[工学]高层建筑结构设计[1]

2.2.1 结构平面布置 1、基本要求 高层建筑的结构平面布置，应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力直接，力求均匀 对称，减少扭转的影响。,高层建筑结构总体布置包括：结构平面布置和结构竖向布置,高层建筑结构的基本体系。,3、变形缝的设置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。,2.2.2 结构竖向布置 高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续,不应突变。竖向布置应符合下列要求：,第 3 章 荷载和地震作用,高层建筑结构设计,标 题,本章主要内容：,主要内容,3.1 竖向荷载3.2 风荷载3.3 地震作用,3.1 竖向荷载,第3章 高层建筑结构的荷载,与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构； 2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； 3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。,3.1 竖向荷载,3.2 活荷载1、楼面活载,3.1 恒荷载,3、屋面雪荷载4、施工活荷载,3.2 风荷载,3.2 风荷载,空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风，与建筑物有关的是靠近地面的流动风，简称为近地风。当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。,对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一方面风又使建筑物产生风力振动。（静力动力）,3.2 风荷载,3.2.1 风荷载标准值,3.2 风荷载,4）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验（）单体风压体型系数,例:,（2）群体风压体型系数对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。高层规程规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。（3）局部风压体型系数在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.0。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。,3.2 风荷载,4、风振系数 ）风速特点：风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。 ）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，即对风压值乘以风振系数。,3.2 风荷载,3.2.2 总风荷载 总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。 z高度处的总风荷载标准值按下式计算：,3.3地震作用,1、抗震设防的三水准目标,2、抗震设计的两阶段方法,我国的抗震思路：,第4章 设计要求及荷载效应组合,1、设计要求2、荷载效应组合及最不利位置,4.1 强度问题构件截面承载力验算,要求荷载效应组合构件最不利内力承载力极限状态设计表达式无地震作用组合 SR有地震作用组合 SR/RE关于S抗震结构与有无地震作用组合高层建筑结构荷载组合表达式关于R抗震结构抗弯承载能力 = 非抗震结构抗弯承载能力抗震结构抗剪承载能力 = 非抗震结构抗剪承载能力*80%,4.2 刚度问题正常使用条件下结构水平位移验算,目的防止主要结构开裂、损坏防止填充、装修开裂、损坏防止过大侧移，以引发人的不适、影响正常使用、产生附加内力表达式双控（弹性位移）层间位移 u/hu/h（防止倒塌的弹塑性位移）顶点位移 u/H u/H荷载组合不考虑重力荷载引起的侧移各水平荷载单独作用荷载分项系数取1.0位移限值地震作用下的位移限值略宽松新规范的两点修正取消与“装修标准”有关的提法限值略偏严格,目的高层结构在风荷载作用下，应满足人们使用的舒适度的要求。表达式-结构定点加速度（ ）要求：住宅、公寓 办公、旅店,4.3 舒适度要求风载作用下的定点加速度,4.4 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算,一般不需验算H/B5时宜验算抗倾覆验算表达式 MMM稳定力矩=竖向荷载（ 50%楼面活载+90%恒载）对基础边缘取矩M倾覆力矩=由风荷载或地震作用（或二者组合）计算的基础顶面 处的最大倾覆力矩整体稳定性验算表达式 GteEIeq/(8H2)Gte顶端等效重力荷载设计值= GiHi2 /H2EIeq验算方向的抗侧力构件等效刚度和Gi第i层重力荷载设计值,Gte HGi EIeqHi,4.5延性问题抗震结构的延性要求,结构抗震等级确定方法根据确定抗震等级的设防烈度、结构类型、结构高度确定延性结构设计原则四项措施提高构件延性强柱（墙）弱梁强剪弱弯强节点（锚固）弱构件罕遇地震作用下的弹塑性变形验算一般不验算，但须采取构造措施验算需验算结构的界定（范围）表达式单控（弹塑性）up/hup/h 验算方法简化方法或时程分析法,经验问题抗震结构的概念设计要求,概念设计要点选择有利场地和地基选择延性好结构体系与材料规则结构延性结构减轻自重避开地震动反应谱特征周期避免薄弱层减少扭转协调承载能力与延性的关系设置多道抗震防线实现合理屈服耗能机制提高整体性,4.6 荷载效应和地震作用效应的组合,高层建筑结构的荷载效应和地震作用效应的组合表达式如下：（1）无地震作用效应组合时,式中 荷载效应组合的设计值； 、 、 永久荷载、楼面活荷载和风荷载的分项系数； 永久荷载效应标准值； 楼面活荷载效应标准值； 、 楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。,（2）有地震作用效应组合时,式中 S 荷载效应和地震作用效应组合的设计值； 重力荷载代表值的效应；水平地震作用标准值的效应；竖向地震作用标准值的效应；,第5章 框架、剪力墙、框-剪结构的近似计算 方法与设计概念,5.1 基本假定1、一片框架或一片剪力墙可以抵抗在本身平面内的侧向力，而在平面外的刚度很校，可以忽略。2、楼板在其自身平面内刚度无限大，楼板平面外刚度很小，可以忽略。,5.2 框架结构的近似计算方法,平面框架的计算方法有：弯矩分配法、无剪力分配法、迭代法等。 工程中常用的框架结构内力的近似计算方法：,竖向荷载下的 分层法；,水平荷载下的 D值法,水平荷载下的 反弯点法；,框架近似计算的另外基本假定：1、忽略梁、柱轴向变形及剪切变形；2、杆件为等截面（等刚度），以杆件轴线作为框架计算轴线；3、假定结构无侧移。,一、竖向荷载作用下的分层法,基本假定：,2、忽略本层荷载对其它各层内力的影响。,即：竖向荷载只在本层的梁内以及与本层梁相连的框架柱内产生弯矩和剪力，而对其它楼层框架梁和隔层框架柱不产生弯矩和剪力。,（1）除底层以外其它各层柱的线刚度均乘以 0.9 的折减系数；,（2）除底层以外其它各层柱的弯矩传递系数取为 1/3 。,1、忽略框架在竖向荷载作用下的侧移和由它引起的侧移力矩；,如图所示：按各开口刚架计算由此产生的误差，计算时作如下修正：,梁固端弯矩 梁柱杆端弯矩（节点不平衡弯矩分配） 梁柱杆端剪力 柱轴力 最后应将各层框架还原为整体框架,框架还原：梁、柱弯矩同位叠加，并对框架节点处得不平衡弯矩进行重分配；梁柱剪力由其两端弯矩和承担的其它荷载根据平衡条件求得;柱轴力最后计算，为与其相连上层各梁剪力之和。,二、水平荷载作用下的反弯点法,（1）求各柱剪力时，假定各柱上下端都不发生角位移，即认为梁的线刚度与柱线刚度之比为无限大（一般要求大于3）；即各柱的抗剪刚度只与柱本身有关,（2）确定柱反弯点位置时，假定除底层以外的各层柱的上下端节点转角均相同，即除底层外，假定各层框架柱的反弯点位于柱高的中点；对于底层柱，则假定其反弯点距支座2/3柱高处。即反弯点位置是定值。,（3）梁端弯矩可由节点平衡条件求出，并按结点左右梁的线刚度进行分配。,基本假定：,14. 3 计算方法,三、水平荷载作用下的 D 值法,（1）由于梁柱线刚度之比不可能为无穷大，故框架各节点会产生转角，且框架各层节点转角不可能相等，故柱的反弯点位置也不可能都在 柱中点；,（2）由于梁柱线刚度之比不可能为无穷大，框架各节点会产生转角，故柱的抗侧移刚度不完全取决于柱本身，还与梁的刚度由关。,1、反弯点法存在的问题,2、修正后的柱抗侧移刚度,考虑柱上下端节点的弹性约束作用后，柱的抗侧移刚度为：,3、修正后的柱反弯点高度,各柱反弯点的位置取决于该柱上下端转角的比值。若柱上下端转角相同，反弯点则在柱高中点；若柱上下端转角不同，则反弯点偏向转角大的一端，即偏向约束刚度较小的一端。,影响柱两端转角大小的因素：侧向外荷载形式；梁柱线刚度比；结构总层数及该柱所在层数；柱上下横梁线刚度比；上下层层高变化。,4、框架内力计算步骤：,1）求框架柱的抗侧刚度 D ；,2）求各柱剪力 VjK = ( Djk/Djk ) VFj ；,3）求各柱反弯点高度 y, 并由各柱 Vjk 计算柱端弯矩 M1 和M2 ；,4) 利用节点平衡并按刚度分配求梁端弯矩；,5.3 剪力墙结构的近似计算方法,抗侧力结构单元和承重单体均由剪力墙（R.C墙）组成的空间结构体系称为剪力墙结构。5.3.1 剪力墙结构的受力特点及计算方法 结构组成： 竖向：纵、横墙 体系 （竖向分体系） 水平：楼盖 体系（水平分体系） 承受荷载： 竖向：恒载、使用活载、竖向地震 作用 水平：水平地震作用、风荷载,剪力墙的受力特点与类型 一般将其简化为平面结构，假定剪力墙在自身平面内受力，在侧向荷载作用下处于二维应力状态，应用平面有限元方法计算，但大都将其简化为杆系采用结构力学的方法作近似计算。 剪力墙是否开洞以及洞口的大小与分布情况对其受力与变形影响很大。 剪力墙根据开洞情况的不同分两大类：1）不开洞或开洞但洞口分布规则；2）不规则开洞剪力墙。,1）不开洞或开洞但洞口分布规则，可近似计算： （1）整体墙（小开口整体墙）：16及洞口长边与洞口净距、洞边与墙边近距； （2）联肢墙：开洞较大但规则整齐，洞口间的连梁对墙肢的约束能力较强； （3）独立墙肢：连梁约束能力弱，墙肢刚度较大； （4）壁式框架：洞口大，连梁与墙肢刚度相差不大，受力与变形性能接近于框架（带刚域框架）。2）不规则开洞剪力墙 当洞口较大又排列不规则，不能简化为杆件体系，只能采用平面有限元方法。,一、竖向荷载作用下的内力,各片墙的竖向荷载可按其受荷面积计算楼板传递： 注：连梁处有M、V对墙M、V有影响 其它主要为轴力 楼面大梁传来 大梁下：局部承压 （集中力） 下部45向下传均布kN/m （考虑侧墙）,二、基本假定： 楼面结构假定：自身平面内刚度很大，可视为刚度无限大的刚性楼板，平面外刚度较小，可忽略不计。 楼板平面内没有相对变形，各墙在楼面连接下水平受荷时作刚体运动。 平面结构假定 各墙在自身平面内刚度很大，平面外刚度小。 平面内大 水平荷载作用下各墙受力 单向抗侧力结构 平面外小 不考虑,在单向抗侧力的基本假定前提下，将纵横两方向墙体分别按平面结构计算。 有效翼缘宽度与以下因素有关 截面形式 T L 剪力墙间距 翼缘厚度 门窗洞口宽度三、剪力分配 当不考虑扭转时，各片墙在同一楼板标高处侧移相等。,总水平荷载按各片墙的刚度加权分配到各片墙；分配总荷载与分配层剪力效果相同。四、受力特点与分类 整体墙和小开口整体墙 无门窗洞口 开口面积不超过墙面面积的16 只有很小洞口 孔洞净间距 孔洞至墙边净距,洞口影响很小，按悬臂墙求截面内力，正应力直线分布。 门窗洞口稍大 小开口整体墙 两墙肢的应力分布不再是直线关系（反弯点）（局部弯矩不超过 两墙肢按直线分布计算的基础上加以修正。整体弯矩的15） 双肢：开有一排较大洞口的墙 联肢墙：开口规则 整齐 多肢：开有多排较大洞口的墙 整体性已经破坏，正应力分布与直线分布相差较大,较大洞口 联肢墙（墙肢 独立墙肢（连梁刚度很小，墙肢刚度大）连梁 ） 壁式框架（连梁刚度较大，墙肢较小接近框架） 不规则开洞剪力墙 洞口较大，不规则，不能简化为杆系，用平面有 限元方法计算,5.3.2 整体墙近似计算方法,思路：悬臂、静定 内力与位移按材料力学 的方法计算 等效截面面积 Ad 剪力墙洞口立面面积 A0 剪力墙立面总面积,5.3.3联肢墙的连续化计算方法,连续化方法：将连梁看作分散在整个剪力墙高度上的连续连杆。目的：能够进行微积分运算，进而求解结构构件的内力与变形。基本假定：1）忽略连梁的轴向变形2）两墙肢各截面的转角和曲率相等3）各墙肢截面、连梁截面、层高等几何尺寸沿全高相同,联肢墙的结构尺寸,联肢墙的的计算简图,基本方法：力法,连续化方法的基本体系,讨论整体系数a的影响,5.4框架-剪力墙结构的近似计算,竖向荷载作用下，按各自的受荷面积计算内力水平荷载作用下，通过楼板协调变形，采用协同工作方法计算内力框-剪结构协同工作计算方法，适用于比较规则的结构，且只能计算平移时的剪力分配；若有扭转，则单独进行扭转计算，然后内力叠加。,5.4.1简化假定及计算简图所有梁柱单元集成为总框架，按抗推（剪切）刚度；所有墙肢集成为总剪力墙，按悬臂墙计算其抗