高层建筑结构.ppt

第五章高层建筑结构 同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林 一 概述1 高层建筑的定义 多层与高层建筑的界限各国定义不一 我国曾将8层以上的民用建筑或高度超过22m的工业建筑定义为高层建筑 新修定的 高层建筑混凝土结构技术规程 将10层和10层以上的民用建筑定义为高层建筑 这是由是否设电梯 建筑物的防火等级以及传统历史的影响所确定的 一 概述2 高层建筑的分类 钢结构高层建筑 自重轻 强度高 延性好 施工快 但用钢量大 造价高 防火性能较差 按结构材料分 混凝土结构高层建筑 造价低 耐火性能好 结构刚度大 但自重较大 钢 混凝土组合结构 兼有两者的优点 克服了两者的缺点 一 概述2 高层建筑的分类 按结构材料分 1998年的统计结果 一 概述2 高层建筑的分类 按结构承重体系 框架结构 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 筒体结构 巨型框架结构 悬挂结构 二 高层建筑结构体系1 框架结构 在地震设防区层数相应减少 常用于综合办公楼 旅馆 医院 学校 商店等建筑 在非地震区可做到15层 最高可做到20层 组成和适用范围 由梁和柱组成的空间结构体系 二 高层建筑结构体系1 框架结构 变形特征 在水平荷载作用下 表现出刚度小 水平侧移大的特点 水平侧移呈剪切型 例如 在地震设防烈度为8度 IV类场地的情况下 框架结构一般只能做到5 6层 二 高层建筑结构体系2 剪力墙结构 组成 利用房屋墙体作为竖向承重和抗侧力结构的体系称为剪力墙结构 剪力墙上可开洞口 洞口越大 越接近于框架 二 高层建筑结构体系2 剪力墙结构 变形特征和应用范围 水平荷载作用下 剪力墙似一悬臂薄片 比框架具有更大的抗侧刚度 且在水平荷载下的侧移呈弯曲型 剪力墙结构可用于较高的房屋中 100m以上 剪力墙可用来分隔房间 楼板的跨度即为剪力墙的间距 一般为3 8m 适合于有小房间的住宅 旅馆等高层建筑 二 高层建筑结构体系2 剪力墙结构 框支剪力墙 二 高层建筑结构体系3 框架 剪力墙结构 组成 由框架和剪力墙共同承受竖向和水平荷载的结构体系称为框架 剪力墙结构体系 在整个结构体系中 剪力墙负担决大部分的水平荷载 框架以负担竖向荷载为主 分工合理 物尽其用 二 高层建筑结构体系3 框架 剪力墙结构 变形特征和应用范围 水平荷载作用下 框架和剪力墙协调工作 使房屋各层变形趋于均匀 在水平荷载下的侧移呈弯剪型 剪力墙克服了框架抗侧刚度低的缺点 框架弥补了剪力墙结构布置不灵活的不足 因此 普遍应用于宾馆和办公楼等公用建筑中 框架 剪力墙结构体系一般用于25层以下为宜 最高不超过35层 但若布置合理 也可更高 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 组成和变形特征 将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体 以此来承受房屋大部分或全部竖向荷载和水平荷载所组成的结构体系称为筒体结构体系 分实腹筒体和空腹筒体两类 变形呈弯剪型 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 筒体结构 将框架 剪力墙结构中的剪力墙相对集中组成封闭的筒体 竖向荷载主要由框架和筒体共同承担 水平荷载主要由筒体承担 框架 筒体结构 框架 筒体结构的受力性能类似于框架 剪力墙结构 水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型 但前者的刚度远大于后者 框架 筒体结构常用于50层左右的高层建筑中 最高可建到100层 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 筒体结构 框架 筒体结构有框架 实腹筒体结构和框架 空腹筒体结构两种形式 实腹筒一般位于框架之内 框架 核心筒结构 将空腹筒布置在房屋的外围 框架布置在房屋的中部形成的框架 筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 实腹筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 实腹筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 实腹筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 空腹筒体结构 由于空腹筒体的密排立柱之间的距离较小 建筑底部如何设大的入口 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 框架 空腹筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 筒中筒结构 将实腹筒体置于建筑物的内部 空腹筒体作为建筑物的外框 利用楼板将二者连为一体 共同承受竖向荷载和水平荷载的结构承重体系 筒中筒结构 筒中筒结构水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型 但抗侧刚度大于框架 筒体结构 筒体具有很大的抗侧能力和抗扭能力 筒中筒结构广泛应用于65层左右的公用建筑中 建筑底部设大开口的方法同框架 剪力墙结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 筒中筒结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 组合筒体结构 将几个筒体组合成一个整体 共同承担竖向和水平荷载的结构承重体系 组合筒体结构 常用于75层左右的高层建筑中 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 其它筒体结构 二 高层建筑结构体系4 筒体结构 其它筒体结构 三 结构布置的原则1 选择合理的结构体系 竖向承重结构体系 根据房屋的用途 各种结构体系的特点和适用范围进行选择 框架结构 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 筒体结构 三 结构布置的原则1 选择合理的结构体系 楼板结构体系 平板结构体系 单向板和双向板常用于剪力墙结构和筒体结构 板柱结构体系可采用无梁楼盖 一般非预应力板的跨度不宜超过6m 预应力平板的跨度不超过9m 密肋楼盖 密肋楼盖多用于跨度较大而梁高受到限制的情况 筒体结构角区部也常用密肋楼盖 现浇混凝土密肋楼盖的跨度不宜超过9m 预应力混凝土密肋楼盖的跨度不超过12m 三 结构布置的原则1 选择合理的结构体系 楼板结构体系 肋梁楼盖 是高层建筑中应用最为广泛的楼盖形式 当楼盖的高度受到限制时 可以考虑采用扁宽梁 在下列情况下应考虑采用现浇楼盖 1 建筑物高度超过50m 2 抗震设防烈度为9度时 3 屋面 4 平面十分复杂 楼面不规则 有较多洞口 5 上下层刚度变化较大时 如底层大空间结构的过渡层楼板 三 结构布置的原则2 结构平面布置 平面宜选风压较小的形状 并应考虑邻近高层建筑对其风压的影响 一般地圆形或椭圆形平面可比矩形平面减少风荷20 40 平面形状 平面应尽量规整 均匀对称 使得结构单元的总体刚度中心与单元的几何中心 风载作用位置 质心 地震作用位置 相重合 三 结构布置的原则2 结构平面布置 平面尺寸 平面总长度L不宜过长 避免两端振动不一致而使建筑破坏 各种平面对相关尺寸的要求 L B L Bmax l b l b见教材表5 3 三 结构布置的原则3 结构竖向布置 高层建筑的高宽比不宜过大 应满足教材表5 4的要求 如不能满足表5 4所示的要求或房屋的高度超过150m 则要对房屋进行抗倾覆和整体稳定性验算 沿竖向结构的刚度和强度宜均匀 连续 不突然变化 三 结构布置的原则4 抗震缝 沉降缝和伸缩缝的布置 当结构不同部位荷载差异较大地基土压缩性有显著差异 沉降缝 当平面形状复杂 高度方向有高差 质量分布不均匀 抗震缝 教材表5 5 当房屋过长或过宽时 伸缩缝 教材表5 6 四 荷载与作用1 竖向荷载 一般竖向荷载 竖向荷载包括 结构自重 使用活载 一般以楼面等效均布荷载的形式表达 雪荷载 屋面积灰荷载和检修荷载等 计算竖向荷载下的结构内力时 一般可不考虑活荷载的不利布置 按满布计算 活荷载较大时 可把按满布荷载计算的梁跨中弯矩乘以1 1 1 2的放大系数 按 建筑结构荷载规范 计算 规范中未规定的楼面活荷载可按教材表5 7采用 四 荷载与作用1 竖向荷载 当建筑顶部设置直升飞机停机坪时 直升飞机的荷载可按下式计算 直升飞机荷载 对具有液压轮胎起落架的直升飞机 动力系数可取1 4 直升飞机的重量 小型直升飞机的重量约为15kN 20kN 直升飞机的荷载 分布在轮子的作用范围内 一般按2m 2m 四 荷载与作用1 竖向荷载 当没有机型技术资料时 局部荷载标准值可按下表计算 直升飞机荷载 四 荷载与作用1 竖向荷载 按上述局部荷载算出的平台的内力不能小于按等效均布荷载5kN m2求出的平台内力 直升飞机荷载 四 荷载与作用2 水平荷载 风荷载的计算方法在第三章 单层厂房排架结构 中已作过介绍 但是高层建筑风荷载的计算还有下列一些特点 风荷载 基本风压w0应根据 建筑结构荷载规范 GB50009 全国基本风压分布图 中的数值采用 对于特别重要和有特殊要求的高层建筑可乘以1 1 高层建筑的体形和平面尺寸变化较多 一般情况体形系数按 高层建筑混凝土结构技术规程 选用 当房屋的高度大于200m时应进行风洞试验以确定其风荷载 四 荷载与作用2 水平荷载 风荷载 高度大于30m且高宽比大于1 5的高层建筑要考虑风振系数 z 脉动增大系数 按表5 8确定 脉动影响系数 0 48 0 63 风压高度变化系数 按表5 9确定 第i层标高 建筑物总高度 应考虑相邻建筑间的狭缝效应的影响 具体参见 高层建筑混凝土结构技术规程 四 荷载与作用3 荷载效应组合 所考虑的荷载和作用种类 只有当建筑物高度超过60m时 才同时考虑风与地震产生的效应 四 荷载与作用3 荷载效应组合 非抗震设计时 永久荷载分项系数 可变荷载控制时 取为1 2 永久荷载控制时 取为1 35 其效应对结构有利时 取为1 0 可变荷载分项系数 一般取为1 4 组合系数 永久荷载控制时 取为0 7和0 0 可变荷载控制时 取为1 0和0 6或0 7和1 0 对书库 档案库 储藏室 通风机房和电梯机房 取为0 9 四 荷载与作用3 荷载效应组合 抗震设计时 风载组合系数 取为0 2 五 剪力墙结构的设计1 剪力墙结构的布置 应双向布置宜拉通对直 避免一个方向刚度很大而另一方向刚度较小 较长的剪力墙可用楼板或弱的连梁分为若干个独立墙段 每个独立墙段的总高度与长度之比不宜小于2 剪力墙的门窗洞口宜上下对齐 成列布置 形成明显的墙肢和连梁 不宜采用错洞墙 洞口设置应避免墙肢刚度相差悬殊 墙肢截面长度与厚度之比不宜小于3 一般剪力墙结构 五 剪力墙结构的设计1 剪力墙结构的布置 多层大空间剪力墙结构的底层应设落地剪力墙或筒体 在平面为长矩形的建筑中 落地横向剪力墙的数目与全部横向剪力墙数目之比非抗震设计时不宜少于30 抗震设防不宜少于50 框支剪力墙结构 底层落地剪力墙和筒体应加厚 并可提高混凝土强度等级以补偿底层的刚度 落地剪力墙和筒体的洞口宜布置在墙体的中部 落地剪力墙的间距l应符合以下规定 非抗震设计 l 3B l 36m抗震设计 6度 7度时 l 2 5B l 30m8度时 l 2B l 24m 楼面宽度 框支剪力墙结构框支梁上的一层墙体不宜设边门洞 不得在中柱上方设门洞 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 各剪力墙间外荷载的分配 主要是水平荷载 假定楼板的平面内刚度为无穷大 各剪力墙承担的荷在载与其刚度成正比 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 作为整截面悬臂构件 按平截面假定计算截面应力分布 同样用材料力学的方法求位移 只是对有洞口的剪力墙应考虑洞口对位移的增大影响 整截面剪力墙的内力和位移计算 不开洞或虽有洞口但孔洞面积与墙面面积之比不大于0 16 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 整体小开口剪力墙的内力和位移计算 孔洞面积虽超过墙面面积的16 但总体来说洞口仍很小 接近于整截面剪力墙 墙肢洞口高度方向没有反弯点出现 截面受力后基本上保持为平面 正应力大体按直线分布 各墙肢中仅有少量的局部弯矩 只要作一些修正 就能利用材料力学的有关公式来进行整体小开口剪力墙的内力和侧移计算 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 整体小开口剪力墙的内力和位移计算 孔洞面积虽超过墙面面积的16 但总体来说洞口仍很小 墙肢弯矩 外荷载在计算截面所产生的弯矩 整个剪力墙截面对组合形心的惯性矩 第j墙肢的截面惯性矩 墙肢轴力 第j墙肢截面重心至组合截面重心的距离 第j墙肢的截面积 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 整体小开口剪力墙的内力和位移计算 孔洞面积虽超过墙面面积的16 但总体来说洞口仍很小 墙肢剪力 外荷载在计算截面所产生的总剪力 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 整体小开口剪力墙的内力和位移计算 孔洞面积虽超过墙面面积的16 但总体来说洞口仍很小 剪力墙的顶点位移 洞口削弱使墙体位移增大而引入的增大系数 墙肢截面积之和 剪应力分布不均匀系数 矩形截面1 2 T形截面1 5 等效刚度 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 开洞面积较大 截面的正应力已不成直线分布 墙肢的弯矩图除在连系梁处有突变外 个别地方还出现了反弯点 此类剪力墙称为联肢剪力墙 当开有一排洞口时称为双肢剪力墙 简称双肢墙 开有多排洞口时称为多肢剪力墙 简称多肢墙 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 以双肢墙为例 将仅在楼层标高处才有的有限连接点 连系梁和墙肢的连接点 看成是在整个高度上连续分布的无限个连接点 并作如下假定 忽略连系梁的轴向变形对墙肢水平位移的影响 各墙肢的变形曲线相似 各连系梁的反弯点位于该梁的跨度中央 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 以双肢墙为例 先研究切开处的相容关系 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 切开处的相容关系 切开处由于连系梁的弯曲与剪切变形使切口两边产生的相对位移为 连系梁的分布剪力 连系梁的截面惯性矩 连系梁计算跨度的一半 a a0 d 4 层高 连系梁考虑剪切变形的截面惯性矩 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 切开处的相容关系 外荷载作用下墙肢产生弯曲和剪切变形 由此引起的连系梁切口两边的相对位移 由于墙肢弯曲变形产生的转角 由于墙肢剪切变形产生的转角 墙肢轴线距离的一半 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 切开处的相容关系 由于墙肢轴向变形在连系梁切口两边产生的相对位移是 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 切开处的相容关系 总位移为0 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 联肢剪力墙的内力和位移计算 对相容方程微分两次 并引入 1 2和外荷载的关系 得出微分方程 联肢墙的整体系数 反映了连系梁刚度与墙肢刚度的比值 对双肢墙有 求解微分方程可求得约束弯矩m x 从而求得分布剪力q x 于是 便可进行墙体的内力和位移计算分析 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 可将剪力墙视作带刚域的所谓壁式框架来进行计算 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 当剪力墙的洞口尺寸很大且连系梁的线刚度接近墙肢的线刚度时 墙肢的弯矩图除在连系梁处有突变外 几乎所有的连系梁之间的墙肢都有反弯点出现 节点刚度大 连梁剪切变形不容忽视 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 壁式框架亦可采用D值法进行内力和位移计算 其原理和步骤同普通框架 只是由于刚域的存在以及剪切变形的影响 要对D值和反弯点位置进行一些修正 求得修正后的D值和反弯点的位置即可采用第四章中类似的方法进行结构分析 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 刚域长度 若按上式计算出的刚域长度为负值时 则取为0 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 柱的抗侧刚度 应用虚功原理可以推出带刚域的杆单元的线刚度为 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 柱的抗侧刚度 参照第四章导得 层高 见教材表5 12 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 柱下端刚域长度与柱高之比 大开口剪力墙 壁式框架 的内力和位移计算 柱的抗侧刚度 第四章中定义一般框架的反弯点高度如下式 无刚域部分柱长度与柱总高度之比 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 剪力墙分类的实用判别法 将联肢墙的整体系数 扩展到多肢墙则有 轴向变形系数 3 4肢时取0 8 5 7只肢时取为0 85 8肢以上时取为0 95 孔洞列数 反映了连梁和墙肢相对刚度的比值 但单靠该指标还不能确定剪力墙的类型 几乎相同 但剪力墙的类型不同 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙结构的受力分析 剪力墙分类的实用判别法 引入新的指标 剪力墙对组合截面形心的惯性矩 当 10 且IA I 时 为整体小开口剪力墙 当 10 且IA I 时 为壁式框架 当1 0 10 且IA I 时 为联肢墙 见教材中表5 13 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙的配筋形式 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙墙肢的承载力 剪力墙墙肢的正截面承载力分别按偏心受压或偏心受拉构件进行计算 在集中荷载作用处 尚应进行局部受压承载力计算 偏心受压时 剪力墙墙肢斜截面受剪承载力的设计公式为 计算剪跨比 M Vh0 2 2取2 2 T形I形截面腹板的面积 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙墙肢的承载力 偏心受拉时 剪力墙墙肢斜截面受剪承载力的设计公式为 剪力墙受剪截面的尺寸应符合下列条件 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 联系梁的承载力 剪力墙洞口连系梁正截面可按受弯构件正截面承载力进行计算 当连系梁的跨高比大于2 5时 其斜截面受剪承载力的设计公式为 连系梁的斜截面的尺寸应满足下列条件 对跨高比不大于2 5的连系梁 其斜截面的控制条件和承载力的计算方法及构造要求应按专门标准采用 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙的构造要求 材料和截面尺寸 钢筋混凝土剪力墙的混凝土强度等级不宜低于C20 墙中的分布钢筋和箍筋一般采用HPB235级钢筋 其它钢筋可用HRB335钢筋 钢筋混凝土剪力墙的厚度不应小于140mm 同时不应小于楼层高度的1 25 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙的构造要求 墙肢纵向受力钢筋 钢筋混凝土剪力墙按正截面承载力计算集中配置于墙水平截面两端的纵向受力钢筋 应位于由箍筋或水平分布钢筋和拉筋约束的边缘构件 暗柱 内 当按正截面计算不需要配置纵向受力钢筋时 应在墙水平截面两端各设置不少于两根 直径不小于12mm的竖向构造钢筋 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 分布钢筋 钢筋混凝土剪力墙的水平或竖向分布钢筋的配筋率 sh和 sv sh sv分别为竖向和水平分布钢筋的间距 不应小于0 2 重要部位的剪力墙 其水平和竖向分布钢筋的配筋率宜适当提高 剪力墙中温度 收缩应力较大的部位 水平分布钢筋的配筋率宜适当提高 水平和竖向分布钢筋的直径不应小于8mm 间距不应大于300mm 承受垂直于墙面的荷载的墙 如地下室 以及厚度大于160mm的重要部位的剪力墙应配置双排分布钢筋网 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 分布钢筋 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 分布钢筋 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙洞口处的处理 五 剪力墙结构的设计2 剪力墙的截面设计与构造要求 剪力墙联系梁的构造 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙的结构布置 框架 剪力墙结构应设计为双向抗侧力体系 主体结构不应采用铰接 需要抗震设防的框架 剪力墙结构 剪力墙宜双向布置 横向剪力墙宜均匀对称设置在建筑物的端部附近 楼电梯间 平面形状变化处及恒载较大的地方 横向剪力墙的间距宜满足教材表5 13的要求 当剪力墙之间楼面有较大的开洞时 剪力墙的间距应适当减小 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙的结构布置 纵向剪力墙宜布置在单元的中间区段内 房屋纵向较长时 不宜集中在两端布置纵向剪力墙 纵横向剪力墙宜布置成L型 T型和口字形等 当剪力墙肢截面长度大于8m时 可用门窗洞口或施工洞形成联肢墙 剪力墙的布置不宜过分集中 每道剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力40 剪力墙宜贯通建筑物全高 厚度随高度逐渐减薄 避免刚度突然变化 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙的结构布置 框架 剪力墙结构中的楼面结构是框架和剪力墙能协同工作的基础 应优先采用现浇楼面 高度不超过50m的框架 剪力墙结构若采用装配式楼面 6 7度抗震设防时 宜每层设现浇面层 8 9度设防时 应每层设现浇面层 面层的厚度不小于40mm 混凝土强度不低于C20 且双向配置 4 6 200mm 300mm的钢筋网 预制板缝应配筋并密实灌浆 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙结构的内力分析要点 基本假定 楼盖在其自身平面内的抗弯刚度为无限大 房屋在水平荷载作用下不发生扭转 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙结构的内力分析要点 内力分析 六 框架 剪力墙结构设计要点1 框架 剪力墙结构的内力分析要点