高层建筑的教学大纲.doc

“高层建筑结构设计”课程教学大纲Design of tall building structures 课 程编 号上 课学 期课内总学 时周学时内/外学分性 质课 程名 称 高层建筑结构设计5483必修课程编号： 课程名称：高层建筑结构设计 High-rise Building Structure Design先修课程：结构力学、混凝土结构原理、混凝土结构设计总学时：48 （授课学时：48 上机学时：0 实验学时：0）一、课程的性质、目的和任务 本课程为土木工程专业的一门方向性必修课。课程的目的及任务是学习高层建筑结构设计的方法和内容。了解高层建筑结构的结构体系及各种体系的特点与应用范围；熟练掌握风荷载及地震作用的计算方法；掌握框架结构、剪力墙结构、框剪结构等结构体系的内力及位移计算方法，理解不同结构内力分布及侧移变形的特点及规律；学会框架及剪力墙构件的配筋计算方法及构造要求。通过本课程学习，掌握高层钢筋混凝土结构的抗震设计原理及方法；初步掌握高层建筑结构计算机辅助设计软件的使用方法及特点。对筒体结构、钢结构、混合结构的内力分布、计算特点、结构设计和消能减震结构有初步认识。 第一章 高层建筑结构概述内容：1高层建筑的特点； 2国内外高层建筑的历史和现状3. 现代高层建筑结构的发展学习要求：1了解高层建筑的定义 2了解高层建筑的特点 3了解国内外高层建筑发展概况及趋势 要点、难点分析：1.学习高层建筑的特点时注意从其建筑功能和结构受力两方面来了解。2.高层建筑的特点：高层建筑中水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用；动力反应不可低估；结构轴向变形、剪切变形以及温度、沉降的影响加剧；材料用量、工程造价呈抛物线关系增长 第二章 高层建筑结构体系与布置内容： 1高层建筑的结构体系的建立和选型； 2结构布置的基本原则与实例； 3楼盖结构布置； 4基础结构布置。 学习要求： 1.熟悉高层建筑常用的各类结构体系的优缺点和变形特点以及适用范围； 2.了解结构总体布置的原则及需要考虑的问题； 3.了解各种结构缝的处理及地基基础选型等； 4.了解各类楼盖结构形式及适用范围。 要点、难点分析 一、高层建筑常用的各类结构体系的优缺点和变形特点以及适用范围。目前国内的高层建筑结构以钢筋混凝土结构为主，其结构体系主要有：框架结构、剪力墙结构体系、框架剪力墙结构(筒体)体系、筒体结构和巨型结构等。在学习过程中，注意从各个结构体系的概念、优缺点、受力变形特点及适用范围几方面来考虑；主要掌握框架结构体系、剪力墙结构体系和框架剪力墙结构(筒体)体系1、框架结构概念：框架由杆件梁、柱所组成的结构；优点：框架结构布置灵活，具有较大的室内空间，使用比较方便；缺点：由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；变形特点：剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小； 适用范围：框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。2、剪力墙结构体系概念：利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。优点：现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。变形特点：当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。适用范围：剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。3、框架剪力墙结构(框架筒体结构)体系概念：在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架简体结构体系。优点：综合了框架结构和剪力墙结构的优点，避开两种结构的缺点，应用较广。受力特点：框架剪力墙(筒体)结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙将承受大部分水平力(有时可达80一90)，是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高框架则承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力。变形特点：框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形，剪力墙则呈弯曲型变形。当两者通过楼板协同工作，共同抵抗水平荷载时；侧向变形将呈弯剪型。其上下各层层间变形趋于均匀，并减小了顶点侧移。同时，框架各层层剪力趋于均匀，各层梁柱截面尺寸和配筋也趋于均匀。适用范围：框架剪力墙(筒体)结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了,在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件(隔墙及外墙)的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，目前在我国得到广泛的应用。4筒体结构单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现，感兴趣的同学可以查阅相关参考书学习。5巨型结构。巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱(超级框架)或巨型衍架杆件(超级衍架)，以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适合应用的高度也不同。一般说来，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况；框架剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。二、结构总体布置及变形缝在进行结构总体布置时，在遵循结构布置原则的前提下，还应根据相关规范的要求，考虑各类结构缝的布置或处理。结构的平面布置必须有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力途径清楚；平面形状宜简单、规则、对称、尽量避免过大的外伸、内收，以减少地震层害的影响。一般从控制结构高宽比，结构平面形状和结构竖向布置等方面来考虑，另外要考虑缝的设置。这部分的内容在教材中有比较详细的论述，但在学习过程中一定要把握是结构布置，而不是建筑布置。关于温度缝、沉降缝、防震缝的设置，要注意设缝的原则是尽量少设缝或不设缝。在缝的设置的学习中注意掌握以下几个方面：1）在什么情况下要考虑设缝；2）设缝要遵循哪些原则；3）如果不设缝，如何消除由结构不对称、高差和温差引起的不良影响。三、楼盖结构的布置常见的楼盖结构体系有梁板式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖、非预应力平板、预应力平板、等在学习中注意各类楼板的结构布置，优缺点和适用范围。四、基础埋置深度及基础型式高层建筑高度大、重量大，在水平力作用下有较大的倾覆力矩及剪力，因此对基础及地基的要求也较高：要求有承载力较大的、沉降量较小的、稳定的地基；有稳定的、刚度大而变形小的基础；要防止倾覆和滑移，也要尽量避免由地基不均匀沉降引起的倾斜。与低层和多层建筑相比，高层建筑的基础埋深应当大一些。在高层规程中对基础埋深作了详细的规定。在高层建筑中常采用基础有箱形基础、筏形基础和桩基。如果天然地基可以满足承载力及沉降差限制的要求，选择天然地基比较经济。在基础选择时，也要主要各类基础的特点和适用范围，同时要考虑建筑的功能要求和地基条件，例如是否有地下室，是否为软弱地基等。五、结构方案的确定通过以上各部分的学习，在确定建筑方案后，要确定结构方案需考虑以下几个方面：1）抗侧力结构体系的选择，根据建筑高度、功能要求和各结构体系的适用范围选择出较经济合理的抗侧力结构体系；2）初步确定结构的平面布置和立面布置；3）选择合适的楼盖体系；4）确定基础埋深和基础型式；5）初估结构构件的截面尺寸。一般结构的方案确定需要反复考虑，协调建筑和结构之间、结构各部分之间的关系，并且要传力明确，经济合理，因而在高层建筑结构设计中要对结构方案的确定给予足够的重视。第三章 高层结构荷载计算内容： 1恒荷载及楼面活荷载的计算； 2风荷载的计算； 3地震作用的计算； 学习要求： 1掌握高层结构总风荷载和局部风荷载的计算； 2掌握用反应谱法计算等效地震作用的方法； 要点、难点分析：单位面积上风荷载的计算 一、要掌握风荷载标准值的计算公式及式中各参数的含义和取值式中的体型系数us，风压高度系数uz和风振系数z在学习中可能会出现问题，现说明如下：体型系数表中的正号表示作用在该建筑表面上的风荷载为压力，即力的作用方向指向作用表面，负号表示作用在该建筑表面上的风荷载为吸力，即力的作用方向远离作用表面。风压高度系数uz主要反映风速随高度变化的特点，具体值已在荷载规范或相关教材中给出，要注意采用2002版的新规范，指定教材仍采用的是89版的规范。对风振系数z的理解主要要清楚风作用在结构上时对结构产生了动力效应，但在一般情况中，为简化计算，将其等效为静力作用，但考虑动力影响，在风荷载计算时引入风振系数。二、高层结构总风荷载的计算要学会使用该公式计算结构的总风荷载，注意由该式计算的WZ为沿高度变化的线荷载，方向与风作用方向一致，注意式中体型系数的取值，夹角i为各表面法线与风作用方向的夹角，该角度为矢量。 三、地震作用的计算 高层建筑结构的抗震设计更加重要，因而大家应该重视地震作用的计算。由于在抗震结构设计中，已经将地震作用的计算作为重点进行了学习，在此不再冗述，考试也不作要求，但大家必须掌握底部剪力法和振型分解反应谱法。第四章 设计要求与荷载效应组合内容： 1高层结构承载力验算、侧移限制、舒适度要求、稳定和抗倾覆以及结构整体性能控制； 2. 抗震结构延性要求和抗震等级。 3. 荷载效应组合； 学习要求： 1.掌握高层结构承载力验算、侧移限制、舒适度要求、稳定和抗倾覆以及结构整体性能控制的方法和指标； 2.掌握抗震结构延性要求和抗震等级。 3.掌握荷载效应组合的原则与方法。 要点、难点分析： 1.高层建筑结构应满足承载力、刚度和舒适度、稳定和抗倾覆以及延性等要求，其刚度通过使弹性层间位移小于规定的限值来保证；必要时，为了保证在强震下结构构件不产生严重破坏甚至房屋倒塌，应进行结构弹塑性位移的计算和验算。刚重比是影响高层建筑结构整体稳定的主要因素，因此结构整体稳定验算表现为结构刚重比的验算；延性是结构抗震性能的一个重要指标，为方便设计，对不同的情况根据结构延性要求的严格程度，引入了抗震等级的概念，抗震设计时，应根据不同的抗震等级对结构和构件采取相应的计算和构造措施。 2.概念设计是高层建筑结构抗震设计的重要内容，应从场地条件、结构体系和抗侧刚度的合理选择、结构的结构平面和竖向布置、延性和地震能量耗散、薄弱层、多道抗震设防、缝的处理等方面，掌握高层建筑结构抗震概念设计的有关内容。 3. 荷载效应组合中大家要注意两点控制截面的概念、抗震组合及非抗震组合时恒载活载的分项系数和组合系数的取值。 第五章 高层建筑结构的近似计算内容： 1框架结构竖向荷载作用下、平荷载作用下的近似计算；2框架结构水平荷载作用下位移的近似计算；3. 整体剪力墙及整体小开口剪力、联肢剪力墙、壁式框架的计算； 4. 剪力墙结构的分类与判别； 5框架剪力墙铰接体系在水平荷载作用下的计算； 6框架剪力墙刚接体系在水平荷载作用下的计算； 7. 扭转效应的简化计算。 学习要求：掌握框架结构计算简图的确定、竖向荷载作用下的内力计算、水平荷载作用下的内力计算； 1.了解框架在竖向荷载作用下的内力计算方法分层法 2.重点掌握用反弯点法、D值法计算框架结构内力及位移；并理解这两种方法的区别及应用范围。 3.掌握剪力墙的几种手算方法的简化思路、特点及应用范围；了解开洞对剪力墙内力及位移的影响； 4.掌握几个重要概念：等效抗弯刚度、整体系数； 5.了解框架与剪力墙协同工作的意义； 6.能提出框架剪力墙结构的计算简图，掌握总框架、总剪力墙、总连梁刚度计算方法； 7.掌握几个重要概念：刚度特征值的物理意义及其对内力分配的影响； 8.了解框剪结构内力分布及侧移特点； 9.掌握扭转对结构的影响及工程设计中的应对措施； 10.了解质量中心及刚度中心的概念与近似计算方法。 要点、难点分析： 1. 用分层法或弯矩分配法对框架在竖向荷载作用下的内力进行计算； 2. 用反弯点法或D值法对框架在水平荷载作用下的内力进行计算； 3. 剪力墙结构的受力特点与计算特点，剪力墙结构的分类与判别，联肢墙结构内力、位移计算及结构设计方法。 4. 剪力墙结构内力与位移计算的数学演绎及规律性的分析和概括。 5. 对于剪力墙结构的机算方法仅做一般性的了解，对于教材中所介绍的一些手算方法要求深刻理解并掌握，这里也是要从中概括出一些规律性的知识点，以指导工程应用；对于等效抗弯刚度、整体系数、延性剪力墙等重要概念要深刻理解掌握。 6. 协同工作概念的建立，框剪结构内力、位移计算及结构设计方法。 7. 对于机算方法主要是了解其技术条件并学会对有关计算结果的评估； 8. 对于协同工作、刚度特征值等重要概念要深刻理解掌握。 第六章 框架结构设计内容： 1框架结构的布置与计算方法； 2框架结构的内力组合； 3框架梁的设计； 4框架柱的设计； 5框架节点的设计。 学习要求： 1. 掌握框架结构内力组合以及框架梁、柱和框架节点的设计。 2. 掌握框架柱和框架梁的截面设计，了解框架节点的设计过程 要点、难点分析： 框架结构设计设计步骤总结如下：1. 根据建筑设计进行结构布置，结构布置时注意第一章介绍的结构布置原则； 2. 选取恰当的平面框架作为计算单元，并由此得到计算简图，注意计算简图为平面刚架； 3. 计算该刚架上所作用的恒载、活载、风荷载和地震作用，方法见第三章； 4. 用分层法或弯矩分配法对框架在竖向荷载作用下的内力进行计算； 5. 框架结构的内力组合以及框架梁、柱和框架节点的设计。 6. 用反弯点法或D值法对框架在水平荷载作用下的内力进行计算，并进行变形验算； 7. 对控制截面的内力值按荷载效应组合方式进行组合； 8. 用在混凝土结构基本理论中所学的知识，并结合框架梁柱节点的构造要求对各构件进行截面配筋设计。 9. 框架截面设计：注意要把重点放在设计框架柱与基本构件中偏心或轴力受力柱的不同之处，框架梁与基本构件中梁的不同之处，以及梁柱刚接部位的特殊要求，比如，配筋计算时内力的调整，配筋量的限制及其他的一些构造构造要求。 第七章 剪力墙结构的设计 内容： 1剪力墙结构的布置与计算特点； 2剪力墙的截面设计及构造要求； 3底层大空间剪力墙的受力特点。 学习要求： 1. 理解剪力墙结构的受力特点与计算特点，了解工程常用计算软件的技术处理方案； 2. 掌握悬臂剪力墙及联肢剪力墙截面配筋的计算方法； 3. 了解剪力墙结构配筋特点及构造要求，了解影响剪力墙延性的因素； 4. 理解框支剪力墙、落地剪力墙的设计要点。 要点、难点分析： 1. 剪力墙结构的受力特点与计算特点，剪力墙结构的设计方法。 2. 各类剪力墙结构的配筋特点及构造要求， 第八章 框架剪力墙结构设计 内容： 1框架剪力墙结构的布置； 4框架一剪力墙结构构件的截面设计及构造要求； 学习要求： 1. 会进行框架一剪力墙的布置； 2. 了解框剪结构中框架、剪力墙的设计特点； 3. 掌握连系梁的设计。 要点、难点分析： 框剪结构结构设计方法。难点是框架一剪力墙中剪力墙数量的确定。 框架一剪力墙中连系梁的设计和延性要求。 第九章 高层建筑结构的空间计算及设计概念 内容： 1 杆件有限元计算方法及计算简化假定 2 框架结构设计 3 剪力墙结构的计算模型 4 框筒、筒中筒、束筒的计算及设计概念 5 框架-核心筒结构、框架-核心筒伸臂结构的设计概念与计算 6 转换层及加强层 学习要求： 1. 掌握结构空间计算的整体模型 2. 掌握杆件结构计算模型 3. 了解剪力墙结构模型 4. 了解框筒、筒中筒、束筒的计算 5. 了解框架-核心筒结构、框架-核心筒伸臂结构的设计概念、转换层及加强层概念 要点、难点分析： 联系结构矩阵分析，与结构空间组成对应，理解杆件结构空间分析的要点和原理，对剪力墙结构的受力特点和计算模型有初步认识。对框筒、筒中筒、束筒、框架-核心筒结构、框架-核心筒伸臂结构、转换层及加强层等高层结构型式有概念性理解。 第十章 高层钢结构与混合结构设计简介 内容： 1概述； 2高层钢结构的基本构件和结构布置； 3. 高层钢结构的构构件设计。 4. 混合结构的基本构件和结构布置； 3混合结构构件设计。 学习要求： 1. 理解高层钢结构、混合结