高层框架筒体结构分解[详细]

1、型钢（钢管）混凝土框架钢筋混凝土筒体混合结构在高层建筑设计中的应用与研究,讲课内容,Page 2,钢与混凝土混合结构概述,混合结构：不同材料的构件共同组成的结构。 钢-混凝土混合结构：钢（或其他组合构件）与钢筋混凝土组成。与四大结构并列扩展成为五大结构 优点： 与钢筋混凝土结构对比： 1.结构构件尺寸小，占用建筑面积和净高小 2.结构自重轻，降低基础造价 3.施工速度快 4.抗震性能好,Page 3,钢与混凝土混合结构概述,优点： 与钢结构对比： 1.用钢量少 2.整体刚度好 3.结构防火防腐性能好 PS：钢与混凝土混合结构目前应用最多的就是钢筋混凝土筒体与型钢混凝土、钢管混凝土框架组成的结构

2、,Page 4,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的类型 1.型钢混凝土组合结构（SRC)：以型钢为钢骨并在周围配置钢筋和混凝土的埋入式组合结构体系 型钢可分为实腹式和空腹式两大类。 实腹式型钢常用截面有I、H、L、T、十字形以及矩形和圆形钢管等。 空腹式型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成 空腹式型钢比较节省材料，但制作费用较多，实腹式型钢制作简便，承载能力大,Page 5,钢与混凝土混合结构概述,Page 6,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的类型 2. 钢管混凝土组合结构：由混凝土填入薄壁型钢内而形成的组合结构材料，按截面形状的不同分为圆钢管混凝土、方钢管混凝凝土，矩

3、形钢管混凝土及多边形钢管混凝土。,Page 7,钢与混凝土混合结构概述,Page 8,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的应用,Page 9,杭州瑞丰国际商务大厦（2001） 采用矩形钢管混凝土框架-筒体结构 是我国第一幢采用矩形钢管混凝土结构的高 层建筑,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的应用,Page 10,深圳帝王商业大厦（325m） 主楼采用矩形钢管混凝土柱为主体的芯筒-框 架体系,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的应用,Page 11,台北101大厦(508m) 采用钢管混凝土巨型框架体系,钢与混凝土混合结构概述,钢与混凝土混合结构的应用,Page 12,

4、武汉国际证券大厦（331.3m) 边柱采用方、矩形钢管混凝土柱,筒体结构,概念 以一个或多个筒体来抵抗水平力和竖向荷载的结构筒体结构。 空间薄壁筒体平面剪力墙组成 空间密柱框筒柱距很小的框架柱组成 框架、剪力墙以及框架-剪力墙平面工作状态 筒体结构空间整体受力,特点： 将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体； 筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂空心柱体，结构空间刚度极大，抗扭性能也好； 筒体结构具有造型美观、受力合理、使用灵活，以及整体性强等优点，适用于高层和超高层建筑。目前全世界最高的100幢高层建筑约三分之二以上采用筒体结构，国内百米以上的高层建筑有一半以上采用筒体结构。,筒体结构

5、,筒体结构,筒体结构的类型,按筒体布置形式和数目的不同，可将筒体结构划分为框筒结构、筒中筒结构和框架-核心筒结构、多重筒结构、束筒结构。,筒体结构,1、框筒：周边密集的柱和高跨比很大的窗裙梁。,剪力墙构成的薄壁筒,密排柱及深群梁组成的框筒,筒体结构,薄壁内筒与密柱外框筒相结合 内筒体：筒体与竖向通道结合 外筒体：密柱外框筒，与建筑立面结合,2、筒中筒结构,筒体结构,3、框架核心筒体系,由若干个框架和筒体共同承重的结构体系,类型：框架和实腹筒体(框架-核心筒结构）、框架和空腹筒体（外筒内框结构）,筒体结构,筒体结构,筒体结构,南京金陵饭店 37层，108米，框架-筒体结构，1983年建成。,筒体

6、结构,广州中信大厦 37层，322米高，97年建成,筒体结构,上海金贸大厦采用的是框架核心筒结构，建筑物88层，高420.5米。钢筋混凝土核心筒呈八角形，周边8根钢骨混凝土柱底部截面1.5mX5m，柱中配置2根焊接H型钢。,筒体结构,金茂大厦内部结构,筒体结构,香港中环中心广场 60层，374米，92年建成。,筒体结构,马来西亚双塔楼 88层，450米，框筒结构，1996年建成。,筒体结构,框架-核心筒结构可以做成钢筋混凝土结构、钢结构或混合结构。 在钢筋混凝土框架-核心筒结构中，外框架由钢筋混凝土梁和柱组成，核心筒采用钢筋混凝土实腹筒； 在钢结构中，外框架由钢梁、钢柱组成，内部采用有支撑的钢

7、框架筒。,筒体结构,由于框架-核心筒结构的柱数量少，内力大，通常柱的截面都很大，为减小柱截面，常采用钢骨混凝土、钢管混凝土等构件做成框架的柱和梁，与钢筋混凝土或钢骨混凝土实腹筒结合，就形成了混合结构。,筒体结构,4、多重筒结构,内筒小，平面尺寸大，楼盖跨度大，故在内外筒之间增设一圈柱或剪力墙并将之联系起来形成筒。,筒体结构,5、束筒结构,使用条件：当建筑高度或其平面尺寸进一步加大，以至于框筒或筒中筒结构无法满足抗侧力刚度要求时，必须采用多筒体系 两个以上框筒（或其它筒体）排列在一起成束状，称为成束筒。,筒体结构,美国西尔斯大厦 110层，443米，束筒钢结构，1974年建成。 允许位移900m

8、m，实测460mm。 用钢76000吨，砼55700立方米，安装了102部高速电梯。,150层,5166层,6790层,91层以上,筒体结构,讲课内容,Page 33,结构的弹性分析,地震作用的特点及抗震设防目标 地震时，地震释放的能量以地震波的形式向四周扩散，到达地面后引起地面运动，并通过房屋影响上部结构，使结构产生动态作用，这就是地震作用。（水平地震作用） 地震作用使建筑物产生的运动称为地震反应，包括位移、速度、加速度，加速度将产生很大的内力和变形。 地面运动特性可以用三个特征量描述：强度、频谱、持续时间 房屋的动力特性指房屋的自振周期、振型、阻尼 抗震设防目标（三水准设防目标）：小震不坏

9、，中震可修，大震不倒,Page 34,结构的弹性分析,抗震设计反应谱法 反应谱法是用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱；再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载，然后按静力方法进行结构计算及设计的方法。 质点的运动方程：,Page 35,结构的弹性分析,如果地面运动已知，便可求出质点的位移、速度、加速度 反应，反应最大值分别表示为Sd、 Sv、 Sa,当质点体系的自 振周期改变时，就会得到不同的最大反应值，画出Sd、 Sv 、 Sa与周期的关系曲线，就得到位移反应谱、速度反应谱 和加速度反应谱。,Page 36,结构的弹性分析,抗震设计反应谱法 最大惯性力：,Page

10、37,结构的弹性分析,我国抗震规范根据255条地震加速度记录计算得到的反应谱曲线，经过处理后得到的标准反应谱地震影响系数作为设计反应谱曲线,Page 38,结构的弹性分析,等效地震荷载计算 通过加速度反应谱将地震惯性力处理成等效水平地震荷载，按x、y两个方向分别计算地震作用。具体计算方法又分为反应谱底部剪力法和反应谱振型分解法两种方法。少数情况下需要采用弹性时程分析法做补充计算。,Page 39,结构的弹性分析,反应谱底部剪力法 我国建筑抗震设计规范、高层建筑混凝土结构技术规程规定：高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可以采用底部剪

11、力法等简化方法,Page 40,结构的弹性分析,反应谱底部剪力法,Page 41,当结构基本周期较长，场地特征周期较小时，计算所得的结构顶部地震作用偏小 T11.4Tg,42,结构的弹性分析,结构的弹性分析,振型分解反应谱法 我国建筑抗震设计规范规定：除高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。高层建筑混凝土结构技术规程规定：高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法,Page 43,结构的弹性分析,振型分解

12、反应谱法 进行非耦联分析时先求出各振型等效地震荷载后，按静力法分别计算各个振型的内力，然后按照平方和的平方根法进行确定：,Page 44,其中m为参加组合的振型数目； Sj为由第j振型等效地震荷载求出的弯矩、剪力、轴力或位移 S为振型组合后的弯矩、剪力、轴力或位移,结构的弹性分析,振型分解反应谱法 进行耦联分析时要考虑各振型间的相互影响（CQC）：,Page 45,其中jr为j振型与r振型的耦联系数 t为由第j振型与r振型的周期比,结构的弹性分析,振型分解反应谱法 考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，按下列公式取较大值：,Page 46,其中sx为仅考虑x向水平地震作用时的地震作用效应

13、sy为仅考虑y向水平地震作用时的地震作用效应,结构的弹性分析,反应谱法的优缺点 优点：通过反应谱值将结构的动力反应转化为作用在结构上的静力，计算容易，加速度反应谱值是加速度反应的最大值，用它设计一般是安全的。,Page 47,缺点：（1）只考虑了地面运动中的加速度分量 （2）反应谱是通过单自由度体系计算得到的，应用在多自由度体系时，只能将结构分解为许多独立的振型，每个振型作为一个单自由度结构，得到对应的反应谱值和对应的惯性力，然后通过振型组合得到多自由度结构的内力与位移，振型组合采用的方法是从概率统计方法得到的，计算粗糙 （3）未考虑结构可能出现的塑形和塑形变形的积累过程,结构的静力弹塑性分析

14、,基本原理 静力弹塑性分析是在结构上施加一组静力（竖向荷载和水平荷载），考虑构件从开裂到屈服，刚度逐步改变的弹塑性计算方法。计算时竖向荷载不变，水平荷载由小到大逐步加载，每一步会有部分构件屈服，屈服的构件需要改变刚度，重新建立刚度矩阵，在增量荷载作用下再进行分析，得到的结果叠加在前一步的计算结果上，如此逐步计算，直到结构达到其极限承载力或极限位移，结构倒塌。（推覆分析）,Page 48,结构的静力弹塑性分析,基本步骤 第一部分：建立侧向荷载作用下结构荷载-位移曲线图 第二部分：对结构抗震能力的评估,Page 49,结构的静力弹塑性分析,建立侧向荷载作用下结构荷载-位移曲线图 1.准备结构数据：

15、包括建立结构的计算模型、构件的物理参数和力-变形关系。 2.确定侧向荷载的分布形式 3.侧向荷载增加到最薄弱的构件达到刚度发生明显的变化，一般达到结构屈服荷载或构件达到屈服承载力，对屈服后的构件刚度予以修正，继续加载 4.重复步骤3，直到更多构件达到屈服承载力,Page 50,结构的静力弹塑性分析,建立侧向荷载作用下结构荷载-位移曲线图 5.所有加载阶段构件内力和变形都应记载下来，以期获得各个阶段所有构件的总内力和变形（弹性和塑形） 6.加载过程继续到结构性能达到不可接受的水平，或者顶点位移超过设计地震作用下控制点处的最大位移 7.做出控制点处的位移和底部剪力在不同加载阶段的关系曲线作为代表结

16、构的非线性反应图,Page 51,结构的静力弹塑性分析,建立侧向荷载作用下结构荷载-位移曲线图,Page 52,结构的静力弹塑性分析,建立侧向荷载作用下结构荷载-位移曲线图,Page 53,结构的静力弹塑性分析,结构抗震能力的评估 通过推覆分析得到的荷载-位移曲线后，还不能立即用图上某一点的位移确定为代表结构抗震性能的“目标位移”与规范规定的容许变形限值来做比较，以确定结构的抗震能力是否达到要求。目前有两种方法来评估结构的抗震能力：“承载力谱法”和“目标位移法”,Page 54,结构的静力弹塑性分析,水平加载分布模式 逐级施加的水平侧向力沿高度的分布模式 1.均布加载模式,Page 55,适宜

17、于刚度与质量沿高度分布较均匀，薄弱层为底层的结构,结构的静力弹塑性分析,水平加载分布模式 2.倒三角分布水平加载模式 水平侧向力沿结构高度分布与层质量和高度成正比,Page 56,结构的静力弹塑性分析,水平加载分布模式 3.抛物线分布水平加载模式 水平侧向力沿高度呈抛物线分布的加载方式,Page 57,结构的静力弹塑性分析,水平加载分布模式 3.多振型组合水平加载模式 基于结构瞬时振型分解反应谱法平方和开平方，决定水平 侧向力分布加载方式,Page 58,结构的静力弹塑性分析,静力弹塑性分析的主要功能 （1）得到结构承受水平荷载作用时内力和变形的全过程，得到结构的最大承载能力和极限变形能力，包

18、括层间位移角和顶点位移等重要指标；可以估计相对设计荷载而言的结构承载力的安全储备大小。 （2）得到第一批塑性铰位置和各个阶段的塑性铰出现的次序和分布状态，可以判断结构是否符合强柱弱梁、强剪弱弯等设计要求。,Page 59,结构的静力弹塑性分析,静力弹塑性分析的主要功能 （3）得到不同受力阶段下楼层侧移和层间位移角沿高度的分布，结合塑性铰的分布情况可以检查是否存在薄弱层 （4）得到不同受力阶段结构各部分塑形内力重分布的情况，结合塑性铰分布，检查设计的多道设防意图能否实现。 （5）得到结构每一层的层剪力和层间位移角曲线 （6）得到结构中承载力-顶点位移全曲线,Page 60,弹塑性动力时程分析,1

19、971年美国圣费尔南多地震的震害使人们认识到了持时的重要 性，从而推动了按地震动力加速度过程计算结构反应过程的动 力法的研究。 动力法把地震作为一个时间过程，将建筑物简化为多自由度体 系，选择能反应地震和场地环境以及结构特点的地震加速度时 程作为地震动输入，计算出每一时刻建筑物的地震反应，从而 根据地震反应作用与其他荷载作用的组合来完成抗震设计工作,Page 61,弹塑性动力时程分析,我国建筑抗震设计规范规定：特别不规则的建筑、甲类建 筑和表中列出的高层建筑，应采用时程分析方法进行多遇地震 下的补充计算,Page 62,弹塑性动力时程分析,我国高层建筑混凝土结构技术规程规定：7-9度抗震设防

20、的高层建筑，下列情况下应采用弹性时程分析法进行多遇地震 下的补充计算： （1）甲类高层建筑 （2）上表列出的乙、丙类高层建筑 （3）复杂高层建筑结构 （4）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构,Page 63,弹塑性动力时程分析,Page 64,弹塑性动力时程分析,Page 65,弹塑性动力时程分析,时程分析的地震动输入 时程地震波的波形是有场地振动加速度来确定的，不仅要掌握 最大波幅值和地震波的持续时间，振幅的包络形状，还要掌握 与结构振动周期相对应的波动成分。 选择地震输入时要满足强度、频谱特性、强震持续时间三个方 面的要求,Page 66,弹塑性动力时程分析,结构的力学模型 对于多层或

21、高层建筑结构，由于弹塑性动力分析是一个非常复 杂的问题。高层建筑结构在地面运动下做动力分析时，一般将 结构作为多质点体系，考虑两个方向的水平振动。对于质量和 刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑双向水平振动和楼面 扭转影响。 层模型、杆系模型、单柱框架模型,Page 67,弹塑性动力时程分析,层模型是将结构质点质量分别集中在各楼层处，各楼层间的抗 侧力构件合并为一根杆，用结构每层的侧移刚度代表竖向杆的 刚度，形成一个底部嵌固的串联质点系模型（弯曲形、剪切型、 剪弯型）,Page 68,弹塑性动力时程分析,层模型基本假定： （1）建筑各层楼板在其自身平面内刚度无穷大。水平地震作用 下各层竖向构件

22、侧向位移相同。 （2）建筑刚度中心与其质量中心重合，水平地震作用下无绕竖 轴扭转变形 优点：结构的自由度数目大大减小，时程分析复杂程度降低,Page 69,弹塑性动力时程分析,杆系模型是以结构中的梁、柱作为模型的基本分析单元，根据各 构件的受力特点不同，选取不同的单元力模型和相应的恢复力滞 回模型，进行结构的弹性或弹塑性地震反应分析。,Page 70,杆系模型比层模型更能真实的反应构件实际情况， 适用于强柱弱梁型框架、框剪体系。它可以计算分 析各杆件的内力与变形，找出各杆屈服的先后顺序 缺点是杆件多，计算工作量大,弹塑性动力时程分析,单柱框架模型是以杆件作为基本计算单元，计算结果，不论层间 剪

23、力、层间位移还是梁柱破坏状态与普通框架颇为接近。,Page 71,弹塑性动力时程分析,恢复力是指结构或构件在外荷载消失后可恢复原来变形状态的能 力，恢复力滞回曲线反映了结构或构件荷载与变形之间的关系， 反映了构件的强度、刚度、延性、耗能能力等力学特性。 恢复力模型可分解为骨架曲线、滞回规则 骨架曲线是把反复试验下构件的滞回曲线每一循环的峰值连接起来形成的包 络线，滞回规则规定了构件在卸载和卸载后反向加载时的刚度强度变化规律 钢管或型钢混凝土结构是介于钢筋混凝土结构和钢结构之间的一 种结构，它兼有钢筋混凝土和钢结构的一些特点，构件恢复力特 性也介于两者之间。,Page 72,弹塑性动力时程分析,

24、克拉夫退化双线性模型 针对钢筋混凝土受弯构件提出的,Page 73,滞回规则：加载时先沿骨架曲线循行，卸载 时至零载再反向加载,弹塑性动力时程分析,武田三线性模型 武田等人在克拉夫双线性模型基础上建立的，适用于弯曲变形为 主的情况，此模型考虑了混凝土开裂对构件刚度的影响,Page 74,弹塑性动力时程分析,修正武田模型 江户、武田在武田模型基础上针对钢筋混凝土柱较大变形时易出 现钢筋滑移的特性提出的,Page 75,弹塑性动力时程分析,Takada三折线刚度退化模型 针对钢筋混凝土柱在低周期荷载作用下,Page 76,弹塑性动力时程分析,动力方程求解,Page 77,弹塑性动力时程分析,动力方

25、程求解,Page 78,讲课内容,Page 79,工程实例分析,Page 80,工程实例分析,Page 81,工程实例分析,三种方案 钢筋混凝土框架核心筒结构、型钢混凝土框架钢筋混凝土核心筒 结构、钢管混凝土框架钢筋混凝土核心筒结构,Page 82,三种方案相应楼层的梁、板及钢筋混凝土核心筒截面形式及尺寸都 是相同的，只是框架柱采用不同的形式,工程实例分析,结构空间有限元分析 轴压比公式 对结构进行承载力验算时，轴压比是影响柱延性的主要因素之一， 随着轴压比的增大，延性降低。轴压比限值是保证框架柱延性性能 和耗能能力的必要条件 钢筋混凝土 型钢混凝土 钢管混凝土,Page 83,工程实例分析,

26、结构空间有限元分析 建筑抗震设计规范、高层建筑结构技术规程、型钢混凝 土组合结构技术规程、钢管混凝土结构设计与施工规程,Page 84,工程实例分析,结构空间有限元分析 型钢混凝土轴压比限值的取值比钢筋混凝土柱轴压比的取值偏严一 些，这是因为在型钢混凝土柱中，箍筋是按构造要求配置的，而钢 管混凝土柱一般可控制构件长细比而不限轴压比，主要是因为用作 受压构件的钢管混凝土，由于钢管对混凝土的紧箍作用，使混凝土 的抗压强度大大提高，而且还由脆性材料转变为塑形材料；同时由 于内部混凝土的存在提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可 以充分利用。,Page 85,工程实例分析,结构空间有限元分析（SAT

27、WE、PMSAP） 方案一,Page 86,工程实例分析,结构空间有限元分析（SATWE、PMSAP） 方案二,Page 87,工程实例分析,结构空间有限元分析（SATWE、PMSAP） 方案三,Page 88,工程实例分析,三种方案计算分析结果比较（pkpm) 地震作用下层间位移角曲线,Page 89,工程实例分析,三种方案计算分析结果比较（pkpm) 地震作用下层间位移角曲线,Page 90,工程实例分析,三种方案计算分析结果比较（pkpm) 地震作用下层间位移角曲线,Page 91,工程实例分析,三种方案计算分析结果比较（pkpm) 三个方案结构弹性分析X方向最大层间位移角分别为1/88

28、1、1/878 、1/865,Y方向最大层间位移角1/1006、1/1000、1/1017，小于规 范中关于框架核心筒结构的弹性层间位移角1/800，X方向的地震 力起控制作用。 型钢混凝土柱代替钢筋混凝土柱，截面面积减小了34%，钢管混凝 土柱代替钢筋混凝土柱截面面积减小了55.8%，但是位移角只是略 有增加，说明结构的侧移刚度减小甚微。,Page 92,工程实例分析,弹性动力时程分析 1.地震波的选择 建筑抗震设计规范提出了选择地震波的原则：采用时程分析法 时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震 记录和一组人工模拟的地震加速度时程曲线,Page 93,工程实例分析,弹性

29、动力时程分析 1.地震波的选择,Page 94,工程实例分析,弹性动力时程分析 计算参数,Page 95,工程实例分析,弹性动力时程分析,Page 96,工程实例分析,弹性动力时程分析,Page 97,工程实例分析,弹性动力时程分析 1.RH3TG045波对结构的影响最大，这表明RH3TG045波的特征周期与此结构建 筑场地的基本周期最接近，因此它的影响最大，我们对结构的分析就是从最不利 因素入手，使结构设计更加安全合理。 2.弹性时程分析时结构的楼层位移和层间位移角都比较小，均小于振型分解反应 谱法的计算结果，三个方案的结构设计仍由振型分解反应谱法的计算值来控制。 3.三条地震波作用下型钢混凝土结构、钢管混凝土结构在地震作用下的最大楼层 位移和最大楼层位移角均比钢筋混凝土略有增加，进一步说明虽然型钢混凝土柱 和钢管混凝土柱的截面尺寸比钢筋混凝土柱减小很多，但侧移刚度减小甚微，体 现了良好的抗震性能。,Page 98,工程实例分析,弹塑性静力分析（pushover） 三方案延性分析，用延性比度量,Page 99,由弹塑性分析的结果文件可知，三个方案的最大延性比：2.92、 3.09、3.02,工程实例分析,弹塑性静力分析（pushover） 整个结构延性比较好，由于方案二和方案三