建筑结构选型之高层建筑的其它设计方法PPT

第五章高层建筑结构的其它设计方法 5 1选择有效的房屋形式以控制侧移5 2楼屋盖结构5 3基础5 4国内外高层建筑实例 5 1选择有效的房屋形式以控制侧移 控制侧移的途径 选择合适的结构体系砖混结构 框架结构 框剪结构 剪力墙结构 框筒结构 筒中筒结构 成束筒结构 巨型框架结构 选择有效的房屋形式 有效的房屋形式 外柱倾斜的房屋形式 图例 设计方案 1 二 上窄下宽的房屋形式 三 圆形或椭圆形房屋形式 图例 设计方案 2 图例 设计方案 3 四 三角形房屋形式 五 新月形房屋形式 楼 屋 面结构 肋梁楼盖无梁结构井字梁结构密肋结构 小间距 小梁钢 混凝土组合结构后张预应力技术 加大柱距 降低层高 单向板 两对边支承 或四边支承而l1 l2 2双向板 四边支承而且l1 l2 2优点 受力合理缺点 使用净空间受限 肋梁楼盖 肋梁楼盖 肋梁楼盖 无梁结构 特点 钢筋混凝土板直接支承在柱上 无主次梁 板较厚 有柱帽优点 板底平整 可有效利用净空 便于管道在室内天棚架设 可使隔墙安设在楼盖的任何地方 缺点 结构整体刚度差 抗震性能不好适用范围 冷藏室 仓库 商场 多层工业厂房分类 现浇 一般装配 升板式 现浇无梁结构 1组成 板 柱 柱帽柱网 正方形 跨度不超过6米 矩形 长短跨比不大于4 3 板柱结构 柱帽形式及构造 板带划分 装配式无梁楼板 分类 单向板 双向板 1组成 跨中板 柱上板 柱帽 单向板无梁楼板 1组成 双向跨中板 柱上板 柱帽 双向板无梁楼板 无梁楼板升板结构 无梁楼板升板结构 无梁楼板升板结构 图例 井字梁体系 图例 井字梁体系类型 大跨井字梁楼面 图例 密肋体系 图例 密肋体系 图例 密肋体系 楼 屋 面结构 3 钢 混凝土组合结构钢梁 混凝土楼板钢梁 压型钢板作混凝土楼板永久底模 钢 混凝土组合楼盖 组合楼盖类型现浇钢筋混凝土板组合楼盖钢梁与现浇混凝土板通过剪力联结件组成 预制钢筋混凝土板组合楼盖预制 预应力 混凝土板 两预制板间留有槽口 用细石混凝土浇筑 钢梁上焊有栓钉 可在预制板进行叠合 形成叠合楼板 压型钢板组合楼盖压型钢板作为施工底模和混凝土板的组合部分 混凝土板与凹凸相间压型钢板和和带剪力联结件浇筑在一起 图例 钢 混凝土体系 现浇板组合楼盖 预制板组合楼盖 压型钢板组合楼盖 压型钢板组合板 主要依靠压型钢板纵向波槽作用为加强与压型钢板沿凸肋方向的粘结作用 在钢板上制作压痕 开小孔 焊接横向钢筋为减小压型钢板与混凝土之间相对滑移 须设置端部锚固件 压型钢板 组合梁 板工作原理 混凝土与钢梁共同作用基础混凝土与钢梁界面的抗剪混凝土与钢梁界面设置抗剪联结件 以抵抗钢梁与混凝土板之间的相对滑移组合梁在弯矩作用下符合平截面假定 组合梁 板工作原理 楼 屋 面结构 4 后张预应力技术 加大柱距 降低层高预应力大梁预应力楼板预应力悬挑梁 板大跨度预应力楼板 预应力混凝土技术 概念 张拉钢筋并利用混凝土阻止钢筋恢复变形 使混凝土获得压应力 定义 高强度钢材 较高强度混凝土 先进工艺 现代设计概念和设计方法的高效预应力混凝土 优点减轻结构重量 减小截面尺寸 增大结构跨度增大使用空间改善使用性能改善卸载后的恢复能力提高耐疲劳强度充分利用高强度钢材 预应力混凝土梁的基本原理 图例 板内预应力钢筋 大跨多层框架结构 高层建筑预应力楼面 1 高层建筑预应力楼面 2 5 3基础 基础形式与受力特点独立基础条形基础十字型基础片筏基础箱型基础桩基础 图例 独立基础 图例 条形基础 图例 十字形基础 单独基础 条形基础和十字框架形基础底面积小 地基所能提供给它的承载能力低 一般多应用于层数较少的多层工业厂房和民用房屋中当多层框架房屋的基础条件较好 承载力高 土层均匀时 可以考虑单独基础 当荷载较大或地基比较软弱时 多层框架房屋则采用条形基础当采用一般条形基础仍不能满足强度和刚度要求时 可采用十字形基础当地基持力层略深或土层分布不均时 也可采用刚性墙单独基础或刚性墙条形基础 片筏基础 特点 片筏基础以整个房屋下大面积的筏片和地基相接触 可以传递很大的上部荷载 并且具有良好的整体刚度 适用于地基承载力较低 上部结构荷载较大的工程 平板式筏片基础厚度大用料多 刚度较差 但施工较方便倒交梁楼盖式片筏基础厚度小 用料省 刚度好 但施工麻烦 费模板 图例 片筏基础 构造要求 1 混凝土筏形基础下的垫层厚度不小于100mm 强度等级不低于C10 筏形基础混凝土强度等级不宜低于C20 防渗等级不应低于S6 2 筏形基础与柱 墙的连接框架柱与基础梁连接时 梁应局部加宽 使柱外皮至梁边的净宽不小于50mm 剪力墙与筏形基础相连处应加厚 形成基础梁 或直接落在基础梁上 3 施工后浇带每隔20 40m设一道 收缩裂缝产生 后浇带宽大于800mm 设置在柱距三等分的中间1 3范围内 等到基础顶板完工14天后 采用比设计强度高一级的无收缩混凝土浇筑 图例 基础后浇带 筏形基础一般伸出外墙1米左右 使筏形基础面积稍大于上部结构面积筏形基础不必设置很多内部墙体 可以形成较大的自由空间片筏基础在地基较软且不甚均匀时 常显得过小 难于满足要求 这时可采用箱形基础 箱形基础 特点 由数量较多的纵向与横向墙体和有足够厚度的底板 顶板组成刚度很大的箱形空间结构 整体刚度好 能将上部荷载角均匀地传递给地基有利于抗震 图例 箱形基础 箱形基础结构布置的要求 1 平面尺寸应满足地基承载力的需要 一般与上部结构相同 如地基承载力不足 可以向外扩大 2 箱基高度H 1 8 1 12 HH 1 16 1 18 LH 3m 当采用桩基础 基础埋深小于H 12时 可以有一部分箱基露出地面 作为半地下室 3 箱基埋深采用天然地基时不小于H 15 采用桩基时不小于H 18 4 纵墙和横墙的布置沿周边布置外墙 内墙一般沿上部结构的柱网或剪力墙下布置 墙体宜在纵横两个方向均匀布置 构造要求 1 墙体的厚度和配筋外墙最小厚度为250mm 内墙最小厚度为200mm 墙体分布钢筋采用双排双向钢筋 间距不大于200mm 直径不小于 外墙 竖向钢筋12mm 水平钢筋10mm内墙 10mm墙身上下连续配筋墙身混凝土强度等级不宜低于C20 外墙防渗等级不应低于S6 2 筏形基础与柱 墙的连接框架柱与箱形基础连接处 墙应局部加宽 使柱外皮至墙边的净宽不小于50mm 3 顶板和底板顶板厚度不小于150mm 底板厚度不小于300mm 顶板和底板的钢筋间距不宜大于200mm 直径不宜小于12mm 4 后浇施工带同筏形基础 图例 桩基础 图例 预制桩 桩长 现场预制桩不宜超过 米 工厂预制不宜超过 米桩身混凝土强度不低于 图例 桩工作原理 图例 灌注桩 桩身混凝土强度等级不低于 链接 图例 预制桩 桩长 现场预制桩不宜超过 米 工厂预制不宜超过 米桩身混凝土强度不低于 图例 桩工作原理 图例 灌注桩 桩身混凝土强度等级不低于 图例 灌注桩 桩身混凝土强度等级不低于 链接 七 结构转换层 转换层作用转换层结构特点 大跨度 巨大荷载作用结构形式实腹梁孔腹梁桁架箱型结构厚板结构 转换层的结构功能 结构转换层概念 实腹梁式转换层 孔腹梁式转换层 桁架式托梁转换层 箱形楼盖转换层 厚板式转换层 结构选型 上部结构类型 下部结构选型 结构布置 定位轴线 构件布置 设置变形缝 方案设计 尺寸估算 结构选型 上部结构 水平结构 竖向结构 肋梁楼盖 井式楼盖 无梁楼盖 框架结构 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 筒体结构 筒中筒结构 多筒结构 成束筒 巨型框架 密肋楼盖 组合楼盖 预应力楼盖 结构体系选择 主要考虑因素建筑物高度 结构抗侧刚度与抗震性能建筑物用途 建筑平面布置 空间利用要求抗侧移能力框架结构 框剪结构 剪力墙结构 框筒结构 筒中筒结构 成束筒结构 巨型框架结构 各种结构体系的适用层数 框架结构 15层以下 最经济为10层 框架 剪力墙结构 30层以下 最适宜为11 25层 剪力墙结构 40层以下 最适宜为16 40层 框筒结构 30层以下筒中筒结构 30层以上的超高层 房屋适用的最大高度与结构体系 房屋类型与结构体系 图1装配式结构实例 结构选型 上部结构类型 下部结构选型 结构布置 平面布置 设置变形缝 方案设计 尺寸估算 竖向布置 结构布置 尽量避免部分突出及刚度突变 控制房屋的长宽比L B不宜超过4 0 结构平面布置的原则 1 结构平面布置简单 规则 对齐 对称 有利于抵抗水平荷载 图例 不利抗震建筑平面 抗侧力结构的布置应尽可能使房屋的刚度中心与地震力合力作用线接近或重合 1 沿房屋的竖向高度刚度和质量分布均匀 不要发生过大的突变 二 结构立面布置的原则 房屋顶部不宜有局部突出和刚度突变 如不能避免 突出部分应逐步收小 并需作抗震验算 图例 结构薄弱层反应 H是指建筑物地面到檐口高度B是指建筑物平面的短方向总宽 控制结构高宽比H B 高宽比超过限值需进行整体稳定性和抗倾覆验算 伸缩缝 沉降缝 抗震缝 变形缝设置 表1钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距 1 建筑物建在不同的地基土壤上 2 当同一建筑物相邻高度相差在两层以上或部分高度差超过10m时 3 当建筑物部分的基础底部压力值有较大差别时 4 原有建筑物与新建建筑物之间 5 当相邻的基础宽度和埋置深度相差悬殊时 6 平面形状较复杂的建筑物 分成几个形状 设置条件 在房屋的下列部位应设防震缝 建筑平面突出部分较长处 如L形 T型 I形 H形 U形平面等 房屋有错层 且楼面高较大处 房屋各部分的刚度 高度及重量相差悬殊处 表2防震缝的最小宽度注 表中H为相邻结构单元较低的屋面高度 m 柱 梁 墙 板 构件种类 框架横梁截面 梁高h 1 8 1 12 l梁跨梁宽b 1 2 1 3 h梁高框架柱截面的宽与高 1 15 1 20 H 层高 刚度 使用要求 七 现浇楼盖中的梁板的尺寸要求 七 现浇楼盖中的梁板的尺寸要求 5 5国内外高层建筑实例 1深圳国际贸易中心大厦2深圳亚洲大酒店3上海证券大厦4动力智能大厦 东京 5香港中国银行6世界贸易中心大厦 1深圳国际贸易中心大厦 位于深圳市罗湖区中心 1984年建成 主体为53层的塔式商业办公楼高160米 平面为正方形群房部分为5层钢筋混凝土结构 1深圳国际贸易中心大厦 结构类型 钢筋混凝土结构结构体系 筒中筒 53层 高160米 商业办公楼 平面布置 塔式 正方形 L B 1 平面对称外框筒内4个实腹筒 井格式电梯井 楼梯 管道井 服务间 卫生间等 1深圳国际贸易中心大厦 立面上 主体和群房设缝或铰接剪力墙厚和柱截面逐渐变化使立面刚度变化均匀连续柱墙延伸到地下室的底部旋转餐厅由内筒支撑H B 160 34 6 4 62 6 1深圳国际贸易中心大厦 楼盖 整浇宽梁连续板 梁500mm 500mm伴厚110mm 1深圳国际贸易中心大厦 塔楼基础为大孔径灌注桩内筒沿主要筒壁布桩 深圳亚洲大酒店 深圳亚洲大酒店 深圳亚洲大酒店主楼 地下一层 地上33层 高114 1m 平面为Y形 主楼结构采用钢筋混凝土巨型框架体系 是利用建筑平面中心部位的三角形芯筒和三个翼肢的端筒作为主框架的4根立柱 与每隔6个楼层设置的箱形楼盖作为大梁 来构成平面为Y形的大型主框架 深圳亚洲大酒店 1结构类型 钢筋混凝土结构2结构体系 巨型框架体系 地上33层 高114 1m 大酒店 3平面布置 塔式 Y形 L B 1 平面对称利用建筑平面中心部位的三角形芯筒和三个翼肢的端筒作为主框架的4根立柱 与每隔6个楼层设置的箱形楼盖作为大梁 来构成平面为Y形的大型主框架 深圳亚洲大酒店 在主框架的每层大梁上建立一个6层楼高的次框架 作为其间6个楼层的局部承重结构 次框架的柱距为4 0m 跨度为4 2m 5 6m 4 2m 层高为2 9m 在每榀次框架的顶层 所有中柱均在第6层楼板处中止 为第6楼层造就出一个全楼面的无柱大空间 方便了该楼层使用上的合理布局 深圳亚洲大酒店 深圳亚洲大酒店 上海证券大厦位于浦东新区陆家嘴金融贸易区 是一个多功能性质的综合建筑 主要由证券交易厅和综合办公楼以及其他商业 服务设施等组成 地上建筑30层 地下3层 总高120m 总投资1 48亿美元 地上建筑面积为79086m2 地面以下建筑面积16753m2 为巨型框架 支撑外露体系 上海证券大厦 上海证券大厦 1结构类型 钢结构2结构体系 巨型框架体系 地上建筑30层 地下3层 总高120m 多功能证券交易厅和综合办公楼 3平面布置 塔式 矩形 L B 平面对称大厦的抗侧力体系 在南北方向为巨型钢桁架和东西各一个框筒体系 立面 门式造型 简洁新颖 具有现代感 并与周围环境相协调整个立面包括三个基本组成部分 其一是位于第20 26层的巨型桥式结构 其二是9层高的裙房 位于桥式结构之下 其三是高耸的帆桅式构筑物 标志着证券交易所至为重要的通讯设备联络 楼面结构采用钢梁 压型板和混凝土组成共同作用的组合楼板和组合梁体系 上海证券大厦 香港中国银行 72层 368m建于1989年1结构类型 钢2结构体系 巨型桁架中国银行大厦造型来源于美籍华人建筑师头脑中一个竹笋 节节生长 的形象 大厦的基座是个传统的方筒 随着楼层往上四方体被分成四个三角体并开始一个个地收束掉 在第25层处扔掉第一个 38层处第二个 51层处第三个 中国银行大厦顶上以一个55英尺高 纵跨70个楼层中的17个楼层的共享大厅作收束 上部为四个三角形巨型空间桁架平面52m 52m第二层为转换层 设置跨度为52m的周边空腹桁架和中部四角锥桁架作为巨型框架梁 最后传递给四根巨型角柱 香港中国银行 香港汇丰银行 1985年建成的香港汇丰银行大楼 地面以下四层 地面以上43层 高l75m 采用矩形平面 底层平面尺寸为55m 72m 建筑规划要求大楼底层为全开敞式大空间 与前面的皇后广场自然地连成一片 由于开敞底层限制了上部框架落地 最后确定采用钢结构悬挂体系 a 结构平面 b 结构纵剖面 c 结构横剖面香港汇丰银行大楼 香港汇丰银行 香港汇丰银行 由八根 格构柱 和五层纵 横向桁架梁组成悬挂体系的主构件 承担着整个大楼的全部水平荷载和竖向荷载 每根格构柱是由两个方向间距分别为4 8m和5 1m的四根圆形钢管 以及沿高度每隔3 9m的四根纵 横向变截面箱形梁所组成 沿房屋的横向 构架柱的净距为11 1m 沿房屋的纵向 一对格构柱之间的净跨度为33 6m 两端悬臂长度为10 8m 各道桁架梁之间的4 7层楼板 通过吊杆悬挂在上一层的桁架梁上 风荷载作用下的结构分析结果表明 纵向或横向水平力作用下 结构体系的侧移曲线均属剪切型变形 图例 竖筒悬挑体系 1 同济大学图书馆扩建 利用原图书馆天井空地 芯筒直径8 3m 悬挑7 65m 动力智能大厦 东京 它是一座集办公 旅馆 公寓以及商业 文化体育活动为一体的综合性特高楼房 地下7层 地上200层 高800m 总建筑面积为l50万平方米 该大楼由l2个单元体组合而成 每个单元体是一个直径50m 高50层的筒形建筑 动力智能大厦 东京 结构采用由支撑框筒作柱 立体桁架作梁所组成的巨型框架体系 每隔50层 200m 设置一道巨型梁 整个框架是由12根巨型柱和11根巨型梁构成 每段柱是一个直径为50m 高200m的支撑框筒 在平面布置上 1层 I00层 4个支撑框筒布置在方形平面的4个角 两个方向的中心距均为80m 101层 150层 3个支撑框筒布置在三角形平面的3个角 150层 200层 为一个支撑框筒 动力智能大厦 东京 动力智能大厦 东京 优点 圆柱形支撑框筒具有最小的风荷载体型系数 巨型梁处的透空层进一步减小风压值 结构的高宽比值较小 其值为6 2 对任何方向的水平荷载 都具有较大的抗推刚度和抗倾覆能力 双向斜杆式的圆柱形支撑框筒 各杆件受力均匀 支撑框筒的立柱采用内填高强混凝土的钢管 具有很大的受压承载力 动力智能大厦 东京 一 世界贸易中心简介 1 1 1世界贸易中心的建筑形式纽约世界贸易中心占地约6 5公顷 耗资7亿美元 由7栋建筑物组成 纽约世界贸易中心有5万人在其中工作 有46部高速电梯 114部区间电梯 8部货梯 设计者 著名的美籍日裔建筑师雅马萨奇 主楼为一姊妹塔楼 建造时间为1966 1973年 高度分别为413m 411m 每一栋楼均为地上110层 地下6层 每栋楼的建筑面积为41 8万m2 一 世界贸易中心简介 2 双子高度世界第四 美国第二 纽约第一 世界贸易中心竣工时 是全球最高的建筑 为世贸中心做了100多个方案1962年的一天 雅马萨奇收到纽约 新泽西港务的一封信 问他可愿承担一次建筑任务 其投资额为2 8亿美元 雅马萨奇认为数额过大 怀疑是多写了一个 0 一 世界贸易中心简介 3 结构类型 钢结构结构体系 外筒体系 属 框架筒体系 中最知名的实例 高度413m 411m 地上110层 地下6层 贸易中心 平面布置 塔式 正方形 L B 1 平面对称 一 世界贸易中心简介 3 标准层平面尺寸为 63 5m 63 5m内筒尺寸为24m 42m 标准层高度为3 66m 内筒至外筒的跨度为18 3m及10 7m 建筑的高宽比为6 5 一 世界贸易中心简介 4 塔楼的抗侧力体系是单一的外筒体系 内外筒间的梁与外筒 内筒的连接为铰接 承受竖向荷载 外筒的每一面侧墙上有59根箱形截面柱承担侧向荷载 竖向荷载主要由内筒承担 结构的刚度和整体性 一 世界贸易中心简介 5 1 3世界贸易中心的安装 1 3世界贸易中心的安装 二 世界贸易中心倒塌过程 1 2 1世界贸易中心倒塌前后的曼哈顿 倒塌前的曼哈顿 倒塌后的曼哈顿 三 世界贸易中心倒塌原因分析 2 3 2强烈的爆炸与燃烧据有关专家测算 爆炸威力相当于20t的TNT 200 以内时钢材性能没有很大变化 430 540 之间则钢材强度急剧下降 480 时钢材强度将降为原来的1 2 800 时 钢结构不能承担荷载 三 世界贸易中心倒塌原因分析 4 3 4薄弱的梁柱连接导致逐层柱的设计承载能力取决于材料 柱的截面形式 截面尺寸和柱的计算长度 水平结构构件为高900mm的搁栅 间距为2 04m 侧向辅以次搁栅 外框柱的间距为1 02m 芝加哥西尔斯大厦建成年份 1974年 层数 110层 高度 443m 结构型式 钢结构 世界第二美国第一高楼 仅次于吉隆坡石油大厦双塔 芝加哥西尔斯大厦 芝加哥西