高层建筑结构设计课件.ppt

1 高层建筑结构 陈建伟cjw112002 2 目录 3 第一章绪论 4 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 9 16层 H 50M 17 25层 H 75M 26 40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 注 房屋高度是指自室外地面至房屋主要屋面的高度 不包括突出屋面的电梯机房 水箱 构架等高度 1 1高层建筑的特点 5 土地少 人口多 6 7 最高记录第一高楼 哈利法塔 原名迪拜塔 又称迪拜大厦或比斯迪拜塔 建筑现况 已完工投入使用 动土时间 2004年9月21日 封顶时间 2009年10月 使用时间 2010年1月4日 建筑高度 总高度828米 2 684英尺 建筑层数 162层 结构形式 钢筋混凝土结构 抗震能力 6 3级地震 建筑造价 105亿 RMB 占地面积 34 4公顷 设计单位 SOM 阿德里安 史密斯 建筑工人 1 2万名 建筑温差 底层 顶层 10 开发单位 伊玛尔地产 施工单位 中国南通六建 韩国三星工程 BESIX Arabtec 8 高度记录 哈利法塔与其他知名的高层建筑比较 最高的建筑 828米 2 717英尺 先前为美国北达科塔州高628 8米 2 063英尺 的KVLY电视塔 最高的自立建筑 828米 3 220英尺 先前为加拿大国家电视塔 553 3米 1 815英尺 最多楼层数 162层 先前为已完成的西尔斯大楼 110层 记录上最多的纽约世贸中心 110层 最高混凝土结构 601 0米 1 972英尺 先前为台北101屋顶 449 2米 1 474英尺 9 楼层用途 10 第二高楼 中国台北国际金融中心 也叫TAIPEI101大楼 建设地点 台北市信义区西村里信义路五段7号 开工时间 1999年7月 竣工时间 2003年10月17日 占地面积 30278平方米 建筑面积 28 95万平方米 建筑高度 508米 建筑层数 地上101层 地下3层 结构形式 钢筋混凝土结构 新式的 巨型结构 建筑造价 580亿元台币 投资单位 台北金融大楼控股有限公司 设计单位 李祖原建筑师事务所 建设用途 购物中心 办公 观景 施工单位 KTRT 英文名称 Taipei101 隐义Technology Art Innovation People Environment Identity 别称 台北国际金融中心 11 工程结构 建筑 TAIPEI101为世界首创的多节式摩天大楼 第27层至第90层共64层中 每8层为一节 一共8节 每八层所组成的倒梯形方块形状来自中国的 鼎 为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏 台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成 抵销风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器 而大楼外形的锯齿状 经由风洞测试 能减少30 40 风所产生的摇晃 基桩由382根钢筋混凝土构成 中心的巨柱为双管结构 钢外管 钢加混凝土内管 台北101所使用的钢至少有5种 依不同部位所设计 特别调制的混凝土 比一般混疑土强度强60 12 调质阻尼器 为了因高空强风及台风吹拂而造成的摇晃 大楼内设置了 谐质块阻尼器 是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球 利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度 据台北101告示牌所言 这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器 更是目前全球最大之阻尼器 13 第三高楼 上海环球金融中心 开工日期 1997年年初首次开工 后遭1997年亚洲金融危机停工 于2003年2月工程复工 竣工日期 2008年8月29日 用地面积 30 000 占地面积 14 400 建筑面积 381 600 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 建筑造价 1050亿日元 73亿人民币 投资单位 森海外株式会社 ForestOverseasCo Ltd 建筑设计 KPF建筑师事务所 结构设计 籁思理 罗伯逊联合股份有限公司 LERA 设计单位 上海现代建筑设计 集团 有限公司 华东建筑设计研究院有限公司 施工单位 中国建筑工程总公司 上海建工 集团 总公司总承包联合体 所获荣誉 2008年竣工的最佳高层建筑 美国芝加哥 高层建筑和城市住宅委员会 评选 14 上海环球金融中心建筑平面图 LowerFloorMax 12Tenants HigherFloorMax 14Tenants 15 上海环球金融中心五大之最 屋顶高度世界第一 492米 超过了之前屋顶高度世界第一的台北101大楼 480米 人可达到高度世界第一 474米 大楼100层的观光天阁是世界上人能到达的最高观景平台 世界最高中餐厅 416米 设在93层的中餐厅 将成为全球最高中餐厅 世界最高游泳池 366米 设在85层的游泳池 将夺得 世界最高游泳池 称号 世界最高酒店 设在大楼79至93层的柏悦酒店 将成为世界最高酒店 16 第四高楼 马来西亚吉隆坡石油双塔 建设地点 吉隆坡市中市KLCC计划区的西北角 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 建筑面积 28 95万平方米 建筑高度 45米 建筑层数 88层 结构形式 高轧制钢梁支托的金属板 钢筋混凝土 建筑造价 20亿马币 投资单位 马来西亚石油公司 设计单位 凯撒培礼建筑事务所 西泽配利 建设用途 办公 英文名称 ThePetronasTwinTowers 别称 佩重纳斯大厦 马来西亚国家石油大厦 国家石油双塔 双子塔 17 第五高楼 南京紫峰大厦 建设地点 位于南京鼓楼区鼓楼广场 东至中央路 西至北京西路 开工日期 2005年5月底 竣工日期 2008年9月28日 占地面积 18721m2 建筑面积 260000m2 建筑层数 地上89层 地下3层 建筑高度 381米 69米 施工单位 上海建工 建筑造价 40亿 投资单位 南京国资集团 上海绿地集团 建筑设计 由美国著名设计单位SOM与华东建筑设计研究院有限公司合作设计 18 第六高楼 美国芝加哥西尔斯大楼 建设地点 美国伊利诺伊州芝加哥 现名 韦莱集团大厦 2009年7月16日改名 开工时间 1972年 竣工时间 1974年 建筑面积 418000平方米 建筑高度 443米 527 3米含天线 建筑层数 地上110层 地下3层 结构形式 高层建筑抗风结构 建筑造价 39亿 投资单位 西尔斯百货公司 设计单位 SOM建筑师事务所 建设用途 办公 英文名称 SearsTower 别称 希尔斯大厦 19 第九高楼 上海金茂大厦 建设地点 中国上海浦东新区世纪大道88号 开工日期 1994年5月10日 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 建筑造价 50亿 投资单位 中国金茂 集团 股份有限公司 建筑设计 美国芝加哥SOM设计事务所 主创建筑师AdrianSmith 英文名称 JinmaoBuilding 20 第10高楼 美国纽约世贸中心姐妹楼 建设地点 美国的纽约州纽约市曼哈顿岛西南端 开工日期 1962年 竣工日期 1976年 占地面积 6 5公顷 建筑面积 每幢摩天楼面积46 6万平方米 建筑层数 地上110层 地下6层 建筑高度 北楼 417米 南楼 415米 结构形式 钢结构 建筑造价 7亿美元 投资单位 纽约州和新泽西州的港务局 建筑设计 美籍日裔建筑师M 雅马萨基 21 世界贸易中心遭撞击示意图 22 世界贸易中心南塔楼倒塌后 23 世界贸易中心北塔楼倒塌后 24 夕阳下的世贸 追思 25 26 27 28 29 1 2发展高层建筑的意义 在现代化大都市中 过度的人口和建筑密度 城市用地日趋紧张 真可谓寸土千金 使得人们不得不向空间发展 意义 1 节约用地 2 节省城市基础设施费用 3 改善城市市容 高层建筑的出现 不仅改变了城市的建筑布局 而且为当地的经济发展起到了巨大的带动作用 随着高性能材料的不断研制和开发 结构形式合理性的进一步研究 可以预见 在今后的土木工程领域 高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式 扮演重要的角色 因此 掌握高层建筑的设计知识 是对土木工程领域技术人员的基本要求 30 1 3高层建筑的特点 优点 高层建筑具有占地面积少 建筑面积大 造型特殊 集中化程度高 有较好的日照 采光和通风效果等优点 正是这些优点 使得高层建筑在现代化大都市中得到了迅速的发展 缺点 1 建筑的防火 防灾 热岛效应等已成为人们急待解决的难题 2 人口密度增加 造成城市拥堵 城市规划更高的要求 3 从受力角度来看 随着高层建筑高度的增加 水平荷载 风载及地震作用 对结构起的作用将越来越大 结构分析与设计要求高 31 1 4高层建筑的材料 现代高层建筑所采用的材料 主要是钢材和混凝土两种 不同国家 不同地区 不同结构形式所采用的结构材料不同 大致有以下几种形式 1 钢结构钢材强度高 韧性大 易于加工 钢结构构件可以在工厂加工 缩短了现场施工工期 施工方便 高层钢结构具有结构断面小 自重轻 抗震性能好等优点 但是 高层钢结构用钢量大 造价高 而且钢材的防火 防腐性能不好 需要大量的防火涂料和防腐处理 增加了工程工期和造价 32 2 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构造价低 材料来源丰富 可以浇注成各种复杂的断面形式 节省钢材 承载能力也不低 经过合理的设计 现浇钢筋混凝土结构具有较好的整体性和抗震性能 尤其是在防火和耐久性能方面 更是有着钢结构无法比的优势 缺点是自重较大 抗震性能不如钢结构 建造高度也不如钢结构 33 3 钢 混凝土组合结构将型钢布置在构件内部 外部由钢筋混凝土做成 或者是在钢管内部填充混凝土 做成钢 混凝土组合结构 此种形式使上述两种结构材料优势互补 结构具有很好的抗震性能 建造高度可与钢结构相当 经济合理 技术性能优良的钢 混凝土组合结构 是目前的发展趋势 目前世界最高建筑 吉隆坡的石油大厦 就是这种结构形式 34 1 5本课程学习要求 1 计算高层上的荷载与地震作用 2 掌握高层建筑结构的选型与布置原则 并能够正确地进行造型选择与结构布置 3 掌握各类高层建筑结构内力与变形的计算方法 4 掌握各类高层建筑结构构件与节点的配筋计算方法及构造要求 35 第二章高层建筑的结构体系与结构布置 36 2 1概述 2 1 1受力特点 底部轴力底部弯矩 均 倒三角形 顶部位移 均 倒三角形 37 随着高度H的增加 起控制作用的底部弯矩和顶部侧移随之成平方和4次方增长 由此可知 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 2 1 2设计基本原则一个建筑结构方案的确定 要涉及到安全可靠 使用要求 经济投入 施工技术和建筑美观等诸多方方面面的问题 原则 注重概念设计 重视结构选型和平 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 简而言之 应符合安全适用 技术先进 经济合理 方便施工 38 2 1 3结构体系结构体系 是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式 是建筑物的受力 传力 传载 构件系统 主要分为 竖向结构体系 水平结构体系 基础 水平结构体系 主要由梁 板等组成的楼板 屋盖等 承担竖向荷载 作用 1 承担竖向荷载 楼面或屋面荷载 2 连接各竖向结构构件 形成一个空间整体结构 3 抵抗扭矩 使各竖向构件侧移变形协调 共同工作 即空间协调工作 39 图例 各水平结构体系 40 竖向结构体系 主要由柱 剪力墙 筒体等构件组成 主要传递 承受 水平力 随建筑高度的增加水平力越来越大 因此要给建筑物设计一个强大的抵抗水平力的结构构件系统 如剪力墙结构体系等 基础 承托房屋全部重量及外部作用力 并将它们传到地基 另一方面 它又直接受到地震波的作用 并将地震作用传到上部结构 可以说 基础是结构安全的第一道防线 基础的形式 取决于上部结构的形式 重量 作用力以及地基土的性质 41 2 1 4常用结构体系 42 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 43 44 45 受力变形特点 高宽比H B 4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15 20层以下为宜 适用于工业 民用建筑高度 60米图例 北京民航办公大楼北京长城饭店 46 二 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 47 48 49 50 图例 某剪力墙结构广州白天鹅宾馆 51 不同形式剪力墙 52 三 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 53 图例 a 上海交大包兆龙图书馆 b 甘肃省图书馆 c 深圳西丽大厦 d 广州远洋大厦 54 55 四 筒体 由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的建筑结构 筒体结构的筒体分剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等 56 淮南广播电视中 下 1 框架 筒体组成构件 由核心砼内筒与外框架通过楼盖组成 上海虹桥宾馆 下 57 2 筒中筒组成构件 由实腹筒组成内部核心筒 外框筒或桁架筒组成外筒通过楼盖组成 图例 深圳国贸中心大厦 58 3成束筒 组成构件 两个以上框筒 或其他筒体 排成一起成束状 称为成束筒 图例 西尔斯大楼 59 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 60 五 巨型结构体系 61 高层建筑结构设计一般规定3 1 1高层建筑的抗震设防烈度必须按照国家规定的权限审批 颁发的文件 图件 确定 一般情况下 抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度 3 1 2抗震设计的高层混凝土建筑应按现行国际标准 建筑工程抗震设防标准 GB50223的规定确定其抗震设防类别 注 本规程中甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑分别为现行国际标准 建筑工程抗震设防标准 GB50223中特殊设防类 重点设防类 标准设防类的简称 3 1 3高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架 剪力墙 框架 剪力墙 板柱 剪力墙和筒体结构等结构体系 3 1 4高层建筑不应采用严重不规则的结构体系 并应符合下列要求 1应具有必要的承载能力 刚度和延性 2应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载 风荷载和地震作用的能力 3对可能出现的薄弱部位 应采取有效措施予以加强 62 3 1 5高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求 1结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布 避免因刚度和承载力局部突变或扭转效应而形成薄弱部位 2抗震设计时宜具有多道抗震防线 3 1 6高层建筑混凝土结构宜采取措施减小混凝土收缩 徐变 温度变化 基础差异沉降等非荷载效应的不利影响 房屋高度不低于150m的高层建筑外墙宜采用各类建筑幕墙 3 1 7高层建筑的填充墙 隔墙等非结构构件宜采用各类轻质材料 构造上应与主体结构可靠连接 并应满足承载力 稳定和变形要求 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 63 2 2结构布置的原则 2 2 1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 64 2 2 2不同结构体系建筑的适用高度 不同结构体系有不同的抗水平力的能力 适用不同高度的高层建筑 高层建筑砼结构技术规程 JGJ3 2010将高层建筑结构的最大适用高度分为A级和B两级 A级 是指目前数量 范围最广泛的建筑 乙 丙类 见课本表2 1 P11 凡超过表2 1 如建筑方案要求 则最大高度限制见表2 2 P11 对B级 高层建筑总高度尽量放宽 但其抗震等级及有关计算 构造措施均相应加严 另外为保证B级房屋建筑的设计质量 还需按有关规定进行超限高层建筑的抗震审查复核 65 2 2 3不同结构体系建筑的高宽比限制对高层建筑最大高宽比限制是概念设计的又一重要体现 高宽比实际上反映了建筑物的 苗条 程度 其目的是对结构刚度 整体稳定 承载能力和经济合理性的宏观控制 高层建筑结构可近似的看作固定于基础上的悬臂构件 因此增加建筑的平面尺寸对减少其侧移十分有效 高层建筑砼结构技术规程 JGJ3 2010对A级与B级建筑的限制见表2 3 P12 66 2 3 1建筑型体及构件布置建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性 不规则的建筑应按规定采取加强措施 特别不规则的建筑应进行专门研究和论证 采取特别的加强措施 严重不规则的建筑不应采用 注 形体指建筑平面形状和立面 竖向剖面的变化 67 结构平面布置在高层建筑的一个独立结构单元内 结构平面形状宜简单 规则 质量 刚度和承载力分布宜均匀 不应采用严重不规则的平面布置 三种平面不规则的类型 68 结构竖向布置建筑结构竖向布置应规则 均匀 避免有较大的外挑和内收 结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐的减小 避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变 侧向刚度要求 1 对框架结构 楼层与其相邻上层的侧向刚度比 1可按式2 1计算 且本层与相邻上层的比值不宜小于0 7 与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0 8 式中 1 楼层侧向刚度比 Vi Vi 1 第i层和第i 1层的地震剪力标准值 kN i i 1 第i层和第i 1层在地震作用标准值作用下的层间位移 m 69 2 对框架 剪力墙 板柱 剪力墙结构 剪力墙结构 框架 核心筒结构 筒中筒结构 楼层与其相邻上层的侧向刚度比 2可按式 2 2 计算 且本层与相邻上层的比值不宜小于0 9 当本层层高大于相邻上层层高的1 5倍时 该比值不宜小于1 1 对结构底部嵌固层 该比值不宜小于1 5 式中 2 考虑层高修正的楼层侧向刚度比 70 A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80 不应小于其相邻上一层受剪承载力的65 B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75 注 楼层抗侧力结构的层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上 该层全部柱 剪力墙 斜撑的受剪承载力之和 抗震设计时 结构竖向抗侧力构件宜上 下连续贯通 楼层质量沿高度宜均匀分布 楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1 5倍 71 三种竖向不规则类型 72 2 5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150m 250m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 73 2 3 3变形缝变形缝是伸缩缝 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 为防止由于温度变化 不均匀沉降 地震作用等因素引起的结构或非结构的损坏 建筑设计时 应采取调整平面形状 尺寸 体型等措施 结构设计时 应采取选择节点连接方式 配置构造钢筋 设置刚性层等措施 施工方面 应采取分阶段施工 设置后浇带 做好保温隔热层等措施 74 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 伸缩缝最大间距见表2 7 P16 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30 40M间距留出施工后浇带 带宽800 1000MM 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 75 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 76 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 设缝宜符合 高规 第3 4 10 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 H 15m 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 77 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 78 2 3楼盖结构布置特点 对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用 结构计算中一般假设楼板平面内刚度为无穷大 使空间问题变为平面问题 大大简化了计算 实际结构中也要求楼板应具有足够的平面内刚度以保持建筑物的空间整体稳定性及有效传递水平力 目前临沂地区绝大多数楼盖都是现浇楼盖 装配式楼盖在实际工程中有 但是不多 高层建筑砼结构技术规程 JGJ3 2010有如下规定 1 房屋高度超过50m时 框架 剪力墙结构 筒体结构及本规程第10章所指的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 79 2 房屋高度不超过50m时 8 9度抗震设计时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 3 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应采用现浇楼盖结构 一般楼层现浇楼板厚度不应小于80mm 当板内预埋暗管时不宜小于100mm 顶层楼板厚度不宜小于120mm 宜双层双向配筋 转换层楼板应符合本规程第10章的有关规定 普通地下室顶板厚度不宜小于160mm 作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构 楼板厚度不宜小于180mm 应采用双层双向配筋 且每层每个方向的配筋率不宜小于0 25 4 现浇预应力混凝土楼板厚度可按跨度的1 45 1 50采用 且不宜小于150mm 80 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 81 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 82 2 4基础结构布置高层建筑的基础主要有有以下几种 1 钢筋混凝土筏形基础当高层建筑层数不多 地基土较好 上部结构轴线间距较小且荷载不大时 可以采用钢筋混凝土筏形基础 2 箱形基础是高层建筑广泛采用的一种基础类型 它具有刚度大 整体性好的特点 适用于上部结构荷载大而基础土质较软弱的情况 它既能够抵抗和协调地基的不均匀变形 又能扩大基础底面积 将上部荷载均匀传递到地基上 同时 又使部分土体重量得到置换 降低了土压力 3 桩基也是高层建筑广泛采用的一种基础类型 桩基具有承载力可靠 沉降小的优点 适用于软弱地基土和可能液化的地基条件 震害调查表明 采用桩基常常可以减少震害 但是必须注意 在地震区 应避免采用摩擦桩 因为在地震时土壤会因震动而丧失摩擦力 83 高层建筑结构在罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算结构薄弱层 部位 层间弹塑性位移应符合下式规定 式中 up 层间弹塑性位移 p 层间弹塑性位移角限值 可按表2 13采用 对框架结构 当轴压比小于0 40时 可提高10 当柱子全高的箍筋构造采用比本规程中框架柱箍筋最小配箍特征值大30 时 可提高20 但累计提高不宜超过25 h 层高 84 结论 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 85 作业 名词解释 高层建筑 伸缩缝 沉降缝 防震缝 问答 1 高层建筑常用结构体系及其各自特点 适用范围 2 高层建筑抗震设防结构布置原则 3 几种常见楼盖形式及其各自特点 86 第三章荷载作用与结构设计原则 87 高层建筑所承受的荷载可分为竖向荷载和水平荷载两部分 竖向荷载中恒荷载和活荷载与一般结构相同 与多层区别的是 这里竖载远大于多层 可能引起底层相当大的内力及附加内力 如二阶弯矩 因此对高层侧移限制较严 又由于高层的特点 水平力的影响已上升为主要矛盾 抗风和抗震设计对高层建筑来说十分重要 88 3 1恒荷载及楼面活荷载的计算 3 1 1恒荷载 永久荷载 在结构使用期间 其值不随时间变化 或其变化与平均值相比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载 永久荷载应包括结构构件 围护构件 面层及装饰 固定设备 长期储物的自重 土压力 水压力 以及其他需要按永久荷载考虑的荷载 3 1 2活荷载 可变荷载 结构使用期间 其值随时间变化 且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载 民用建筑楼面均布活荷载 工业建筑楼面活荷载 屋面活荷载等 高层建筑活荷载不利布置产生的影响较小 且计算复杂 在设计中活荷载按满载考虑 不考虑活荷载的不利布置 89 3 2风荷载高层建筑除了地震作用的水平力外 主要的侧向荷载是风荷载 在荷载组合中起控制作用 因此高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计很重要 3 2 1风荷载标准值风对建筑物表面的作用力大小 与建筑物体型 高度 建筑物所处位置 结构特性有关 垂直于建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值可按下式计算 式中 高层建筑基本风压值 风压高度变化系数 风载体型系数 风振系数 90 基本风压值我国 建筑结构荷载规范 GB50009 2012 给出了各地的基本风压值 风荷载的基准压力 一般按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据 经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速 再考虑相应的空气密度 按贝努利 Bernoulli 公式确定的风压 基本风压应按本规范规定的方法确定50年重现期的风压 但不得小于0 3kN m2 对于高层建筑 高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构 基本风压的取值应适当提高 并应符合有关结构设计规范的规定 91 风压高度变化系数对于平坦或稍有起伏的地形 风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表3 3 P27 确定 地面粗糙度可分为A B C D四类 A类指近海海面和海岛 海岸 湖岸及沙漠地区 B类指田野 乡村 丛林 丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C类指有密集建筑群的城市市区 D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区 92 风载体型系数风载体型系数是指建筑物表面所受实际风压与基本风压的比值 通过实测可以看出 风压在建筑物表面的分布不是均匀的 在风荷载计算时 为简化计算 一般将建筑物各个表面的风压看成是均匀分布的 风荷载体型系数与高层建筑的体型 平面尺寸等有关 各种体型的风荷载体型系数见 建筑结构荷载规范 GB5009 2012 93 风振系数 建筑结构荷载规范 GB50009 2012规定对于高度大于30m且高宽度比大于1 5的房屋 以及基本自振周期T1大于0 25s的各种高耸结构 应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响 顺风向风振响应计算应按结构随机振动理论进行 对于符合本规范第8 4 3条规定的结构 可采用风振系数法计算其顺风向风荷载 风振系数的计算复杂 课下有兴趣自己可以研究一下 94 3 3地震作用 3 3 1地震的基本知识地震 地球在不停地运动 深部岩石的应变超过容许值 岩层将发生断裂 错动和碰撞 从而引发地面振动 按成因分类 地震分为天然地震和人工地震两大类 天然地震主要是构造地震 火山地震 陷落地震等 人工地震是指工业爆破 地下核爆炸造成的振动 高压注水以及大水库蓄水也会诱发地震 其中90 以上的地震为构造地震 95 96 震级 衡量地震释放能量的等级 用符号M表示 M lgAM5的地震称为破坏地震 M 7的地震称为强震或大地震 M 8的地震称为特大地震 地震烈度 地震时在一定地点震动的强烈程度 中国地震烈度表 将地震烈度分为12度 中国地震烈度区划图 给出了全国各地地震基本烈度取值 97 3 3 2地震作用的特点地震波传播产生地面运动 通过基础影响上部结构产生的振动称为结构的地震反应 包括加速度 速度和位移反应 大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作用 原因如下 地面水平振动使结构产生移动和摆动 扭转振动使结构扭转 其对房屋破坏性很大 但目前尚无法计算 主要采用概念设计方法加大结构的抵抗能力 以减少房屋破坏程度 地面竖向振动只在震中附近的高烈度区影响房屋结构 98 地面运动的特性可以用三个特征量来描述 强度 由振幅值大小表示 频谱和持续时间 强度 频谱和持续时间也被称为地震动三要素 其原因是 如果地震的加速度或速度幅值很大 但地震时间短 建筑的破坏可能不大 如果地面运动的加速度或速度幅值不太大 但地震波的卓越周期 频谱分析中能量占主导地位的频率成分 与结构物基本周期接近 或者振动时间很长 其将对建筑物造成严重影响 99 建筑本身的动力特性对建筑物是否破坏和破坏程度也很大的影响 建筑物动力特性是指建筑物的自振周期 振型和阻尼 它们与建筑物的质量和结构的刚度有关 质量大 刚度大 周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大 刚度小 周期长的建筑物位移较大 但惯性力较小 当地震波的周期与建筑物自振周期相近时 会引起类共振 结构的地震反应加剧 100 3 3 3房屋破坏的直接原因地震引起的山崩 滑坡 地陷 地面裂缝或错位等地面变形 对上部建筑物的直接危害 地震引起的砂土液化 软土震陷等地基失效 对上部建筑物的破坏 建筑物在地面激发下产生剧烈震动过程中因结构强度不足 过大变形 连接破坏 结构失稳或整体倾覆而破坏 101 3 3 4震害规律房屋体形方面 L形等复杂平面房屋破坏率显著增高 有大地盘的高层建筑群房顶面与主楼相接处 楼板面积突然减小的楼层破坏程度加重屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏 防震缝处多因缝的宽度太小而发生碰撞 102 结构体系方面相对框架体系而言 采用 框 墙体系 框剪体系 的房屋破坏程度轻 特别有利于保护填充墙和装饰免遭破坏 采用 填充墙框架 体系的房屋 在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时 柱上部易发生剪切破坏 外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏 采用 钢筋混凝土板柱体系 的房屋 或因楼板冲切破坏 或因楼层侧移过大柱顶 柱脚破坏 各层楼板坠落 重叠在地面上 采用 框托墙 体系 框支剪力墙 的房屋 相对柔弱的底层 破坏程度十分严重 103 刚度分布方面采用L形 三角形等不对称平面的建筑 地震时发生扭转破坏而使震害加重 矩形平面建筑 电梯间竖筒等抗侧力构件布置存在偏心时 同样因扭转而使震害加重 104 构件形式方面钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙 连梁 常发生斜向裂缝或交叉裂缝 在框架结构中 绝大多数情况下 柱的破坏程度重于梁和板 钢筋混凝土框架 如在同一楼层中出现长 短柱并用的情况 短柱破坏严重 短柱 钢筋混凝土结构中按内力计算值得到的剪跨比MC VCh0 不大于2 反弯点在柱子高度中部 柱净高与柱截面高度之比Hn h不大于4 配筋螺旋箍的钢筋混凝土柱 当层间位移角达到很大数值时 核心混凝土依然保持完好 依然具有较大的竖向承载力 对于配制方形箍的钢筋混凝土柱 箍筋绷开 核心混凝土破碎脱落 105 3 3 5高层建筑结构的抗震设防抗震设防烈度及抗震设防类别 根据 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 抗震设防烈度 按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度 一般情况下 取50年内超越概率10 的地震烈度 建筑工程抗震设防分类标准 GB50223 2008 建筑工程应分为以下四个抗震设防类别 1特殊设防类 指使用上有特殊设施 涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果 需要进行特殊设防的建筑 简称甲类 2重点设防类 指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑 以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果 需要提高设防标准的建筑 简称乙类 3标准设防类 指大量的除1 2 4款以外按标准要求进行设防的建筑 简称丙类 4适度设防类 指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害 允许在一定条件下适度降低要求的建筑 简称丁类 106 工程设计时根据抗震设防烈度和抗震设防分类分别采取抗震构造措施和计算地震作用具体见 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2010 抗震设防目标 根据 建筑抗震设计规范 按本规范进行抗震设计的建筑 其基本的抗震设防目标是 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 使用功能或其他方面有专门要求的建筑 当采用抗震性能化设计时 具有更具体或更高的抗震设防目标 抗震设防的三个水准目标即 小震不坏 中震可修 大震不倒 107 小 中 大震是指概率统计意义上的地震烈度大小 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2 3 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 108 各个地区和城市的设防烈度是由国家规定的 某地区的设防烈度 是指基本烈度 也就是指中震 小震烈度大约比基本烈度低1 55度 大震烈度大约比基本烈度高1度 109 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 110 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 111 3 3 6水平地震作用计算根据 建筑抗震设计规范 GB50011 20105 1 2条各类建筑结构的抗震计算 应采用下列方法 1 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 可采用底部剪力法等简化方法 2 除1款外的建筑结构 宜采用振型分解反应谱法 3 特别不规则的建筑 甲类建筑和表5 1 2 1所列高度范围的高层建筑 应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算 当取三组加速度时程曲线输入时 计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值 当取七组及七组以土的时程曲线时 计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值 112 底部剪力法结构总水平地震作用标准值计算公式 相应于结构基本自振周期T1水平地震影响系数 结构总水平地震作用标准值 结构等效总重力荷载代表值 结构总重力荷载代表值 113 质点i的水平地震作用标准值可按下式计算 顶层附加水平地震作用标准值计算公式 Fi 质点i的水平地震作用标准值 Gi Gj 分别为集中于质点i j的重力荷载代表值Hi Hj 分别为质点i j的计算高度 n 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下表采用 其他房屋可采用0 0 Fn 顶部附加水平地震作用 114 重力荷载代表值应取恒荷载标准值和可变荷载组合值之和 可变荷载的组合值系数见表5 1 3 115 水平地震影响系数建筑结构的地震影响系数应根据烈度 场地类别 设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定 其水平地震影响系数最大值应按表5 1 4 1采用 特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表5 1 4 2采用 计算罕遇地震作用时 特征周期应增加0 05s 注 周期大于6 0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究 116 建筑结构地震影响系数曲线 图5 1 5 的阻尼调整和形状参数应符合下列要求 1 除有专门规定外 建筑结构的阻尼比应取0 05 地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1 0采用 形状参数应符合下列规定 1 直线上升段 周期小于0 1s的区段 2 水平段 自0 1s至特征周期区段 应取最大值 max 3 曲线下降段 自特征周期至5倍特征周期区段 衰减指数应取0 9 4 直线下降段 自5倍特征周期至6s区段 下降斜率调整系数应取0 02 117 2当建筑结构的阻尼比按有关规定不等于0 05时 地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数应符合下列规定 1 曲线下降段的衰减指数应按下式确定 式中 曲线下降段的衰减指数 阻尼比 2 直线下降段的下降斜率调整系数应按下式确定 式中 1 直线下降段的下降斜率调整系数 小于0时取0 118 3 阻尼调整系数应按下式确定 式中 2 阻尼调整系数 当小于0 55时 应取0 55 采用底部剪力法时 突出屋面的屋顶间 女儿墙 烟囱等的地震作用效应 宜乘以增大系数3 此增大部分不应往下传递 但与该突出部分相连的构件应予计入 采用振型分解法时 突出屋面部分可作为一个质点 单层厂房突出屋面天窗架的地震作用效应的增大系数 应按本规范9章的有关规定采用 119 3 3 7水平地震层剪力最小值抗震验算时 结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求 式中VEki 第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力 剪力系数 不应小于表5 2 5规定的楼层最小地震剪力系数值 对竖向不规则结构的薄弱层 尚应乘以1 15的增大系数 Gj 第j层的重力荷载代表值 120 3 3 8竖向地震作用计算结构竖向地震作用的总标准值可按下列公式计算 结构质点i的竖向地震作用标准值计算公式 121 例1 单层单跨框架 屋盖刚度为无穷大 质量集中于屋盖处 已知设防烈度为8度0 30g 设计地震分组为二组 1类场地 屋盖处的重力荷载代表值G 700kN 框架结构体系自振周期0 336s 阻尼比为0 05 试求该结构多遇地震时的水平地震作用 解 1 确定水平地震影响系数最大值查表5 1 4 1 0 162 特征周期查表5 1 4 2 3 水平地震影响系数 122 4 计算水平地震作用 123 作业1单跨两层框架结构的水平地震作用计算条件 某二层钢筋混凝土框架 集中于楼盖和屋盖处的重力荷载代表值相等 G1 G2 1200kN H1 4m H2 8m 结构基本自振周T1 1 028s 第一振型 第二振型如下图所示 建筑场地为II类 抗震设防烈度为7度 设计地震分组为第二组 设计基本地震加速度为0 01g 结构的阻尼比为0