高层建筑结构设计.ppt

高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,吴方伯 教授 电话E-mail：,湖南大学土木工程学院,Page 2,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,绪论,一、本课程讲授的主要内容,高层建筑的一般知识 高层建筑结构的体系与布置 高层建筑结构的荷载与设计要求 框架结构的计算 剪力墙的计算 框架剪力墙结构的内力和位移计算 扭转近似计算,Page 3,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、本课程的学习重点,以现行钢筋混凝土高层建筑结构设计规范、规程为重点，介绍高层钢筋混凝土结构的设计原理与方法 ; 能够进行高层钢筋混凝土结构，特别是高层框架结构、高层剪力墙结构和高层框架剪力墙结构的设计。,Page 4,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,三、本课程的学习方式,课堂讲授与自学相结合 讲课与作业相结合,四、主要参考文献,1.建筑结构荷载规范（GB 50009-2012） 2.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010) 3.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010) 4.混凝土结构设计规范（GB 50010-2010） 5.现行地基与桩基设计规范 6.赵西安，现代高层建筑结构设计，1999年 7.沈蒲生，高层建筑结构设计，2006 8.傅学怡，实用高层建筑结构设计，2010年,Page 5,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,第一章 高层建筑的一般知识,Page 6,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,一、高层建筑的定义（世界各国无统一的定义）,表1-1 一部分国家和组织对高层建筑起始高度的规定,Page 7,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,二、发展高层建筑的意义,图1-1 世界人口变化图,节约用地 节省城市基础设施费用 改善城市市容,Page 8,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,金茂大厦 Jinmao Building,【竣工日期】：1999年3月18日 【占地面积】：2.3公顷 【建筑面积】：29万平方米 【建筑层数】：地上88层， 地下3层 【建筑高度】：420.5米 【结构形式】：钢筋混凝土结构,三、典型工程（已建成）,Page 9,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,上海环球金融中心 Shanghai World Financial Center,【竣工日期】 ： 2008年8月29日 【用地面积】 ： 30,000 m2 【占地面积】 ： 14,400 m2 【建筑面积】 ： 381,600 m2 【建筑层数】 ： 地上101层、 地下3层 【建筑高度】 ： 492米 【结构形式】 ： 钢筋混凝土结构 （SRC结构）、 钢结构（S结构）,Page 10,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,台北101 TAIPEI 101,【竣工日期】 ：2003年10月。 【建筑层数】 ：地上101层、 地下5层 。 【建筑高度】 ：508米 。 【结构形式】 ：钢筋混凝土结构 新型的巨型结构,Page 11,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,吉隆坡石油双塔 The Petronas Twin Towers,【开工时间】：1993年12月27日 【竣工时间】：1996年2月13日 【占地面积】：40公顷 【建筑面积】：28.95万平方米 【建筑高度】：452米 【建筑层数】：88层,Page 12,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,广州塔（小蛮腰） Canton Tower,【竣工时间】：2009年9月 【占地面积】：17.546万平方米 【建筑面积】：11.4054万平方米 【建筑高度】：塔身主体454米， 天线桅杆156米， 总高度610米。 【建筑层数】：108层， 最细处在66层 【结构形式】：钢筋混凝土结构,Page 13,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,迪拜塔 Burj Dubai,【开工时间】：2004年9月21日 【竣工时间】：2010年1月4日 【建筑面积】：344,000万平方米 【建筑高度】：总高度828米。 当前世界第一高楼。 【建筑层数】：162层 【结构形式】：钢筋混凝土结构,Page 14,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,四、典型工程（未建成）,上海中心大厦 Shanghai Center Tower,【开工时间】：2008年11月29日 【竣工时间】：2015年投入使用 【建筑高度】：结构高度580米 总高度632米 【建筑层数】：127层 【结构形式】：钢筋混凝土核心筒 -外框架结构,Page 15,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,深圳证券交易所营运中心 Shenzhen International Trade Center,深圳证券交易所营运中心营运中心占地面积3.91万平方米，建筑总高度245.8米，建设规模约26.7万平方米，其中地上部分约为18.3万平方米，地下部分约为8.4万平方米。 深圳证券交易所营运中心营运中心大楼外观为立柱形，大厦底座被抬升至30多米形成一个巨大的“漂浮平台”，平台的“腰部”由一条鲜亮的红色光带“缠绕”，整体造型犹如一个漂亮的烛台。,Page 16,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,深圳平安国际金融中心 PingAn International Finance Center,“平安国际金融中心”共115层，18层为裙房，用作商业，8115层是办公区。带外伸臂的混合结构。本工程于2011年11月15日动工，工期45年，计划于2016年3月竣工。 设计高度为塔顶646米，屋面588米，该中心将成为深圳市标志性建筑物。,Page 17,高层建筑结构设计 Design of Tall Building structures,九龍倉长沙国际金融中心 Changsha International Finance Center,“九龍倉”位于长沙市五一商圈和中央商务核心区。 最高塔楼设计高度510米，建成后将成为湖南第一高楼，长沙市的新地标。项目计划于2016年全部建成。,Page 18,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,第二章 结构体系及布置,Page 19,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-1 引言,一、高层建筑结构的受力特点,当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快。图2-1是结构内力（N，M）、位移（）与高度的关系，弯矩和位移都成指数曲线上升。,内 力 或 位 移,=f (H4),M=f (H2),N=f (H),H,图2-1 结构内力、位移与高度的关系,Page 20,二、高层建筑结构设计的一般规定,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：,应具有必要的承载力、刚度和变形能力； 应避免因局部破坏而导致整个结构破坏； 对可能的薄弱部位要采取加强措施； 结构选型与布置合理，避免局部突变和扭转； 宜具有多道抗震防线。,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 21,三、高层建筑结构体系,多层和高层建筑抗侧力体系在不断的发展和改进，建筑高度也不断增高。 现在，多层和高层建筑结构体系大约可分为四大类型：,框架结构； 剪力墙结构； 框架剪力墙结构； 筒体结构。 各有不同的适用的高度和优缺点。,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 22,2-2 常用结构体系,框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是多层及高层建筑中传统的、广为应用的抗侧力体系； 在高度较大的高层建筑中，利用结构空间作用，又发展了：框架-筒体结构、框筒结构、筒中筒结构及多筒结构等多种抗侧力很好的结构体系。,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 23,一、框架结构 梁、柱、板构成,当采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同承受水平荷载时，称其为框架结构体系。,1、结构特点： 建筑平面布置灵活； 可形成大空间； 施工简便，较经济； 抗侧刚度小，侧移大； 对支座不均匀沉降敏感； 宜用于15层以下，最大 适用高度70m。,图2-2 框架结构示例,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 24,2、类别: 整体式框架整体现浇； 装配式框架构件预制； 装配整体式框架部分现浇、部分预制（采用叠合梁）。 3、承重分类： 横向框架承重； 纵向框架承重； 纵横向框架承重。,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 25,二、剪力墙结构剪力墙、梁、板构成,利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构，称为剪力墙结构体系。,结构特点： 抗侧刚度大； 整体性、抗震性好； 平面布置不灵活。 最大适用高度150-180m。,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,图2-3 剪力墙结构示例,Page 26,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,三、框架-剪力墙结构,结构特点： 剪力墙承受大部分水平荷载， 框架主要承受竖向荷载。 一般用于140-170m。,图2-4 框架-剪力墙结构示例,Page 27,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,四、筒体结构,1、框架-核心筒结构,结构特点： 类似框架-剪力墙结构。 最大适用高度160-220m。,图2-5 框架-核心筒结构示例,Page 28,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、筒中筒结构,结构特点： 刚度大、空间整体性好。 最大适用高度200-300m。,图2-6 筒中筒结构示例,Page 29,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3、多筒体结构,图2-7 多筒体结构示例,当建筑物高度大，受到的水平荷载较大，筒中筒结构的强度和刚度不能满足要求时，可以采用多重筒结构。 即：在建筑平面内也布置多个筒体，形成如图2-7所示的多筒体结构。,Page 30,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,五、其他结构,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。 适用于超高层建筑。,图2-8 新的竖向承重结构体系,巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂结构等。,Page 31,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-3 结构布置,1、柱网、层高按300mm进级，一般3m、3.3m、3.6m、3.9m、4.2m等。 2、主体结构不应采用铰接。 3、抗震不宜采用单跨框架。 4、填充墙宜用轻质墙，抗震设计如采用砌体填充墙应符合如下要求: （1）上、下层刚度不宜变化过大; （2）减小抗侧移刚度偏心； （3）避免形成短柱。 5、抗震不应采用砌体墙与框架梁混合承重。 6、抗震框架结构少量剪力墙位置产生较大刚度偏心时，宜将剪力墙减 薄，开竖缝等措施减小剪力墙的作用。,一、框架结构,Page 32,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,1、非抗震时宜双向布置剪力墙，抗震时避免单向布置剪力墙，抗侧移 刚度不宜过大。 2、不应采用全短肢剪力墙（h/b8）结构，其中，h为剪力墙墙肢截面高 度，b为剪力墙墙肢截面厚度。 3、剪力墙门窗洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。 4、H/B应大于2，防止地震力太大和受剪破坏，其中，H为剪力墙高 度，B为剪力墙宽度。,二、剪力墙结构,Page 33,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,1、剪力墙布置力求对称、均匀。 2、各层刚度中心位置力求一致。 3、剪力墙尽可能离开房屋重心，提高抗扭能力。 4、沿高度刚度不宜发生突变，避免产生局部摆动。 5、尽可能增加剪力墙承担的竖向荷载，从而可以减少钢筋的用量。 6、每道剪力墙承担的水平剪力不宜超过总水平剪力的40%。,三、框架剪力墙结构,Page 34,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-4 变形缝的设置,1、伸缩缝,减小温度变化和混凝土收缩对结构的影响而设置的缝，缝宽 t5cm。,表2-1 伸缩缝最大间距,采用后浇带可适当放宽伸缩缝间距：后浇带每3040m一道，带宽8001000mm；钢筋采用搭接，宜在2个月后浇筑。,Page 35,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3、防震缝,避免地震附加力对结构的影响而设置的缝，缝宽按规范要求设置。 防震缝最小缝宽应符合下列规定： （1）框架房屋，高度不超过15m 的部分，可取70mm；高度超过15m的部分，6度、7度、8度、9度相应每增加5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm。 （2）框架-剪力墙结构房屋可按第一项规定的70%采用，剪力墙结构房屋可按第一项规定的50%采用，但二者均不宜小于70mm。,2、沉降缝,避免不均匀沉降对结构的影响而设置的缝，缝宽t5cm。 沉降缝不但上部结构要断开，基础也要断开。,Page 36,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-5 结构高宽比控制,结构高宽比应控制在相应的范围内，保证抗侧移刚度和抗倾覆能力。,表2-2 A级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高宽比,Page 37,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-6 结构平面和竖向布置原则,二、竖向布置,体型规则、均匀、避免过大的外挑和内收；侧移刚度下大上小，逐渐均匀变化。,一、平面布置,结构平面应尽量设计成规则、对称而简单的平面形状，尽量减少因形状不规则产生结构扭转的可能性。,Page 38,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-7 楼盖结构,1、房屋高度超过50m时宜采用现浇楼盖； 2、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，6、7度抗震设计的框架或剪力墙结构可采用装配式楼盖。 3、楼盖结构型式：普通肋形楼盖、无梁楼盖、组合式楼盖等。,Page 39,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2-8 高层建筑的地基基础设计,高层建筑地基基础的设计应该因地制宜，主要取决于具体工程及所在地的工程地质状况和施工条件。 一、具有共性的三个必须遵循的设计原则： 1、适宜的地基（桩基）刚度，保证高层建筑的稳定和嵌固； 2、地基（桩基）的承载力控制，避免高层建筑在重力荷载、水平荷载等作用下发生地基破坏（主要是剪切破坏）。 3、重力荷载合力中心与基础（桩基）平面形心的重合，保证高层建筑的稳定和抗倾覆。,Page 40,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、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。,2、交叉梁基础 双向为条形基础 适用：层数不多、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,Page 41,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,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2-10 带墩基的片筏基础,图2-11 梁板式片筏基础,Page 42,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,4、箱形基础 适用：层数较多、土质较弱的高层建筑。,图2-12 箱形梁基础剖面图,Page 43,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,5、桩基础 适用：地基持力层较深时采用。,图2-13 桩基础,图2-14 桩筏基础,图2-15 桩箱基础,6、复合基础 适用：层数较多或土质较弱时采用。,Page 44,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,第三章 高层建筑的荷载及设计要求,Page 45,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。,与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构： 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构； 2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； 3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。,Page 46,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3-1 竖向荷载,二、楼面活荷载,见表3-1,一、恒载,为结构自重，装饰层重等。 结构自重=构件设计尺寸材料单位体积自重,Page 47,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、 频遇值和准永久值系数,Page 48,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 49,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,Page 50,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,四、雪荷载,式中： Sk雪荷载标准值； r屋面积雪分布系数； S0基本雪压。,三、屋面均布活荷载,上人的平屋顶 2.0 kN/m2 不上人的平屋顶 0.5 kN/m2 直升机的等效均布荷载为 5 kN/m2,长沙：,图3-1 屋面积雪分布系数,（3-1）,Page 51,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3-2 风荷载,式中： 高度z处建筑物表面单位面积上的风载标准值； 风载体形系数； 风压高度变化系数； 基本风压值； 风振系数。,（3-2）,Page 52,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,一、基本风压值,长沙：,一般高层建筑最大风压重现期为50年； 特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，按100年重现期的风压值采用。当没有100年一遇的风压资料时，也可近似将50年一遇的基本风压值乘以增大系数1.1采用。 对风荷载比较敏感的建筑（H60m）,承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。,Page 53,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、风压高度变化系数,风压高度系数为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。,表3-2 地面粗糙度分类,Page 54,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-3 风压高度变化系数,Page 55,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,续表3-3,Page 56,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,三、风荷载体型系数,风荷载体型系数主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。一般采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。,房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。,建筑结构荷载规范（GB50009-2012）表8.3.1列出39项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数，当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。,Page 57,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,例：矩形截面,Page 58,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,四、风振系数,式中：g 峰值因子，可取2.5； I1010m高度名义湍流，对应A、B、C和D类地面粗糙度， 可分别取0.12、0.14、0.23和0.39； R 脉动风荷载的共振分量因子； Bz 脉动风荷载的背景分量因子。,Page 59,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,注意： 房屋高度大于200m时，宜采用风洞实验来确定建筑物的风荷载； 房屋高度大于150m，有下列情况之一时，宜采用风洞实验来确定建筑物的风荷载： 平面形状不规则，立面形状复杂； 立面开洞或连体建筑； 周围地形和环境较复杂。,五、风洞试验,Page 60,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3-3 地震作用,地震作用由于地面运动引起房屋的结构反应称为地震。 我国是一个多地震的国家，地震灾害的面积占国土面积的一半以上。660个城市中，位于地震区的占74.5%；118 个百万以上的大城市中，有85.7%位于地震区，2/3的基本烈度为度及度以上。,Page 61,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,一、建筑抗震设防分类和设防标准,表3-4,Page 62,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、三水准设防目标和两阶段设计方法,注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,表3-5,Page 63,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,图3-2 框架结构破坏程度与 房间侧移的对应关系,图3-3 三个水准烈度的频率 和对应关系,1.55度,1度,不倒,可修,不坏,众值 烈度,基本 烈度,大震 烈度,Page 64,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,三、设计地震分组,分组的目的：体现震级于与震中距的影响。 分组：分第一组、第二组和第三组三个组。 湖南省县级及县级以上设防城镇，设计地震分组均为第一组。,Page 65,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,四、特征周期值 （s）,表3-6,Page 66,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,五、基本地震加速度,表3-7,湖南省： 常德市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值0.15g； 岳阳、岳阳县、汨罗、湘阴、临澧、澧县、津市、桃源、安乡、汉寿抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g; 长沙、益阳、张家界等抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g.,Page 67,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,六、设计反映谱曲线,m,k,单质点体系运动方程为：,式中: m，c，k 质量、阻尼系数和刚度系数； , , 质点的位移、速度、加速度； 地面运动加速度。,图3-4,（3-3-1）,Page 68,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,如地面运动 已知，便可求出质点的位移、速度、加速度反应，反应的最大值分别为 ， ， 。 有了质点最大加速度反应 后，由牛顿定律可得最大惯性力为：,式中：m，G 单质点体系的质量及重量； g， k 重力加速度及地震系数； 为动力系数； 地震影响系数,（3-3-2）,Page 69,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,注： 小于0时，取0 ； 小于0.55时，取0.55 。,（3-3-3）,（3-3-4）,（3-3-5）,图3-5 地震影响系数曲线,Page 70,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,七、等效地震荷载计算方法,1、水平地震作用计算 （1）底部剪力法： 当结构高度小于40m，沿高度方向质量及刚度分布比较的均匀，并以剪切变形为主的高层建筑，可采用底部剪力法计算等效地震荷载。 采用底部剪力法时，各楼层可仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值按下列公式计算：,Page 71,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,式中： 相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值； 结构等效总重力荷载， 对单质点体系应取总重力荷载代表值的85%； 顶部附加地震作用系数，多层钢筋混凝土和钢结构房屋可 按表3-8采用，多层内框架砖房可采用0.2，其他房屋可采用0。,（3-3-6）,（3-3-7）,（3-3-8）,图3-6,Page 72,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-8 计算式,Page 73,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,结构基本自振周期 可按下式计算：,式中： 计算结构基本自振周期用的结构顶点假想位移（m)， 即假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值作为水平荷 载算得的顶点位移； 结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数。,框架结构 框剪结构 剪力墙结构,（3-3-9）,Page 74,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,求建筑的重力荷载时，各荷载的组合值系数按表3-9采用。,表3-9,Page 75,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,(2)振型分解反应谱法 适应范围除底部剪力法以外的所有建筑，宜采用振型分解法。 计算方法n个自由度体系有n个基本振型，如：,图3-7,Page 76,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,A.第j振型i质点的水平地震作用的标准值,式中： 相应于第j振型周期 的地震影响系数； j振型i质点的水平相对位移； 振型的参与系数。,（3-3-10）,（3-3-11）,Page 77,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,B.水平地震作用效应（内力和位移）计算,水平地震作用效应先根据各振型的地震作用分别计算，然后再 采用平方和的平方根方法（SRSS法）计算：,一般情况下可只取前23个振型，当基本自振周期大于1.5秒或房 屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。 为计算各振型 所用的自振周期 也应按 考虑 建筑结构估计水平地震作用扭转影响时，应按规定计算其地震作 用和作用效应,（3-3-12）,Page 78,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,(3)时程分析法,反应谱法的缺陷： 设计反应谱主要依据的是加速度反应谱，未反映速度与位移及持续时间影响。 是建立在弹性动力分析的基础上，未考虑弹塑性性能的影响。 高层建筑是多质点体系，而反应谱曲线是从单质点体系得到的。 反应谱方法得到的地震过程中的最大惯性力值，不能得到地震过程中的变形及破坏过程，无法确定某些薄弱部位的各种危险状态。,Page 79,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,注： 特别不规则的建筑、甲类建筑和表3-10所列高度范围内高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,表3-10,Page 80,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,时程分析法又称直接动力法，解动力方程式 多自由度体系在地面运动作用下的振动方程式为：,（3-3-13）,图3-8,Page 81,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,注： 采用时程分析法计算时： 宜输入本地区在设防烈度时记录到的地震波进行分析；当缺少本地区达设防烈度的地震记录时，宜按烈度、近震、远震和场地类别，选用不少于二组的实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线计算。 弹性时程分析时，每条时程曲线求得的底部剪力不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%时，至少应按80%取用多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。,Page 82,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、竖向地震作用计算,（1）需进行竖向地震作用计算的范围： 9度设防时; 水平长悬臂构件和大跨度结构。 （2）竖向地震作用计算： 结构总竖向地震计算的标准值按下式计算：,图3-9结构竖向地震作用计算图形,（3-3-14）,Page 83,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,质点的竖向地震作用标准值：,注：各楼层的竖向地震作用效应按各构件承受的重力荷载代表值 比例分配。,式中： 结构总竖向地震作用标准值； 竖向地震影响系数的最大值。,（3-3-15）,（3-3-16）,（3-3-17）,Page 84,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3、水平长悬臂构件和大跨度结构竖向地震作用,水平长悬臂构件和大跨度结构考虑竖向地震作用时，竖向地震作用的标准值在8 度和9度设防时，可分别取该结构及所承受重力荷载代表值的10%和20%进行计算。 设计基本地震加速度为0.3g时，可取该结构、构件重力荷载代表值的15%。,Page 85,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,八、地震作用考虑原则,一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作 用计算，有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15时，应 分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 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；其它情况，应计算单向水平地震作用 下的扭转影响； 8度、9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应 考虑竖向地震作用； 9度抗震设计设计时应计算竖向地震作用。,Page 86,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,注：计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。各层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式计算：,式中： 第i层质心偏移值(m)，各层质心偏移方向相同； 第i层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m).,（3-3-18）,Page 87,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3-4 荷载组合及设计要求,1、无地震作用,一、 荷载组合,式中,永久荷载分项系数，一般取 ； 对由永久荷载效应控制的组合，取 ； 当其效应对结构有利时，取,分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数; 当永久荷载效应起控制作用时分别取0.7和0.0； 当可变荷载效应起控制作用时分别取1.0和0.6或0.7和1.0。,（3-4-1）,Page 88,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、有地震作用,1. 进行承载力计算时，分项系数按表3-11取值。 当重力荷载效应对结构承载力有利时， 取 ， 风荷载组合值系数取 2. 进行位移计算时，全部分项系数取,（3-4-2）,Page 89,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-11 作用分项系数,注：表中“”号表示该项作用不考虑。,Page 90,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,1、承载力计算公式,二、 设计要求,非抗震 抗 震,式中,结构重要性系数； 作用效应组合设计值，按非抗震与抗震两种情况分别采用； 结构构件承载力设计值，按非抗震与抗震两种情况分别采用； 承载力抗震调整系数，按表3-12采用。,（3-4-3）,（3-4-4）,Page 91,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-12 承载力抗震调整系数,当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构杆件的承载力抗震调整系数均取为1。,Page 92,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,式中 C变形、裂缝等限值。,2、正常使用极限状态,（3-4-5）,Page 93,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3、位移验算和舒适度要求,（1）层间位移,要求结构具有足够的刚度，避免产生过大的位移影响结构的承载力、稳定性和使用要求。,限制层间位移的主要目的： 保证主体结构处于弹性状态； 保证填充墙、隔墙完好。,（3-4-6）,Page 94,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,表3-13 层间位移限值,高度不大于150m的高层建筑， 不宜大于表3-13限值。,高度等于或大于250 m的高层建筑，不宜大于1/500。,高度在150m250m之间的高层建筑，按上述限值插值。,Page 95,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,（2）舒适度要求,顶点最大加速度,表3-14 顶点最大加速度限值,（3-4-7）,Page 96,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,第四章 框架结构计算,Page 97,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,本章主要内容,4.1 近似计算法 4.2 矩阵位移法计算,Page 98,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,4-1 近似计算法,一、分层法,假定： 1、不考虑侧移影响； 2、不考虑上、下层荷载的相互影响； 3、假定上、下柱远端为固端，柱子线刚度取0.9i，传递系数取1/3,底层取1/2。,图 5-1,图 4-1 计算简图,计算时梁上活载可满布，但跨中弯矩乘以1.11.2的系数。,Page 99,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、D值法,1、D值法要解决的问题,反弯点位置；,柱中剪力分配。,同一层各柱子侧移相同,图 4-2 D值法,2、假定,式中 ：Vij 每根柱子上分配的剪力； Vi i层总剪力； Diji层j柱的侧移刚度。,Page 100,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,3、D值的计算,式中 : 与梁柱刚度比有关的系数，可查表。,图 4-3 反弯点位置,4、反弯点位置,式中 ：y0标准反弯点（不考虑层高,上、下 层梁的线刚度不同）； y1上、下层梁的线刚度不同时的修正； y2、y3分别为上、下层层高不同时的修正。,Page 101,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,4-2 矩阵位移法计算,一、结构刚度矩阵,图 4-4 座标系,式中 ： 单元座标系； 结构座标系； 总刚矩阵。,二、位移法的基本方程,式中 ： 节点位移矩阵， 节点荷载矩阵， 总刚矩阵，,Page 102,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,三、边界条件处理和基本方程求解,1、边界条件,固支：,不动铰支：,可动铰支：,已知位移支座：,图 4-5,Page 103,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、求解方程,解：1. 位移矩阵 ：,例：如图所示结构,2. 总刚矩阵 ：,3. 荷载矩阵 ：,4. 由 ，有12个方程，6个位移 未知量，6个荷载未知量，可求解。,图 4-6,Page 104,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,第五章 剪力墙的计算,Page 105,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,本章主要内容,5.1 计算方法 5.2 整体墙、小开口整体墙的计算 5.3 双肢墙的计算 5.4 壁式框架的计算 5.5 剪力墙截面设计,Page 106,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,5-1 计算方法,一、假定,1、剪力墙平面外刚度可不考虑， 纵横剪力墙可分别考虑； 2、楼板平面内抗弯刚度无限大； 3、各片剪力墙按等效抗弯刚度分配剪力 。,图 5-1,Page 107,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,二、受力特点,1、整体墙和小开口整体墙,整体墙,小开口整体墙,可按整体悬臂墙计算，符合平截面定， 正应力为直线分布，如图5-2所示。,大体符合平截面假定。,图 5-2 整体墙,图 5-3 小开口整体墙,图 5-4 小开口整体墙,(5-1),Page 108,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、双肢和多肢剪力墙,与小开口整体墙类似，如图5-5所示。,3、壁式框架,受力特点近似于框架结构，如图5-6所示。,图 5-5 双肢墙,图 5-6 壁式框架,Page 109,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,5-2 整体墙、小开口整体墙的计算,1、应力计算,当剪力墙孔洞面积与墙面面积之比不大于0.15且孔洞净距及孔洞至墙边距离大于孔洞长边时，可作为整截面悬臂构件按平截面假定计算截面应力分布。,一、整体墙,图 5-7,(5-2-1),(5-2-2),Page 110,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,2、顶点位移,要考虑洞口对截面面积及刚度的削弱影响。,（1）小洞口整体墙的折算截面面积为：,式中：A剪力墙截面毛面积； Aop 剪力墙面洞口面积； Af 剪力墙面总面积。,111,（5-2-3）,（5-2-4）,图 5-8,Page 111,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,（3）顶点位移,（5-2-5）,（5-2-6）,（5-2-7）,Page 112,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,（5-2-8）,（5-2-9）,（5-2-10）,（5-2-11）,（5-2-12）,（5-2-13）,三种荷载下EcIeq分别为：,Page 113,高层建筑结构设计 Design of Tall Building Structures,1、适用条件,（1）,二、小开口整体墙,（2） 墙肢不出现反弯点。,2、判别条件,（1）,（2） ，不出现反弯点。,式中： 整体系数（ 值越大，刚度越大）；,扣去墙肢惯性矩后剪力墙的惯性矩，,由 和层数n查表。,当不满足条件（1）时按双肢或多肢墙计算； 当不满足条件（2）时按壁式框架计算。,（5-2-14）,（5-2-15）,