高层建筑结构设计复习资料.doc

高层建筑：指层数较多、高度较高的建筑。国际：1972年国际高层建筑会议，建议把高层划分为四类： 916层（H50M） 1725层（H 75M） 2640层（H 100M） 40层以上超高层（H 100M）我国：高层建筑混凝土结构技术规程（ JGJ3- 2010）规定：10层及10层以上或房屋高度超过28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑为高层建筑。建筑物高度超过100m时，不论住宅建筑或公共建筑，均为超高层建筑。低层建筑：竖向荷载起控制因素；多层建筑：考虑水平荷载（风荷载、地震作用）和竖向荷载的共同作用； 高层建筑：水平荷载起控制因素。常用结构体系1.框架结构：框架结构体系一般用于钢结构和钢筋砼结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构。 优点：建筑平面布置灵活，分隔方便； 整体性、抗震性能好，设计合理时结构具有较好的塑性变形能力； 外墙采用轻质填充材料时，结构自重小。 缺点：1.层数受限制，结构高度增加，结构承受侧向作用增强，结构截面尺寸和配筋增加，材料用量和造价趋于不合理。 2.结构抗侧刚度较小，侧向位移大。 3.梁柱节点处应力集中，节点是抗震设计的薄弱部位。 4.非结构性破坏较严重（填充墙、建筑装修、设备管道等）受力变形特点：高宽比H/B4时，以剪切变形为主，整体位移曲线呈剪切型，既结构层间位移随楼层增高而减小。使用范围：高度不大的高层建筑，以1520层以下为宜，适用于工业、民用建筑高度60米2.剪力墙：剪力墙结构体系一般用于钢筋砼结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。 优点：整体性好、刚度大，抵抗侧向变形能力强； 抗震性能较好，设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。 因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。 缺点：平面布置不灵活，建筑空间分隔不自由，不能提供大空间。 结构自重大。受力变形特点：高层建筑以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲型，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。 适用范围：适用于住宅、旅馆客房、办公楼等。3.框架-剪力墙：框架-剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。 具有框架结构平面的布置灵活，有较大空间的的优点，又具有侧向刚度较大的优点。 适用范围：一般广泛用于办公楼、教学楼、病房、 旅馆、公寓等。 受力变形特点：侧向变形呈总体弯剪型，上下各层层间变形趋于均匀，顶点侧移减小。4.筒体：优点：具有很好的空间整体作用和抗风抗震性能，建筑布置灵活，能提供较大的可自由分隔的空间.适用于超高层（30层以上或100米以上）的办公楼、旅馆、综合楼等建筑。5.巨型结构体系抗震设防结构布置原则 1.选择有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性； 2.保证地基基础的承载力、刚度，以及足够的抗滑移，抗倾覆能力； 3.合理设置防震缝； 4.具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 5.多到抗震设防能力，避免因局部结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力； 6.合理选择结构体系； 7.结构具有足够的刚度、承载力，刚度和承载力分步较均匀； 8.强节点弱构件，节点承载力大于构件承载力； 9.结构具有足够的变形能力及抗震耗能能力； 10.避免鞭梢效应； 11.采用轻质高强材料，减轻结构自重；平面不规则的主要类型1.扭转不规则；2.凹凸不规则；3.楼板局部不连续变形缝是伸缩缝、沉降缝、防震缝的总称对于多层和高层建筑结构，应尽量少设缝或不设缝，这可简化构造、方便施工、降低造价、增强结构的整体性和空间刚度。伸缩缝：高层由于温度变化引起，为防止由此引起的房屋开裂等如采取了如下措施，可适当放宽伸缩缝间距， 1.顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率； 2.顶层加强保温隔热措施，外墙设置外保温层； 3.每3040M间距留出施工后浇带，带宽8001000MM，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在45d后浇灌； 4.采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适宜的外加剂； 5.提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构。沉降缝：为防止建筑物各部分由于地基不均匀沉降引起房屋破坏所设置的垂直缝称为沉降缝。沉降缝与伸缩缝不同之处是除屋顶、楼板、墙身都要断开外，基础部分也要断开，使相邻部分也可以自由沉降、互不牵制。 高层建筑在下述平面处，应考虑设置沉降缝： （1）建筑的高度和荷载差异较大处 （2）上部不同结构体系或结构类型的相邻交接处 （3）地基土的压缩性有着显著差异 （4）基础底面标高相差较大或者建筑物基础类型不同时。防震缝：高层建筑中如上部结构平面形状需要划分为两个以上单元时，各部分刚度和荷载相差大且无有效措施，另外，对于有较大错层时，则其间宜设防震缝。抗震设计时，高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免设置防震缝。体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。1.最小宽度框架:H15m,可取70mm;超过15m的部分,6、7、8、9度相应每增加高度5M、4M、3M、2M，宜加宽20mm。框架-剪力墙结构房屋可按部分规定的70%采用剪力墙结构房屋可按部分规定的50%采用，但两者均不得小于70mm。2.防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按不利的结构类型确定；3.防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度可按较低的房屋高度确定；4.8、9 度抗震设计的框架结构房屋，防震缝两侧结构层高相差较大时，防震缝两侧框架柱的箍筋应沿房屋全高加密，并可根据需要沿房屋全高在缝两侧各设置不少于两道垂直于防震缝的抗撞墙；5.当相邻结构的基础存在较大沉降差时，宜增大防震缝的宽度；6.防震缝宜沿房屋全高设置，地下室、基础可不设防震缝，但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接；7.结构单元之间或主楼与裙房之间不宜采用牛腿托梁的做法设置防震缝，否则应采取可靠措施。水平位移限值和舒适度的要求 原因：在正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。 正常使用条件下，结构的水平位移应按规定的风荷载、地震作用和规定的弹性方法计算。 按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比 u/h 宜符合下列规定： 1.高度不大于 150m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比 u/h 不宜大于表 3.7.3的限值。 2.高度不小于 250m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比 u/h 不宜大于 1/500。 3.高度在 150m250m 之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比 u/h 的限值可按本条第 1 款和第 2 款的限值线性插入取用。 注：楼层层间最大位移 u 以楼层竖向构件最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。抗震设计时，本条规定的楼层位移计算可不考虑偶然偏心的影响。结构布置尽可能做到简单、规则、均匀、对称，使结构具有足够的承载力、刚度和变形能力，避免因局部破坏而导致整个结构破坏，避免局部突变和扭转效应而形成薄弱部位，使结构具有多道抗震防线。楼盖的主要形式：现浇楼盖：梁板式楼盖梁板式楼板是由板和梁组成，通常在纵横两个方向都设置梁，有主梁和次梁之分。适用于较大开间的房间。密肋楼盖省材料、自重轻、高度大、适用于大跨且梁高受限时、当使用荷载较大时可有较好技术经济指标好；无梁楼盖适用于大跨且梁高受限、或升层法施工时；注意冲切问题非预应力平板楼盖广泛用于剪力墙、筒体结构、可降低层高，平整；跨度大时自重大、不经济现浇非预应力空心板楼盖预制板楼盖预应力空心板楼盖适用于高度50m以下时，但要求严格（缝内设钢筋、设现浇面层、加强板端连接）预应力大楼板楼盖与房间同尺寸，双向先张法预应力筋，板边齿槽；吊装问题预应力叠合板楼盖预制RC薄板（50-60mm），上现浇RC。省模板、刚大、整体性好无粘结预应力现浇平板高层建筑所承受的荷载可分为竖向荷载和水平荷载，水平荷载分为风和地震作用抗震设防目标：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用（小震不坏）；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用（中震可修）；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏（大震不倒）。小震是指该地区50年内超越概率约为63的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震。进行内力位移计算和截面设计中震是指该地区50年内超越概率约为10的地震烈度，又称基本烈度或设防烈度。采取构造措施大震是指该地区50年内超越概率约为23的地震烈度，又称为罕遇地震。采取构造措施，薄弱层防倒塌验算两阶段设计方法对建筑抗震的三个水准设防要求，是通过“两阶段设计”来实现。第一阶段STEP1: 采用第一水准烈度的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力等荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求；STEP2: 采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定的限值。 同时采取相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延续、变形能力和塑性耗能，从而自动满足二水准的变形要求。第二阶段采用第三水准烈度的地震动参数，计算出结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）的弹塑性层间位移角，使之小于抗震规范限值。并结合采取必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。 高层建筑结构设计要完成的工作：结构选型，结构布置，荷载效应组合及最不利内力计算，承载力验算，侧移限制（变形，刚度要求），舒适度要求（变形要求），稳定和抗倾覆计算，抗震结构延性要求和抗震等级。高层建筑结构设计要满足哪些要求？ 承载力要求； 侧移限制； 舒适度要求； 稳定和抗倾覆； 抗震结构延性要求；简述高层建筑设计流程1)结构方案的确定：包括（1）结构体系的确定；按：高度、风荷载、地震作用；功能、场地特征；经济因素、体型等因素确定采用以下结构体系；(2)构件的布置；（3）构件尺寸初选； 2)荷载计算：对风荷载、地震作用；恒荷载、活荷载等进行计算； 3)内力分析：（1）确定计算模型；（2）选定计算方法；（3）内力组合；（4）截面位置及其最不利位置验算； 4)性能指标校核：如位移比，刚重比，剪重比，周期等 5)设计配筋：（1）校核结构要求；（2）配筋；（3）构造要求； 6、生成计算书和施工图；框架结构抗震设防设计一般原则抗震设计中，一般要求框架结构呈“强柱弱梁”，“强剪弱弯”，“强节点弱构件”的受力性能。即要保证结构的延性。结构、构件或截面的延性是指从屈服开始至达到最大承载力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力，也就是说，延性是反映结构、构件或截面的后期变形能力。 “强剪弱弯”使钢筋混凝土构件中与正截面受弯承载能力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载能力的设计要求。使结构构件在发生受弯破坏前不先发生剪切破坏。用以改善构件自身的抗震性能。“强柱弱梁”指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。“强节点弱构件”是指节点的承载力应高于连接构件，因节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效。影响框架梁延性性能的因素： 1.纵筋配筋率： 适筋梁的范围内受弯构件截面的变形能力（截面的延性性能）随着受拉钢筋配筋率的提高而降低，随受压钢筋配筋率的提高而提高，随砼强度的提高而提高，随钢筋屈服强度的提高而降低。加大截面受压区宽度（如采用T型截面），也能使梁的延性得到改善。 2.剪压比： 剪压比是指截面上的“名义剪应力”V/bh0与混凝土轴心抗压强度fc的比值，表达式为V/fcbh0。 梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。(控制剪压比的原因) 3.跨高比： 梁的净跨与其梁截面高度之比值，随着跨高比的减小，梁所受的剪力增大，剪切变形占全部位移的比重亦加大，构件的延性性能降低，设计时应控制梁的跨高比。一般认为梁的净跨不宜小于截面高度的4倍。 4.塑性铰区的箍筋用量: 作用：（1）防止梁受压纵筋过早压曲；（2）提高塑性铰区砼的极限压应变；（3）阻止斜裂缝的开展。 措施：工程设计中，框架梁梁端塑性铰区，箍筋必须加密。为保证梁的延性，在梁端截面必须配置受压钢筋，同时要限制混凝土受压区高度 ： 一级抗震：x0.25h0 二、三级抗震：x0.35h0 梁跨中仍为： xxbh0框架柱的受力性能框架柱的破坏一般发生在柱的两端。这是由于在侧向力作用下柱端弯矩最大。角柱破坏比中柱和边柱严重，这是因为在侧向力作用下，结构会发生整体扭转，角柱受剪力最大，同时角柱为双向受压构件。短柱剪切破坏在地震中严重，因为短柱线刚度大，地震作用下剪力大，呈脆性破坏，延性小。框架柱的延性影响因素影响框架柱延性的因素主要有剪跨比、轴压比、箍筋配筋率、纵筋配筋率等框架柱的剪跨比指构件截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值。根据柱的剪跨比=M/(Vho)来确定柱为长柱、短柱和极短柱，ho为与弯矩M平行方向柱截面有效高度。 2（当柱反弯点在柱高度Ho中部时即Ho/ho4）称为长柱；1.52称为短柱；1.5称为极短柱。 试验表明：长柱一般发生弯曲破坏；短柱多数发生剪切破坏；极短柱发生剪切斜拉破坏，这种破坏属于脆性破坏。框架柱的轴压比指柱截面考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。柱的位移延性比随轴压比的增大而下降。构件的破坏特征与构件的轴压比直接相关。轴压比较小时，柱的轴压力设计值较小，柱截面受压区高度较小，构件发生钢筋首先屈服的大偏心受压破坏，破坏时构件变形大；轴压比大时，柱截面受压区高度较大，属于小偏心受压破坏，破坏时受拉钢筋并未屈服，构件变形小。框架柱的箍筋配筋率作用：柱中箍筋对核芯砼起约束作用，可显著提高受压砼的极限压应变值。阻止柱身斜裂缝的开展，大大提高柱的延性。框架柱的纵筋配筋率：增加柱的纵向配筋率，可以提高柱的延性和耗能能力。轴压比： 定义：轴压比指柱（墙）的轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值(进一步理解为：柱（墙）的轴心压力设计值与柱（墙）的轴心抗压力设计值之比值)。 目的： 限制柱轴压比主要是为了保证柱的塑形变形能力和保证框架的抗倒塌能力。 公式：u=N/A*fc为何要限制剪压比？ 由试验可知，箍筋过多不能充分发挥钢箍作用，因此，在设计时要限制梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效防止裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。框架柱端箍筋加密区范围如何选取？ 抗震设计时，柱箍筋加密区的范围应符合下列要求：（1）底层柱的上端和其他各层柱的两端，应取矩形截面柱之长边尺寸（或圆形截面柱之半径）、柱净高之1/6和500mm三者之最大值范围； （2）底层柱刚性地面上、下各500mm的范围； （3）底层柱柱根以上1/3柱净高的范围； （4）剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的 柱净高与截面高度之比不大于4的柱全高范围；（5）一级及二级框架角柱的全高范围；（6）需要提高变形能力的柱的全高范围。剪力墙结构体系是由钢筋混凝土墙体相互连接构成的承重墙结构体系，用以承担竖向重力荷载和水平的风荷载及地震作用。同时兼任建筑物外围护墙和内部房间的分隔墙。剪力墙结构分类： 一般按照剪力墙上洞口的大小、多少及排列方式，将剪力墙分为以下几种类型：整体墙;整体小开口墙;联肢墙;壁式框架各类剪力墙的受力特点整体墙和小开口整体墙 在水平力的作用下，整体墙类似于一悬臂柱，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。小开口整体墙，由于洞口的影响，墙肢间应力分布不再是直线，但偏离不大。可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。 联肢墙 剪力墙上开有一列或多列洞口，且洞口尺寸相对较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，横截面上的变形不再符合平截面的假定，横截面上的正应力分布不再是直线分布。壁式框架受力类似于普通框架。剪力墙截面的整体性已被完全破坏。 墙肢的弯矩沿高度的分布在连梁处出现突变，且所有楼层一般均出现反弯点。剪力墙结构计算原则与假定总原则荷载在各片剪力墙之间的分配竖向荷载按受荷面积水平荷载按等效抗弯刚度各片剪力墙在分配得的荷载作用下的内力和位移计算假定楼板刚度: 楼板在自身平面内刚度为无穷大，在平面外刚度为零。在此假定下，楼板相当于一平面刚体，在水平力的作用下只作平移或转动，从而使各榀剪力墙之间保持变形协调。 剪力墙的加强部位1.底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起。2.部分框支抗震墙结构的抗震墙，其底部加强部位的高度，可取框支层加框支层以上二层的高度及落地抗震墙总高度的 1/10 二者的较大值。其他结构的抗震墙，房屋高度大于 24m 时，底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的 1/10 二者的较大值；房屋高度不大于 24m 时，底部加强部位可取底部一层。3.当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时，底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端。剪力墙结构的分类 答：剪力墙根据有无洞口、洞口的大小和位置以及形状等可分为四类，即整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。 (1)整截面墙，指没有洞口的实体墙或洞口很小的剪力墙，其受力状态如同竖向悬臂构件。当剪力墙高宽比较大时，受弯变形后截面仍保持平面，法向应力呈线性分布。 (2)整体小开口墙，指洞口稍大且成列分布的剪力墙，截面上法向应力稍偏离直线分布，相当于整体弯矩直线分布和墙肢局部弯矩应力的叠加。墙肢的局部弯矩一般不超过总弯矩的15，且墙肢在大部分楼层没有反弯点。 (3)联肢墙，指洞口更大且成列布置，使连梁刚度比墙肢刚度小得多，连梁中部有反弯点，各墙肢单独作用较显著，可看成若干个单肢剪力墙由连梁联结起来的剪力墙。当开有一列洞口时为双肢墙，当开有多列洞口时为多肢墙。 (4)壁式框架，当洞口宽而大，墙肢宽度相对较小，墙肢刚度与连梁刚度相差不太远时，剪力墙的受力性能与框架结构相类似；其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩，在许多楼层内墙肢有反弯点。剪力墙抗震设计的原则是什么?为什么要按照强墙弱梁设计剪力墙?什么是强墙弱梁? 剪力墙的抗震设计原则应符合下述原则：强墙弱梁、强剪弱弯、限制墙肢的轴压比和墙肢设置边缘构件、加强重点部位、连续特殊措施。 连梁屈服先于墙肢屈服，使塑性变形和耗能分散于连梁中，避免因墙肢过早屈服使塑性变形集中在某一层而形成软弱层或薄弱层。计算题竖向荷载下的内力近似计算方法-分层法用力矩分配法计算查结构力学转动刚度的概念及传递系数：计算步骤：（1）首先计算框架各杆件的线刚度及分配系数；（2）计算框架各层梁端在竖向荷载作用下的固定端弯矩（3）计算框架各节点处的不平衡弯矩，并将每一节点处的不平衡弯矩同时进行分配并向远端传递，传递系数仍为1/2。（4）进行两次分配后结束。计算结果的比较：带括号的数值为考虑了节点线位移的弯矩。从而可以看出，梁的误差较小，而柱的误差稍大。反弯点法的计算步骤 反弯点法的计算步骤可以归纳如下1、计算