体结构及复杂高层建筑结构应采用现浇楼盖结构；剪力墙结构和框架结构宜采用现浇楼盖结构。房屋高度不超过50m时，8、9度抗震设计的框架-剪力墙结构宜采用现浇楼盖结构；6、7度抗震设计时可采用装配整体式楼盖且应符合下列要求：

①无现浇叠合层的预制板，板端搁置在梁上的长度不宜小于50mm。②预制板板端宜预留胡子筋，其长度不宜小于100mm。③预制空心板孔端应有堵头，堵头深度不宜小于60mm，并应采用强度等级不低于C20的混凝土浇灌密实。④楼盖的预制板缝上缘宽度不宜小于40mm，板缝大于40mm时应在板缝内配置钢筋，并宜贯通整个结构单元。现浇板缝、板缝梁的混凝土强度等级宜高于预制板的混凝土强度等级。⑤楼盖每层宜设置钢筋混凝土现浇层。现浇层厚度不应小于50mm，并应双向配置直径不小于6mm、间距不大于200mm的钢筋网，钢筋应锚固在梁或剪力墙内。注：楼盖按施工方法的分类：现浇式装配式装配整体式①现浇式楼盖：现场浇筑混凝土。现浇楼盖刚度大，整体性好，抗震抗冲击性能好，防水性好，对不规则平面的适应性强；其缺点是费工、费模板，施工工期长。②装配式楼盖、屋盖：由预制构件在现场安装连接而成，有节约劳动力，加快施工进度，便于工业化生产和机械化施工等优点，但结构的整体性和刚度较差，在我国多层住宅中应用最为普遍。③装配整体式楼盖、屋盖：是将各预制梁或板(包括叠合梁、叠合板中的预制部分)，在现场吊装就位后，通过整结措施和现浇混凝土构成整体，这种楼盖兼有预制及现浇楼盖的优点，抗震性能较好，因此近年来在抗震结构中应用较多。注：a：预制板板缝的上缘宽度：预制板的下面的面积要大于上面的面积，安装后，板缝下窄上宽，上缘宽度就是上面板和板之间的距离。b：胡子筋：胡子筋指的是框架柱与填充墙间拉结筋,一般是支模板时预留,外侧放置在柱保护层,砌筑墙体时再剔出来。c：空心板端堵头：空心板两侧的空管需要堵上，以防在浇筑混凝土的时候把整个管都堵满，而且在空心板搭接在梁或墙的时候起到抵抗内力的作用。（3）下列部位应采用现浇楼盖结构：房屋的顶层、结构转换层、大底盘多塔楼结构的底盘顶层、平面复杂或开洞过大的楼层、作为上部结构嵌固部位的地下室楼层。其板厚和配筋均有特殊要求（P21）。（4）现浇预应力混凝土楼板厚度可按跨度1/45~1/50采用，且不宜小于150mm。（5）现浇预应力混凝土板设计中应采取措施防止或减小主体结构对楼板施加预应力的阻碍作用。注：现浇预应力混凝土结构中，楼板与梁、柱和剪力墙等主要抗侧力结构连接在一起的，如果不采取措施，则施加楼板预应力时，不仅压缩了楼板，而且大部分预应力将施加到主体结构上，使得楼板得不到充分的压缩应力，而对梁、柱和剪力墙则产生附加侧向力，同时产生附加位移且不安全。应采用合理的施工方案，如设置后浇带等，避免在楼板以外的各抗侧力构件中产生对结构不利的张拉次应力。2.2.4高层建筑下部结构的选型---

基础型式及选择1.柱下独立基础适用：层数不多、土质较好的框架结构。当地基为岩石时，可采用地锚将基础锚固在岩石上，锚入长度≥40d。2.交叉梁基础双向为条形基础。

适用：层数不多、土质一般的框架、剪力墙、框架—剪力墙结构。

图2.9交叉梁基础

图2.10交叉梁与上部结构连接

筏形基础亦称片筏基础、筏板基础。当建筑物上部荷载较大而地基承载能力又比较弱时，用简单的独立基础或条形基础已不能适应地基变形的需要，这时常将墙或柱下基础连成一片，使整个建筑物的荷载承受在一块整板上，这种满堂式的板式基础称筏形基础。筏形基础由于其底面积大，故可减小基底压力，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。3.片筏基础适用：层数不多土质较弱或层数较多土质较好时用。图2.11带墩基的片筏基础

图2.12梁板式片筏基础4.箱形基础适用：层数较多、土质较弱的高层建筑。图2.13箱形梁基础剖面图

5.

桩基础适用：地基持力层较深时采用。6.

复合基础适用：层数较多或土质较弱时采用。

图2.14桩基础图2.15桩筏基础图2.16桩箱基础2.3高层结构的结构布置结构布置原则：满足使用要求，并尽可能地与建筑的平、立、剖面划分相一致。满足人防、消防要求，使水、暖、电各专业的工作能有效进行。结构上受力可靠，变形小。妥善处理温度、地基不均匀沉降以及地震影响。施工简便。经济合理。2.3.1平面布置要点1、一般原则：每一独立结构单元的结构布置应满足以下要求：简单、规则、均匀、对称。承重结构应双向布置，偏心小，构件类型少。平面长度和突出部分应满足表2.5要求，凹角处宜采用加强措施。施工简便,造价省。设防烈度L/Bl/Bmaxl/b6度和7度≤6.0

≤0.35

≤2.0

8度和9度≤5.0

≤0.30

≤1.5

表2.5L、l的限值图2.17建筑平面注：各个字母的含义：L：横向方向的长度最大值l：竖向方向突出部分的长度B/Bmax：横向方向的宽度/宽度最大值b：竖向方向突出部分的宽度2、平面形状的选择：(1)应尽可能的采用对抗风有利的平面形状，如圆形、正多边形、椭圆形等；尽量避免不利抗风的平面形状，如V形、Y形、H形等。(2)平面过于狭长的建筑物在地震时容易产生不规则振动，造成较大的震害。平面有较长的外伸时，外伸段容易产生局部振动而引发凹角处破坏。

(3)角部重叠和细腰的平面容易产生应力集中使楼板开裂、破坏，如书中P24图2.18。(4)B级高度的结构中、复杂竖向的结构中，平面的选型更应严格要求，做到简单、规则、减小偏心。(5)楼板有较大凹入或者开有大面积洞口后，中间部分较为薄弱，需对其尺寸要有限制，如书中P25图2.19.(6)楼梯和电梯间无楼板而使楼面产生较大削弱，应将楼梯和电梯间周边的楼板加厚，并加强配筋。(7)楼板较长、较大凹入、较大开洞时，应满足下列要求：①有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50％。②开洞总面积不宜超过楼面面积的30％。③除去凹入或者开洞后，楼板在任意方向的最小净宽度不宜小于5m，且开洞后每边的楼板净宽度不应小于2m。(8)艹字形、#字形等外伸长度大的建筑，应加强楼板及其连接部位的构造措施，必要时可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板。(9)楼板开大洞后需采取的措施：①加厚洞口附近的楼板，提高楼板的配筋率，采用双层双向配筋。②洞口边缘设置边梁、暗梁。③在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。注：边梁分为外边梁和内边梁。

外边梁是指建筑物外周边的梁，该梁除了承受楼盖的荷载外同时承受维护结构、风力、外悬构件的荷载。

内边梁是指建筑物内部墙体和楼板的荷载，一般该梁在楼梯间处，一边是楼梯间一边是楼板，该梁对室内棚上面无任何影响。不规则的类型定义扭转不规则楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移,大于该楼层平均值的1.2倍。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之比大于0.85。凹凸不规则结构平面凹进的一