高层建筑结构体系与结构布置ppt课件.ppt

高层建筑结构设计 电话 办公室 明志楼A411 第2章高层建筑结构体系与结构布置 2 1概述2 2结构布置原则2 3楼盖结构布置2 4基础结构布置2 5水平位移限值和舒适度要求2 6结构布置实例 2 1概述 一 高层建筑的结构形式结构方案选择 在满足建筑使用要求的前提下 选择结构形式 结构体系和结构布置 1 砖石结构优点 取材容易 施工简便 造价低廉 缺点 自重大 强度低 抗震性能差 施工难以机械化 工人劳动强度高 工期长和结构面积大 难以用于高层房屋 国内目前砖石结构房屋只建到19层左右新型砌体结构 配筋砌体 10层以上采用 北京拟建30层 公元524年的河南嵩岳寺塔 15层简筒结构 高50m 公元704年的西安大雁塔 7层砖木结构 总高64m 公元1055年的河北定县料敌塔 11层筒体结构 高82m 2 钢筋混凝土结构优点 结构强度较高 抗震性能较好 并具有良好的可塑性 造价低 耐火性能好 侧向刚度大 截面形式多样缺点 构件截面较大 自重大 使用空间受限 施工工序复杂 建造周期较长且受季节的影响 应用情况 我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构 今后仍将是高层建筑发展的主流 最早混凝土框架结构高层建筑是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼 16层 高64m 目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m 其次是平壤柳京饭店达105层305m 广州广东国际大厦 63层 200 18m 底层柱尺寸已达1 8 2 2m 3 钢结构优点 钢结构强度高 自重轻 具有良好的延性和抗震性能 能够满足建筑上对大跨度 大空间的要求抗震性能优于钢筋混凝土结构减轻结构自重 降低基础工程造价减少建筑中结构所占的面积施工周期短 工厂制作 现场安装 无须大量脚手架 压型钢板可以作为混凝土楼板的永久模板 可节约20 30的施工时间缺点 造价高 耐火性能差 大量防火涂料的使用也影响工期与造价 钢结构 高强度螺栓连接法 4 组合结构钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的混合结构体系 框架柱多采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱 框架梁多采用型钢混凝土梁或钢梁 侧向刚度大于钢结构结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间施工速度比钢筋混凝土结构快结构面积小于钢筋混凝土结构发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用 美国西雅图双联广场大厦58层四根大钢管混凝土柱混凝土抗压强度133Mpa直径3 05m管壁厚30mm承受60 竖向荷载 上海环球金融中心 RC核心筒 外伸桁架和巨型 型钢 柱 三重结构体系 101层 高492m 7度抗震设防 核芯筒 底部剪力墙 台北101金融大楼高508米 采用方钢管混凝土柱 混凝土核心筒混合结构 大楼历时5年多 耗资600亿币 总面积7万多平方米 共容纳了160多家商店 包括地下5层 其中B2到B5为地下停车场 地上101层 其中有78层是办公大楼 裙楼部分则是购物中心 1998年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦 PetronasTower 88层 高452m 为当时世界最高的建筑 在第40与41层之间有一座连接双子塔的空中走廊 是目前世界上最高的过街天桥 双塔平面是两个扭转并重叠的正方形 用较小的圆形填补空缺 双塔的外檐为46 36m直径的混凝土外筒 中心部位是74 8英尺 75 4英尺高强钢筋混凝土内筒 18英寸高轧制钢梁支托的金属板与混凝土复合楼板将内外筒连系在一起 4架钢筋混凝土空腹格梁在第38层内筒四角处与外筒结合 塔楼由一个筏式基础和长达340英尺但达不到基岩层之4英尺 9英尺截面长方形摩擦桩 位于圆形与正方形重送交接点位置处的16根混凝土柱子支承上部结构荷载 结构形式选择的基本要求 经济性 必要时考虑综合经济效果 技术条件 包括设计技术 施工技术等 材料供应情况受力特点 二 高层建筑的结构体系 1 框架结构 framestructure由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构 优点 建筑平面布置灵活 能提供较大的室内空间 易于满足多功能的使用要求 自振周期长 地震反应小 经合理设计后可具有良好的延性 计算理论比较成熟 在一定高度范围内造价较低 缺点 抗侧移刚度小 抗震性能差 侧向位移较大 易使填充墙开裂 并引起非结构构件的破坏 修复费用高 适用范围 非抗震地区和层数较少的多 高层住宅 饭店 办公楼及其它公共建筑 15以下较适宜 分类 按照施工方法 现浇框架装配整体式框架装配式框架 框架结构体系 典型的框架体系平面图 平面形状复杂的框架平面图 框架结构体系 板柱结构体系 优点 施工方便 使用空间大 布置灵活 传力途径更简捷 可有效增加净空高度 缺陷 节点处受到柱集中力作用 对板抗剪不利 节点抗震性能差 整体刚度小 适用范围 仓库 停车场 层高受到限制的场合 无梁楼盖结构体系 注 由 形 形 形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构 框架结构受力及设计要点 1 全部荷载由梁柱承担 2 框架侧向变形由梁柱弯曲变形与柱轴向变形两部分组成 3 整体侧向变形呈剪切型变形 4 应设计为双向框架结构 5 隔墙应采用轻质隔墙或轻质填充材料 6 宜采用现浇混凝土楼盖 2 剪力墙结构 shearwallstructure由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构 2 剪力墙结构 shearwallstructure由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构 优点 结构刚度很大 空间整体性好 水平荷载作用下侧向变形小 用钢量较省 抗震性能好 房间墙面及天花板平整 层高较小 特别适用于住宅 宾馆等建筑 缺点 自重大 基础处理要求较高 墙体间距小 平面布置不灵活 不利于布置大开间房间 不能满足公共建筑的使用要求 一般剪力墙间距3 8m 适用范围 适于10 30层高小开间建筑 解决方法 底部大空间剪力墙结构 框支剪力墙 带转换层高层建筑结构 底部若干层部分剪力墙取消刚度差异 限制落地剪力墙的比例和剪力墙之间的间距 转换层 板式转换和梁式转换 为满足公共建筑的使用要求 需布置大开间房间 底部大空间剪力墙 部分框支剪力墙 结构 框支剪力墙的特点 底层刚度削弱 刚度突变避免刚度突变的措施把框架层扩展为2 3层 随层逐渐变化在框架的最上层设置设备层 作为刚度的过渡层尽可能得将一部份剪力墙延伸到底层以加强整个房屋的刚度 3 框架 剪力墙结构 frame shearwallstructure由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构 框架 剪力墙 特点 剪力墙 核心筒 承担大部分水平力 是主要的抗侧力构件 框架承担竖向荷载 提供较大的空间 受力合理 各层层间变形均匀 既具有框架结构布置灵活 方便使用的特点 又有较大的刚度和较强的抗震能力抗侧刚度 抗侧刚度较大适用范围 适用于10 25层各类公共建筑和旅馆建筑 框架 筒体可到30 40层 1 剪力墙数量以满足位移限制为依据设置剪力墙数量 2 剪力墙的布置及间距宜分散不宜集中满足建筑使用要求和结构刚度的要求纵横向剪力墙布置均应满足要求布置应均匀 分散 对称 周边 使刚度中心和质量中心尽量接近 避免扭转效应剪力墙的间距不宜过大 保证楼盖刚度足够剪力墙应贯通全高 结构上下刚度连贯均匀 剪力墙的布置原则 1 剪力墙宜沿主轴方向或其它方向双向布置 墙肢截面简单规则 2 剪力墙应尽量布置在结构区段的楼梯间 电梯间 平面形状变化及恒载较大的部位 剪力墙间距不宜过大 3 纵 横剪力墙宜组成L T 形等型式 4 剪力墙应贯通建筑物全高 避免刚度突变 洞口应尽量做到上下对齐 5 抗震设计时 剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50 6 较长的墙肢宜开设洞口将其分成长度均匀的若干墙段 墙段之间用弱连梁连接 每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2 墙肢截面高度不宜大于8m 在侧向荷载作用下的框架 剪力墙变形 4 筒体结构 空间受力体系 tubestructure由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构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 4 筒体结构 空间受力体系 tubestructure由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构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 特点 空间抗侧刚度 抗扭性很好适用范围 适用于30层以上各类公共建筑 框筒体系桁架筒筒中筒体系多筒体系 布置在房屋四周 由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体 内筒承受竖向荷载 外筒承受水平荷载 柱距一般在1 2 3m 框筒梁比较高 梁高600mm以上 开洞面积在60 以下 1931年102层帝国大厦 钢框架 剪力墙体系 用钢量2 06kN m21972年110层世界贸易中心 筒中筒结构体系 用钢量1 81kN m21974年110层西尔斯大楼 钢成束筒结构体系 用钢量1 61kN m2 1 框筒结构 桁架形成的筒体 钢材 节省材料实例 香港中国银行 钢斜撑 钢梁 钢骨组合混凝土柱的空间桁架体系 用钢量1 4kN m2 2 桁架筒结构 由核心筒和密柱外围框筒 桁架筒 组成的高层建筑结构 抗风 抗震能力好 深圳国际贸易中心大厦50层 158m 钢筋混凝土筒体 外筒由钢骨混凝土和钢柱组成 3 筒中筒结构 tubeintubestructure 框筒及筒中筒体系结构平面 框筒体系 筒中筒体系 广东国际大厦 63层 200m 钢筋混凝土内筒体 外筒由钢骨混凝土和钢柱组成 广东国际大厦建筑面积101632平方米 楼高200 18米 采用天然片筏和条形基础 主楼结构采用无粘结预应力砼楼板筒中筒体系 外筒为35 1米 37米的矩形平面 由24根中柱和4根异形角柱组成 内筒为17米 24米的矩形平面 由梯井和电梯间等剪力墙组成 是当时国内层数最多最高的钢筋混凝土结构 也是世界上采用无粘结预应力平板楼最高的大楼 按常规做法 楼板需要30厘米厚 而本工程将楼板厚度降至22厘米 结仅此项技术以及由此取得的良性影响 就节省混凝土7000多立方米 重量达2万吨 工程施工中综合应用了十项新技术 在超高层建筑施工成套技术和管理方面作了有益的探索 取得了六天一层楼而不必三班倒的施工速度 工程于1989年12月28日比原计划提前63天封顶 上海金贸大厦 框架 筒体结构 共88层 高420 5米 用于办公 宾馆 内筒为八角形钢筋混凝土核心筒 外筒由八根复合巨型柱 8根钢柱 用钢量0 7kN m2 8个巨型组合柱 1 5m 4 9m C50 0 9m 3 5m C35 直径2 75m钢管桩 上覆盖4m厚 64m 64mC50整体桩承台 桩打入地下84m深处 4 成束筒结构 由若干筒体并联而成 强度 刚度均很大多筒体结构 多个钢筋混凝土剪力墙筒体 适应于复杂平面的布置要求 芝加哥西尔斯大厦地上110层 地下3层 高442米 SOM建筑设计事务所设计 结构工程师是1929年出生于达卡的美籍建筑师F 卡恩 他为解决像西尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题 提出了束筒结构体系的概念并付诸实践 整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构 离地面越远剪力越小 大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻 芝加哥西尔斯大厦为了减少剪切力 只在每一处向里收缩的下两层处 设备层 设置斜角撑 114个基础沉箱直抵基岩层 支承大楼222500t重量 西尔斯大厦用钢材76000吨 每平方米用钢量比采用框架剪力墙结构体系的帝国州大厦降低20 仅相当于采用5跨框架结构的50 顶部设计风压为305千克力 米2 设计允许位移 振动时允许产生的振幅 为建筑总高度的1 500 即900毫米 建成后最大风速时实测位移为460毫米 共安装了102部电梯 5 巨型结构体系 利用筒体作为柱子 在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连 筒体和巨型梁即构成巨型框架 巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度 5 巨型结构体系由两级结构组成一级 跨越若干楼层的巨梁 巨柱 超级框架 或巨型桁架 提供较大的抗侧刚度和承载力 承受水平力和竖向荷载 二级 其它楼层梁柱 承受竖向荷载并将荷载产生的内力传递到一级结构上 上海证券交易所 巨型结构体系的特点 结构整体刚度大 侧向刚度大 体系灵活多样 有利于抗震 巨型结构的次结构只是传力结构 柱子不必连续 可布置大空间或空中台地或大门洞 柱子仅承受巨型梁间的少数几层荷载 截面可以做得很小 施工进度快 具有更大的稳定性和更高的效能 可节省材料 降低造价 使建筑物更加经济实用 世界上最高的全钢结构电视塔 河南省广播电视发射塔电视塔采用的是有别于传统钢塔的巨型结构体系 塔身由内筒 外筒及底部五个 叶片 形斜向支撑构成 外筒为格构式巨型空间钢架 内筒为竖向空间桁架构成的巨型柱 工程占地141亩 总建筑面积5 8万平方米 总投资 亿多元 发射塔设计净高388米 比埃菲尔铁塔高67米 成为河南省乃至中原地区的地标性建筑 2 2结构布置原则 结构抗侧力体系的选择控制结构高宽比H B结构平面布置原则结构竖向布置原则不规则结构设缝原则结构截面尺寸初估 一 结构抗侧力体系的选择根据建筑高度选择抗侧力体系 二 控制结构高宽比H B控制结构刚度和侧移说明 结构合理 满足侧移和自振周期 经验算可以适当放宽 三 结构平面布置原则板式平面 宽度小而长度较大的房屋 控制长宽比 塔式平面 长宽较接近的建筑物平面布置要求 有利于抵抗荷载 受力明确 传力清楚 均匀对称 减少扭转影响平面形状宜简单 规则 对称 减少偏心 避免过大的外伸 内收平面长度不宜过长 避免两端振动不一致使建筑物破坏 突出部分不宜过大 凹角部分容易产生应力集中 楼板加强 且凹角和端角不宜设楼电梯间 不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面抗侧力结构布置时 宜对称 均匀 使刚度中心与荷载作用中心尽量接近 避免产生扭矩筒体结构多采用正多边形 圆形 矩形和等边三角形 抗震不利结构平面 不对称突出部分过长 L B过长 突出部分过长 选择有利于抗震的结构平面 四 结构竖向布置的要求高宽比限制 保证建筑物在水平力作用下不发生倾覆 保证建筑物的整体稳定性布置原则 结构的强度 刚度宜均匀 连续 不突变 竖向刚度突变的原因1 结构竖向体形突变 1 顶部收进形成塔楼 小塔楼因鞭梢效应而放大地震作用 且塔楼的质量和刚度越小 地震放大越明显 2 楼层外挑内收 结构刚度和质量变化大 地震作用下易形成薄弱环节 2 结构体系的变化 1 底部大空间要求 底层若干层剪力墙不落地 产生刚度突变 措施 尽量增加落地剪力墙 柱 筒体截面尺寸 提高混凝土等级 减少刚度变化 2 中部楼层部分剪力墙中断 不宜超过1 3 不允许超过1 2 墙体加强 3 顶部大空间 高振型影响显著 竖向规则建筑要求 当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0 2时 上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的75 当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时 上部楼层水平尺寸B不宜大于下部楼层水平尺寸B1的1 1倍 且水平外挑尺寸a不宜大于4m 选择有利于抗震的竖向布置刚度均匀而连续 避免刚度突变 建筑抗震设计规范 GB50011 2010中规定的三种平面不规则类型和三种竖向不规则类型 平面不规则类型包括扭转不规则楼板凹凸不规则楼板局部不连续竖向不规则类型包括侧向刚度不规则竖向抗侧力构件不连续楼层承载力突变 五 不规则结构 1 当楼层最大弹性水平位移或层间位移 大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的1 2倍时 为扭转不规则 大于1 5倍时 为扭转严重不规则 平面不规则类型 2 结构平面凹进的一侧尺寸 大于相应投影方向总尺寸的30 l Bmax 0 3时 为楼板凹凸不规则 平面不规则类型 3 楼板的尺寸和平面刚度急剧变化 如楼板有效宽度小于典型宽度的50 或开洞面积大于该层楼层面积的30 或较大的楼层错层 为楼板局部不连续 平面不规则类型 1 侧向刚度不规则该层侧向刚度小于相邻上一层的70 或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的50 除顶层或出屋面小建筑外 局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的20 竖向不规则类型 2 竖向抗侧力构件不连续柱 剪力墙 支撑在某层中断 其内力由水平转换构件 梁 桁架 向下传递 竖向不规则类型 3 楼层承载力突变结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80 竖向不规则类型 高层建筑中有个别项目超过上述不规则类型的指标 则此结构为不规则结构 若有多项超过不规则类型的指标 或某一项超过不规则指标过多 此结构为特别不规则 若有多个项目超过不规则的指标比较多 或某一项超过了严重不规则的上限 则为严重不规则 高层建筑允许采用不规则结构 但需采取计算和构造方面的有效措施 要尽可能避免特别不规则结构 不允许采用严重不规则结构 六 设缝原则 1 缝的分类 沉降缝 伸缩缝和防震缝 2 设缝的优缺点 优点 用缝将复杂建筑分为规则的部分 或减小温度应力 缺点 影响建筑使用功能 立面处理不便 基础防水不易处理等 趋势 目前趋势是避免设缝 或尽可能少设缝 六 设缝原则 1 温度缝 防止结构因温度变化和混凝土干缩变形产生裂缝 基础以上上部结构断开 温度缝 沉降缝 防震缝 高层建筑结构伸缩缝的最大间距 六 设缝原则 1 温度缝 防止结构因温度变化和混凝土干缩变形产生裂缝 基础以上上部结构断开 温度缝 沉降缝 防震缝 工程中避免设伸缩缝的措施1 顶层 底层 山墙和纵墙端开间等温度变化较大的部位提高配筋率 2 阳光直射屋面采用隔热措施 加厚屋面隔热保温层 或架空通风屋面外墙设置外保温层 3 高层建筑在顶部设置双墙或双柱 做局部伸缩缝 4 采用收缩小的水泥 减小水泥用量 加入外加剂 5 提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力 2 沉降缝 由于可能产生地基不均匀沉降 基础与上部结构均断开 沉降差异的处理方法 放 设置沉降缝问题 结构 建筑 施工困难 防水防渗难抗 刚性很大的基础问题 不经济调 设计 施工中采用措施调整沉降差异 减少沉降产生的结构内力调压力差 时间差 标高差后浇带 采用不同的基础形式调整沉降差 群房做在主体悬挑基础上 3 抗震缝 抗震设防的建筑物 当建筑的平面 层数 质量 刚度差异较大 或错层时 基础以上上部结构断开 说明 地震区避免设缝 必须设缝要给予足够宽度防震缝最小宽度 注明 框剪和剪力墙结构房屋的防震缝宽度 分别采用框架结构防震缝宽度的70 和50 但都不小于100mm 防震缝宽度按照不利体系考虑 按较低高度计算防震缝应沿房屋全高设置 地下室和基础可不设 但在防震缝处应加强构造和连接 设置伸缩缝 沉降缝时必须按照防震缝的要求 高度重量相差较大 平面不规则 七 结构截面尺寸初估 柱截面轴压比梁截面板厚 2 3楼盖结构布置 1 平板体系2 无梁楼盖3 密肋楼盖 井式楼盖4 肋形楼盖 单向板 双向板 5 扁梁楼盖 2 3楼盖结构布置 1 平板体系由矩形柱网 梁和板组成 仅在柱轴线上设梁 适用于7 15米柱网的工业 民用及公共建筑结构采用 优点 板底平整 结构高度低 美观 2 无梁楼盖优点 结构高度小 板底平整 整体性好 构造简单 施工支模简单 楼面钢筋绑扎方便 设备安装方便缺点 抗弯刚度减小 挠度增大 柱子周边可能会引起局部板的冲切破坏层高受限情况下 公共建筑常采用无梁楼盖 最好采用现浇柱帽合适跨度 普通钢筋混凝土楼面6m以内 预应力混凝土楼面9m活荷载较大时较经济 可适用于多层厂房 商场 库房等