多层房屋结构5115

1、第12章 多高层房屋结构（1）你所见到的高层建筑最高多少层？（2）你所在城市的多高层建筑一般采用哪种结构体系？（3）多高层建筑一般采用哪些材料组成？（4）当你站在建筑物的不同高度处时，风荷载对你有何不同作用？（5）分别从施工、使用及经济效益等不同角度谈谈多高层建筑的优缺点。1 概述根据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）的规定，一般10层及10层以上，或房屋高度超过28m的称高层房屋，层数和高度在此以下的称为多层房屋。目前最高的建筑是马来西亚石油双塔，高452m。1974午芝加哥建成的西尔斯大厦110层高442m，居世界第2位。随着市场经济和城市建设的发展，我国的多高层建筑发展也很

2、快，上海金茂大厦，高420m，居世界第3位。多层及高层房屋有以下特点，随着房屋高度的增加，由水平荷载（风、地震）产生的内力所占总内力的比重越来越大，如何有效地提高结构抵抗水平力的能力越显重要，并必然对结构体系带来变化，如何提高结构的侧向刚度也逐渐成为主要问题。同时，随着房屋高度的增加，竖向荷载及水平荷载对基础产生的内力也越来越大，因此基础的设计也更显重要。高层建筑结构大多为钢筋混凝土结构、钢结构和钢与混凝土的组合结构；多层建筑结构中，现在砖石结构还在继续采用，但混凝土和钢结构的比例也越来越多。目前钢筋混凝土结构仍然是我国多层及高层建筑中的一种主要结构形式。主要原因在于钢筋混凝土结构造价低，主要

3、材料砂石等便于就地取材，可以做成各种形状，具有结构刚度大、耐火性好、维修费用低等优点。但和钢结构相比钢筋混凝土结构自重较大，抗震性能也稍逊。在一些发达国家，高层及超高层建筑多采用钢结构。多层与高层建筑并无明确的界限，设计方法基本上是相通的，只不过随高度的增大，水平荷载将成为主要荷载及结构设计的主要控制因素。本章主要论述多高层建筑中采用较多的钢筋混凝土框架结构体系和框架-剪力墙结构体系。对多高层建筑的其它结构体系仅做简单介绍。2 多高层房屋的结构体系框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是多层及高层建筑中应用最为广泛的几种结构体系（图12.1），它们有各自的特点及其适用范围。随着多高层建筑在高度方面

4、的进一步发展，出现了以筒体结构形式为主的框架-筒体结构、框筒结构、筒中筒及多筒结构，这些是有较强抗侧力刚度的结构体系（图12.2）。下面简要介绍上述各种结构体系的特点。2.1框架结构体系框架结构是利用梁、柱组成的横向及纵向框架，同时承受竖向和水平荷载的结构体系。框架结构按照施工方法不同，可分为：梁、板、柱全部现场浇筑的现浇框架；楼板预制，梁、柱现场浇筑的现浇框架；梁、板预制，柱现场浇筑的半装配式框架；梁、板、柱全部预制的全装配式框架。框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能形成较大的空间，有利于会议厅、休息厅、餐厅、商场的布置。因此，框架结构在公共建筑和旅馆建筑中采用较多。同时框架是由梁和柱组

5、成的，便于装配化和标准化，有利于机械化和工厂化制作与安装。框架结构体系的主要缺点是侧向刚度较小，当房屋层数过多时，会产生过大的侧移，易引起非结构构件（如隔墙、装饰等）破坏，而不能满足使用要求。在非地震区，钢筋混凝土框架结构一般不超过15层。国外一般认为钢框架30层以下是经济的，钢筋混凝土框架15层以下是经济的。地震区，高层建筑不宜采用框架结构体系。如天津友谊宾馆，东段为8层框架结构，西段为11层框架一剪力墙结构。唐山地震时，东段框架侧向变形很大，填充墙严重破坏。填充墙修复后，不久宁河地震时又遭破坏。最后改为框一剪体系。所以，地震区的高层建筑不宜采用钢筋混凝土框架结构体系。框架结构体系的柱网布置

6、形式很多，柱网的布置和层高，主要根据建筑的使用功能和建筑形式确定。柱网布置可以划分为小柱距和大柱距两类。小柱距是指一个开间为一个柱距，大柱距指两个开间为一个柱距。一般而言，小柱距建筑布置不灵活，技术经济指标也较差，有条件时宜采用大柱距。图12.3（a）为几种典型的建筑柱网形式。图12.3（b）为框架结构体系模型图，供设计时分析借鉴。 框架结构的梁、柱尺寸不能太大，否则会影响平面及空间的使用功能，因而框架结构的侧向刚度较小，水平位移较大，抗震性能较差，在强震下容易产生震害。因此它主要用于非抗震设计、层数较少、建造高度不超过60m的建筑中，在抗震设防烈度较高的地区，建造高度受到严格限制，建筑抗震设

7、计规范（GB50011-2001）规定框架结构在8度区房屋最高45m，9度区为25m。 在地震区采用框架结构必须加强梁、柱和节点的抗震措施，还要注意非结构构件（如填充墙等）材料的选用以及填充墙与框架的连接，避免过大变形导致非结构构件的损坏。如北京建成的18层（局部22层）总高度为22.8m的现浇框架结构长城饭店（图12.4），是目前我国8度设防地震区最高的框架结构，采用延性框架设计方法。为了减轻自重，隔墙采用轻钢龙骨石膏板，外墙为玻璃幕墙。（a） 框架柱网布置（b） 框架结构模型图12.3框架结构体系 2.2 剪力墙结构体系剪力墙结构是利用建筑物的纵横墙体来承受竖向荷载和水平荷载的结构。剪力墙

8、除承受重力荷载外还要承受风和地震水平荷载引起的剪力和弯矩。所以，这种承重墙体系称作剪力墙体系。剪力墙般为钢筋混凝土墙，厚度不小于14cm，侧向刚度很大。剪力墙结构适用于住宅、旅馆等具有小房间的建筑。剪力墙同时可作为维护及分隔房间的构件，可省去大量砌筑填充墙的工序及材料。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大、抗侧力性能好，同时抗震性能也较好。它适宜于建造高层建筑，一般在1050层范围内都可采用，在2030层的房屋中应用较为广泛。广州的白云宾馆（33层，115m）如图12-5，白天鹅宾馆（33层，100m）均为剪力墙结构。剪力墙结构也有其相应的缺点。主要是剪力墙间距太小（38m），平面布置往

9、往受到限制而不够灵活，结构自重也较大。剪力墙结构用来建造住宅、公寓、旅馆时布置餐厅、会议室、舞厅等大房间很困难，通常将这些房间放置在顶层或设裙房来解决；也有将剪力墙结构的底部一层或几层取消部分剪力墙而代之以框架，形成底部大空间剪力墙结构，而标准层则可以是小开间或大开间结构（图12.6）。 剪力墙结构可分为悬臂剪力墙、多支剪力墙、带边框剪力墙等，如图12.7所示。12.7 剪力墙类型2.3 框架-剪力墙结构体系多高层建筑中的纯框架结构或剪力墙结构，其受力和变形特性不同。框架结构的构件稀疏且截面尺寸小，因而侧向刚度不大，在侧向荷载作用下，一般呈剪切型变形，刚度或强度方面均不能适应高度较大的高层建筑

10、。但正因为竖向构件少而小，对房屋的平面布置有利。若设计处理得当，框架结构具有较好的延性，有利于抗震。剪力墙结构由于墙的截面高度大，单片墙的刚度大，抗弯能力高，在侧向力作用下，一般呈弯曲型变形，顶部附近楼层的层间位移较大，因其刚度和强度均较大，故可用于高度较大的高层建筑，缺点是墙（特别是墙较多时）将空间分隔，不利于平面布置，墙的抗剪强度弱于抗弯强度，易出现由于剪切造成的脆性破坏。框架-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙所组成的一种组合体系，通过刚性楼盖将其连接成一个整体，在水平力作用下各平面抗侧力结构变形协调、共同工作，以达到框架和剪力墙之间受力持点相辅相成的目的，从而加大结构体系的抗侧能力。我们把

11、这种结构体系称之为框架-剪力墙结构，或简称框剪结构体系，如图12.8所示。例如18层的北京饭店和26层的上海宾馆都是典型的框架-剪力墙结构（图12.9）。框架-剪力墙结构适用于需要灵活大空间的多层和高层建筑，如办公楼、商业大厦、饭店、旅馆、教学楼、试验楼、电讯大楼、图书馆、多层工业厂房及仓库、车库等建筑。框架-剪力墙结构的施工方式有现浇及装配整体式两种，在地震区，一般宜采用现浇式，以加强整体性及提高抗震能力。框架-剪力墙结构体系同时具有框架和剪力墙，在结构布置合理的情况下，可以同时发挥两者的优点和互相制约另一者的缺点：使结构具有较大的整体抗侧刚度、侧向变形介于剪切变形和弯曲变形之间而使层间相对

12、位移变化较缓和、平面布置较易获得较大空间、两种结构形成抗震的两道防线等，因而成为高层建筑较常用的一种结构形式。框架-剪力墙结构体系不足之处就是水平方向刚度不均匀。 图12.8 框架-剪力墙体系（a）（b）图12.9 北京饭店和上海宾馆平面布置框架-剪力墙结构由框架和剪力墙两种结构组成，形式多样而且是可变的，主要根据建筑平面布局和结构受力需要去灵活处理。在布置方面一般可采用下列几种形式：框架和剪力墙（包括单片墙、联肢墙、剪力墙筒体）分开布置，各自形成比较独立的抗侧力片；在框架的若干跨内嵌入剪力墙（框架相应跨的柱和梁成为该片墙的边框，称为带边框剪力墙）；框架和剪力墙混合组成抗侧力片等，当然亦可以是

13、以上几种形式的混合，也不排除根据实际情况采用其他形式。要指出的是，无论哪种形式，它都是以其整体来承担荷载和作用，各部分承担的力应通过整体分析方法（包括简化方法）确定，反过来说，应通过各部分含量的搭配和布置的调整来取得更合理的设计，它们的高宽比及高度限值见相关规定。框架-剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。采用这种结构时应在两个主轴方向都布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。这是因为如果仅在一个主轴方向布置剪力墙的话，将会造成两个主轴方向的抗侧刚度悬殊，无剪力墙的一个方向刚度不足且带有纯框架的性质，与有剪力墙的另一向不协调，也容易造成结构整体扭转，另外，由于风荷载及地震荷载方向的随机性，所以如果仅

14、在一个主轴方向布置剪力墙的话，也不利于抗风和抗震。框架-剪力墙结构中，主体结构构件间的连接（节点）应采用刚接，目的是保证整体结构的几何不变和刚度的发挥；同时，较多的赘余约束对结构在大震下的稳定性是十分有利的。当然，个别节点由于特殊需要（如为了调整个别梁的内力分布，为了避免由于沉降不均而产生过大内力等），也可以采用梁端与柱或剪力墙铰接的形式，但要注意保证结构的几何不变性，同时结构整体分析简图要与之相符。框架梁与柱的连接，两者的中线宜尽量重合以使内力传递和分布合理且保证节点核心区的完整性。实际工程中，所有梁、柱轴线完全对中、重合的场合并不多，此时应在计算中考虑其不利影响，采取必要的构造处理。框架-

15、剪力墙结构中，由于剪力墙的刚度较大，其数量和布置不同时对结构整体刚度和刚心位置影响很大，故处理好剪力墙的数量和布置是框架-剪力墙结构设计中的重要问题，剪力墙的数量关系到框架-剪力墙结构的安全、经济。剪力墙数量如果偏少，结构刚度不足、不安全；如剪力墙数量偏多，则刚度过大、不经济，并且会引起较大的地震作用效应，且基础设计较困难等。剪力墙的数量应该适度，在满足侧移的前提下，剪力墙数量宜少一些。在结构设计中，剪力墙的合理数量可参考表12.1。 每一方向剪力墙的刚度之和EIw应满足的数值（kNm2） 表12.1设计烈度 地类别755 WH83 WH193WH8110 WH165 WH385 WH9220

16、 WH330 WH770 WH注：H结构地面以上的高度（m）；W结构地面以上的总重量（kN）。剪力墙在纵、横两个轴线方向均需布置，两个方向剪力墙的数量应大体相当。剪力墙的布置原则是“均匀、分散、对称、周边附近”。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，但每片的刚度不要太大，不能只设置一两片刚度很大，连续很长的剪力墙，由于片数过少，每片墙负担较重，地震时万一个别剪力墙破坏后，剩下的几片墙则难以抵抗全部地震力，剪力墙被地震力各个击破，局部破坏导致整体破坏。对称、周边附近是对结构抗扭的要求，剪力墙对称布置，可以基本保证水平力合力通过刚度中心，避免和减少受扭，此外，剪力墙沿建筑物平面的周边附近布置，可以加大抗

17、扭内力臂，提高结构的抗扭能力。还可以减少位于周边而受室外温度变化的不利影响。一般情况下，剪力墙宜布置在以下部位：（1）竖向荷载较大处因剪力墙承受较大的竖向荷载，可以避免设置截面尺寸过大的柱子，此外，因剪力墙是第一道防线，承受很大的弯矩和剪力，需要很大的竖向荷载来起平衡作用，提高了其抗剪能力，同时，基础设计时也较方便。（2）平面形状变化处 平面变化较大部位，容易在楼面上产生较大的应力集中，是震害易发生的部位，故设置剪力墙进行加强。（3）楼梯间、电梯间 楼梯间、电梯间因楼板开大洞，刚度削弱严重，故设剪力墙加强，设置部位在楼（电）梯间两侧，与楼、电梯间共同来加强，是一种有效措施。切忌只在洞口一侧设置

18、剪力墙，以避免已被洞口削弱的楼板承受过大的水平地震剪力。在保证剪力墙间距的前提下，横向剪力墙宜尽可能布置在端部，纵向剪力墙宜布置在中部附近。纵横剪力墙应成组布置，使其互为翼缘，以提高强度和刚度。 （4）平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙，以弥补平面的薄弱部位。（5）纵横剪力墙宜组成L形、T形等非一字形，是为了发挥剪力墙自身的刚度。（6）单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40，以免该片剪力墙对刚度中心位置影响过大，且一旦破坏对整体结构不利和其基础承担过大水平力等。（7）剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐。（8）楼、电梯间

19、等竖井的设置，宜尽量与其附近的框架或剪力墙的布置相结合，使之形成连续、完整的抗侧力结构。当建筑物平面为长矩形或平面有一部分为长条形（平面长宽比较大）时，在该部位布置的剪力墙除应有足够的总体刚度外，各片剪力墙之间的距离不宜过大（宜满足表12.2的要求），因为间距过大时，两墙之间的楼盖会不能满足平面内刚性的要求，造成处于该区间的框架不能与邻近的剪力墙协同工作而增加负担。当两墙之间的楼盖开大洞时，该段楼盖的平面刚度更差，墙的间距应再缩小。 剪力墙间距（m） 表12.2楼盖形式非抗震设计（取较小值）抗震设防烈度6度、7度（取较小值）8度（取较小值）9度（取较小值）现浇5.0B，604.0 B，503.

20、0 B，402.0 B，30装配整体3.5 B，503.0 B，402.5 B，30注：1表中B为楼面宽度，单位为m；2装配整体式楼盖应设置钢筋混凝土现浇层；3现浇层厚度大于60mm的叠合楼板可作为现浇板考虑。2.4 筒体结构体系当建筑物的层数超过4050层时，仍采用平面受力状态的框架、剪力墙组成的结构体系，其抗侧力刚度往往不能满足变形控制的要求，需要采用刚度更大的空间结构体系筒体结构。筒体有如以楼板作为刚性隔板加劲的箱形截面竖向悬臂梁，它具有很大的空间刚度和抗侧、抗扭能力，用于承受水平荷载产生的弯矩和剪力。筒体可以由剪力墙或密柱框架组成。如图12.10(a)所示为一框架筒体结构的平面，建筑物

21、中央布置一个由剪力墙连接起来形成的大薄壁筒，绝大部分水平荷载由筒体承受，周边布置的柱子对抗侧力不起作用，主要用于承受竖向荷载。图12.10(b)为筒中筒结构，它由内外两个筒体组成：内筒是实腹薄壁筒，用来布置电梯，竖向管道等，外筒是由密柱与深梁组成的空间框架，由于柱距小、梁高大实际上是一个开了许多窗洞的筒体，称为框筒。框筒与实腹筒的空间受力状态相似，具有很大的空间刚度和整体性，内外筒之间可不设柱，楼板起到协同内外筒共同工作的作用。我国的广州国际大厦、深圳国贸大厦都是采用筒中筒体系的钢筋混凝土结构。图12.11给出了各种结构体系的适用层数和可建层数，可供参考。图12.10 筒体结构体系图12.11

22、 各种体系适用层数3框架结构布置3.1平面总体布置 在满足使用和建筑造型要求的前提下，建筑物的平面形状应力求简单、规则、均匀、对称、尽可能使水平力的合力作用线通过结构的刚度中心，以减少扭转效应（参见图12.17）。 当房屋长度较大时，为了防止由于温度收缩使结构产生裂缝，应设置伸缩缝，框架结构、剪力墙结构伸缩缝的最大间距详见混凝土结构设计规范。当地基土质不均匀，或房屋相连部分的层数、荷载相差较大时，可考虑设置沉降缝，使各部分自由沉降。在地震设防地区，伸缩缝、沉降缝应与防震缝综合考虑设置，且缝的宽度要符合防震缝的宽度要求。设置变形缝的优点是将建筑结构划分成几个独立的结构单元，受力明确；但设缝的缺点

23、是给构造、施工带来困难，而且削弱了结构的刚度和整体性。因此，缝的设置是结构总体布置中的一个重要问题，需综合考虑，权衡处理。目前的趋势是尽量避免设缝（特别是高层建筑），而采取相应的施工、构造及结构措施，来减小温度收缩、地基不均匀沉降等因素给结构带来的不利影响。3.2 柱网布置多高层结构的柱网是根据建筑平面的要求和结构受力的合理性确定的。从结构上看，柱网应规则、整齐，间距合理，传力体系明确。（图12-12）为几种民用建筑的柱网布置示例。矩形平面中平行于短边方向的框架称为横向框架，平行于长边方向的称为纵向框架（图12-13（a）。按楼板（或次梁）布置方向的不同，又分为承受楼板荷载的承重（主）框架，和

24、只承受填充墙荷载的非承重框架。如楼板为双向板，则两个方向的框架均为承重框架（图12-13（b）。图12.12 民用建筑的柱网布置图12.13 框架柱网布置 在非地震区，通常承重框架沿房屋的横向布置，以提高结构的横向抗侧力刚度。矩形平面的的纵向受风面积小，且柱子根数多，故纵向框架的抗侧力要求较低，沿纵向可设置连系梁。当建筑使用有特殊要求时，承重框架也可沿房屋纵向布置。框架结构按施工方法的不同分为现浇式、装配式及装配整体式三种。本章主要介绍现浇框架的设计方法。3.3 梁、柱截面尺寸框架结构的梁、柱截面尺寸在内力计算、位移计算之前要初步确定，然后再根据承载力计算及变形验算最后确定。 承重框架梁的截面

25、尺寸，可参照梁板结构中肋形楼盖的“主梁”来估计。通常取梁高，为主梁计算跨度，同时也不宜大于净跨的1/4；梁宽不宜小于200mm，且不小于柱宽的1/2；同时4。非承重框架的梁可按“次梁”要求选择截面尺寸，一般取梁高为计算跨度。当满足上述要求时一般可不进行挠度验算。 柱截面尺寸可近似根据柱承受的竖向荷载来估算。在初步设计时，可按照每个柱支承的楼板面积(不考虑连续性)及填充墙长度，由单位楼板面积上的荷载(包括恒载及全部活载)及填充墙材料重量计算出它的最大竖向荷载设计值。考虑到在水平荷载作用下由于弯矩的影响，可按下式估算柱的截面面积 (12-1)式中为混凝土的轴心抗压强度设计值。 框架柱截面可做成矩形

26、或方形，一般柱截面的长边应与主承重框架方向一致。柱截面长边一般不宜小于400mm，短边不宜小于350mm，且柱净高与之比不应小于4。4 框架的荷载本节仅限于讨论非地震多层房屋的荷载，即竖向荷载和风荷载，至于地震作用计算，见结构抗震课教材。4.1 竖向荷载竖向荷载包括恒载（结构自重及建筑装修材料重量等）及活载（楼面及屋顶使用荷载、雪荷载等）。在设计楼面梁、墙、柱及基础时，要根据承荷面积（对于梁）及承荷层数（对于墙、柱及基础）的多少，对楼面活荷载乘以相应的折减系数。这是因为考虑到构件的受荷面积越大（或承荷层数越多），楼面活荷载在全部承荷面上均满载的几率越少。如以住宅、旅馆、办公楼、医院病房及托儿所

27、等房屋为例，当楼面梁的承荷面积（梁两侧各延伸1/2梁间距范围内的实际面积）超过25m2时，楼面活载折减系数为0.9；墙柱基础的活载按楼层数的折减系数见下表：表12.3活载按楼层的折减系数墙、柱、基础计算截面以上的层数123456892020计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1.00（0.90）0.850.700.650.600.55注：当楼面梁的承荷面积大于25m2时，采用括号内数值。其他类房屋的折减系数见建筑结构荷载规范GB50009-2001第4.1.2条。4.2 风荷载垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，按下列公式计算： （12-2）式中风荷载标准值（kNm2）；高度处的风振系数；风荷

28、载体型系数；风压高度变化系数；基本风压（kNm2）。基本风压 多层建筑的基本风压按荷载规范给出的全国基本风压分布图采用，但不得小于0.25kNm2。对山区或海岛等特殊地形地区，可用一些系数来调整基本风压值。 对于高层建筑，要适当提高基本风压的取值。对一般高层建筑，可按荷载规范给出的基本风压值乘以系数1.1后采用；对于特别重要的和有特殊要求的高层建筑，可将基本风压值乘以1.2后采用。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12.2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

29、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。表12.4风压高度变化系数离地面或海平面高度（m）地面粗糙度类别ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84602.121.771.350.93702.201.861.451.02802.271.951.541.11902.342.021.621.191002.402.091.701.271

30、502.642.382.031.612002.832.612.301.922502.992.802.542.193003.122.972.752.453503.123.122.942.684003.123.123.122.914503.123.123.123.12风载体型系数表12.3给出了多层及高层建筑常用的几种平面形状各个表面的平均风载体型系数，正值表示风压力，负值表示风吸力，它垂直于建筑物表面。因此，按(12-2)式计算得到的是垂直于建筑物各表面单位面积上的平均风压力或吸力。风振系数随风速、风向的变化，作用在建筑物表面上的风压（吸）力也在不停地变化。通常把风压作用的平均值看成稳定风压，实

31、际风压是在平均风压（稳定风压）上下波动。平均风压使建筑物产生一定侧移，而波动风压会使建筑物在平均侧移附近左右摇摆（图12.14）。表12.5 高层建筑体型系数序号名称-0.6建筑体型及体型系数1矩形平面+0.8-0.6H建筑物总高度B建筑物迎风面宽度-(0.48+0.03H/B)2Y形平面+0.7-0.7+0.9-0.75-0.540-0.55-0.5+1.0+0.9-0.5-0.5-0.7-0.5 3L形平面45-0.6-0.3+0.9-0.6+0.8-0.5+0.3+0.8-0.6-0.64M形平面+0.8-0.7-0.7-0.5-0.6+0.9-0.5-0.6+0.8+0.8-0.7-0

32、.75十字形平面-0.5-0.6+0.8-0.5+0.6-0.5+0.6-0.66六边形平面-0.45-0.5+0.8-0.5-0.5-0.45图12.14 平均风压与波动风压这种波动风压对建筑物产生的动力效应与建筑物高度和刚度有关。对高度越大、刚度较小的高层建筑将产生不可忽略的动力效应，使振幅加大。设计时采用加大风载的方法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以风振系数。荷载规范规定，只对于高度大于30m，且高宽比大于1.5的房屋结构，考虑风振系数其他情况下取=1.0。有关风振系数的计算方法，详见荷载规范。 总体风荷载与局部风荷载.1总体风荷载总体风荷载是指某个方向的风在建筑物上产生风压力（或吸力

33、）的合力，它是沿高度变化的线分布荷载。总体风荷载按下式计算： （12-3） 式中 总体风荷载(线荷载)； 建筑物的外围表面数(每一个平面作为一个表面)； 第个表面的宽度=1，2，； 为第个表面的体型系数1，2，； 为第个表面法线与风载作用方向的夹角，=1，2，。 其余符号同前。 采用上式计算总体风荷载时；应注意力合成时的方向，例如是压力还是吸力，以及夹角等。各表面风荷载的合力作用点，即为总体风荷载的作用点。一般情况下，需要分别计算在结构平面的两个主轴方向作用的总体风荷载。具体计算见例12-l。.2局部风荷藏 总体风荷载是按各个表面上的平均风压计算的，实际上风压在建筑物表面上是不均匀的，在角隅、

34、檐口、边棱处和阳台、雨篷等部位，局部风压会超过平均风压。为了考虑局部风载对这些构件的不利作用，采用局部增大体型系数。 根据风洞试验资料和一些实测结果，荷载规范规定：验算圈护构件及其连接的强度时，对负压区可采用下列局部风压体型系数：（1）墙面，取1.0(对压区取+1.5);（2）墙角及墙附近屋面(作用在宽度为1/6山墙宽的带条上)，取一1.5;（3）檐口、雨篷、遮阳板、阳台的上浮力，取2.0。.3计算例题（12-1）计算具有图12.15矩形平面的四层框架结构总体风荷载及其作用中心。已知该结构总商15.80m(高出地面)，A类地区，基平风压值=1.00kNm2。 图12.15解 本建筑为矩形平面，

35、各面风荷载体型系数及风力作用方向见图12-15。沿风向，即方向在高度处的合力记作，其合力作用点在轴上，有关计算列于表12-4，显然，在方向合力为0。 本建筑为多层(四层)，且H=15.80m30m，高度比小于1.0，故风振系数可不考虑，即=1.0。故 =39 风荷载沿层高分布图如表12.6中图形所示。 表12.6楼层（kN/m）风荷载分布图415.81.5460.06层数431245.6349.9255.3860.06311.601.4255.3827.601.2849.9213.601.1745.635框架结构的内力分析及侧移计算 多层房屋的框架结构是一种空间杆件体系，属于空间受力状态，要精

36、确计算是比较复杂的，除非采用大型的考虑空间工作的通用计算机程序。但是，在一般工程设计中，无论采用计算机计算或手算都需要进行一些简化，通常是将结构简化成一系列平面框架进行内力分析及侧移计算。目前很多设计单位已采用计算机进行多层平面框架结构的内力及位移计算，有的还可以对框架结构进行计算机辅助设计(CAD)，即不仅是内力计算，还包括内力组合、截面配筋计算，并绘制施工图。然而，在计算机使用尚不普及的地区或单位，仍需采用手算。作为初学者通过简捷、直观的近似计算方法，掌握结柯内力分布特点和数量级的概念是非常重要的。为此，本节将介绍几种框架结构的近似计算方法。 5.1 多层框架的计算简图 当多层房屋的框架结

37、构布置比较规则，可忽略连系梁的作用，将结构简化为两组(纵向及横向)平面框架来分析，这实际上是假定：（1）多层多跨框架在竖向荷载作用下侧移很小；可视为无侧移框架；并假定连系梁的抗扭刚度很小可忽略不计。因此，在竖向荷载作用下，每榀框架可作为独立的平面框架来分析，彼此之间无侧移及转角约束。（2）在水平荷载作用下，每榀框架在其自身竖向平面内其有一定的刚度，可以抵抗位于其平面内的水平荷载，而在平面外的刚度很小，可以忽略。因此整个框架可划分成若干个与水平力方向平行的平面框架，共同抵抗水平荷载。 各榀平面框架之间通过楼板相互联系，楼板在其自身平面内的刚度很大，可视为无限刚性，因此框架结构的侧移在楼板平面内为

38、线性分布。 按照上述假定，图12-16(a)所示框架结构，在横向承平荷载，作用下可划分为6榀平面框架，它们共同抵抗水平荷载。当结构无扭转时，各榀框架在楼板处侧移相等(图12-17(a)；当结构有扭转时，楼板足在自身平面内作刚体转动，各榀框架的侧移为直线关系。同理，图12-16(a)结构在方向(纵向)可划分为四榀框架，（每榀有5跨)，共同抵抗方向水平荷载。（图12-16（c）。 一般多层房屋，如每榀框架的抗侧力刚度无很大差别时，在风荷载作用下可不考虑扭转影响。并近似按每榀框架的受风面积计算其所分担的风荷载，不需要按抗侧力刚度进行分配。图12.16 框架结构简化计算图形图12.17 楼板无限刚性假

39、定5.2 框架在竖向荷载作用下的近似计算分层分析法如前所述，多层房屋中框架在楼面竖向荷载作用下的侧移很小，可按照无侧移框架进行内力分析。计算表明，各层荷载对其他层梁、柱内力的影响不太。因此，可将多层框架简化为多个单层框架，分层用弯距分配法求解内力。如图12-18(a)所示三层框架可分成如图12-18(b)所示三个单层框架分别计算分层计算所得出的框架梁的弯矩即为梁的最终弯矩；由于每层柱都同时属于上、下两层框架，故必须将上、下两层计算得出的弯矩叠加，才能得到该柱的最终弯矩。采用分层法计算框架内力的步骤如下，具体计算见例题。 （1）框架分层后，各层柱高、梁的跨度以及梁上竖向荷载均与原结构相同，在计算

40、简图中假定柱的远端固定。 （2）计算梁、柱线刚度 梁、柱曲线刚度分别为和，此处、各为梁、柱的截面惯性矩；，各为梁的跨度及柱高。 计算梁截面惯性矩时，应考虑楼板作为梁的翼缘宽度对的影响现浇楼板的有效翼缘宽度可取楼板厚度的6倍(梁每一侧伸出)，但是分析表明，在一定范围内的变化对内力的影响很小。因此，设计时可近似按下列公式确定有现浇板的梁的截面惯性矩 (12-4) 式中为按矩形截面计算的惯性矩。 （3）计算弯矩分配系数及传递系数 实际框架结构中，只有底层柱的远端为固定端，其他各层柱均为弹性固定，分层计算时假定为固定端，故应将其他各层柱的线刚度乘以0.9修正系数（底层柱不修正）。计算节点处各杆件的弯矩

41、分配系数时，应取修正后的柱线刚度计算。同时，由于除底层柱以外，上层各柱远端均非固定端，其远端传递系数取1/3。底层柱和各层梁的传递系数仍取1/2。 （4）弯矩分配 用弯矩分配法计算各分层框架的弯矩，将上下两层分别算得的同一根柱的弯矩叠加。这样得出的结点弯矩是不平衡的，但误差不会很大。必要时还可将结点不平衡弯矩再进一步分配。 图12.18 多层框架在竖向荷载下的分层计算简图5.3 计算例题（12-2）图12-19所示为一个四层框架结构，用分层法计算框架的弯矩图，图中括号内数字代表各杆件线刚度的相对值（上层各柱的线刚度已乘以修正系数0.9）。解：（1）图12-19（a）中，竖向荷载为对称荷载，结构

42、为对称荷载，故可利用对称性简化计算。利用对称性的计算图示于图12-19（b），图中中跨梁线刚度的相对值为原结构线刚度的2倍。 （2）结点弯矩分配系数结点：结点： 其它结点从略，各结点弯矩分配系数写在图12-19方框内。其中 （3）固端弯矩 图12.19 计算图 固端弯矩值对于6m跨左、右两端分别为，；对于3m跨左、右两端分别为，图中带*者为固端弯矩值。 （4）用分层法计算内力，见图12-19。各结点都分配两次。上层各柱传递系数为，底层柱传递系数为。最下一行数字为分配后各杆端弯矩。（5）将图12-20算得的柱弯矩叠加，就得到各柱的最后弯矩图，如图12-21可以看出，结点弯矩是不平衡的，如将结点不

43、平衡弯矩再进行一次分配，图12-21括号内数字即为再分配后的弯矩值。图12.19 5.4 框架在水平荷载作用下的近似计算法(一)反弯点法 框架在水平荷载作用下，不仅有侧移，而且节点有转角（图12-22（a）。当梁与柱的线刚度比时，分析表明，节点转角相对很小，它对框架内力的影响不大，可假定梁的刚度为无限大，则框架在水平荷载下的变形将如图12-22（b）所示。框架在水平荷载作用下只有层间侧移，节点无转角，故各层柱上、下端由侧移引起的弯矩必然相等，反弯点位于柱的中间处。由于底层柱下端为固定端，而上端实际上有转角，越挂的上端弯矩值小于下端，反弯点将上移，通常设底层反弯点位置位于距柱底处（图12-22（

44、c）。 柱反弯点位置确定后，可按照柱的抗侧刚度分配层间剪力，然后便可求得梁柱的内力。反弯点法的计算步骤如下： （1）计算层间剪力设作用在框架节点处的水平集中荷载为，为框架的层数。将框架在第层柱的反弯点处切开，由水平力的平衡可得第层的层间剪力为： (12-5) （2）层间剪力分配 由于假设梁的刚度为无限大，节点转角为零，由结构力学可知，柱的抗侧刚度为，为柱的线刚度，为柱高。设代表(第层(层高为)的第根柱子的抗侧刚度，则： (12-6)按各层柱的抗侧刚度分配层间剪力，第层第根柱抵抗的剪力为： (12-7)（3）计算柱端及梁端弯矩 由各柱剪力乘以反弯点到柱上、下端的距离即为柱端弯矩： (12-8)式

45、中为反弯点到柱下端的距离：对底层柱 ，对其他各层柱。 根据节点平衡，将上、下层柱弯矩之和，按节点左、右两侧梁的线刚度比例分配给梁端（图12-23)。 (12-9) （4）计算梁剪力及柱轴力 根据梁左右两端弯矩之和除以梁的跨度可求得梁的剪力。再由梁端剪力计算柱的轴力。 图12.21图12.22 反弯点法示意图12.23 柱端及梁端弯矩5.5 框架在水平荷载作用下的近似计算法（二）值法 反弯点法只适用梁柱的线刚度比大于3的情况。在实际工程中，当柱截面尺寸较大时，梁柱的线刚度比往往小于3，节点转角对内力的影响已不容忽视。这时，如仍采用反弯点法会带来较大的误差。 日本武藤清教授提出了改进的反弯点法。这

46、个方法近似地考虑了框架节点转动对柱的抗侧移刚度和反弯点高度的影响用改进舶反弯点法求得的柱抗侧移刚度用表示，故又称为“值法”。该方法计算简便、实用，精度也比反弯点法高，因而在工程中广泛采用。 值法与反弯法的区别仅在于柱抗侧刚度与反弯点高度计算方法的不同。 （1）柱抗侧移刚度 改进反弯点法(值法)的柱抗侧移刚度与反弯点法中柱抗侧移刚度的物理意义相同。即使柱端产生单位相对侧移时所需的剪力。但值的大小与柱本身刚度、上下层梁的线刚度、及柱端约束条件等有关，改进后的柱侧移刚度用下式计算： （12-10）式中考虑框架结点转动对柱侧移刚度的影响系数，按表12.7计算，表12.7中值为 梁柱的线刚度比值。 由表

47、12.7可知，底层柱的值计算公式与一般层柱不同。它与柱底端的支承条件有关。当梁柱的线刚度比值为无限大时，等于1，则得出的值与反弯点法的抗侧移刚度值相同。随值减小，小于1，故称为刚度修正系数。 求得柱的抗侧刚度值以后，与反弯点法相似，按同一层各柱的抗侧刚度比例分配层间剪力，柱的剪力为： (12-11) 式中 第层第根柱的剪力；第层第根柱的侧移刚度值；第层第根柱的值总和；第层由外荷载引起的层间剪力。表12.7楼层简图一般层柱底层柱固结铰结铰结有连梁注：边柱情况下，式中，或取0值。（2）柱的反弯点高度值法的反弯点高度取为（为层高），这里 （12-12）式中一柱的反弯点高度比，即反弯点到柱下端的距离与

48、柱高的比值。 柱的标准反弯点高度比。它是在各层等高、各层梁柱线刚度都不改变的多层框架 在水平荷载作用下求得的反弯点高度比。均布水平荷载下的列于表12.8，倒三角形荷载下的列于表12.9。上下梁线刚度高度变化时，柱的反弯点高度比修正值，见图12-24。 当时，令根据和值查表12.10得，这时 反弯点向上移，取正值； 当时，令仍据和值查表12.10得，但此时 反弯点向下移，应取负值； 对于底层，不考虑修正值。 上层高度与本层高度不同时，柱的反弯点高度比修正值，见图12-25（a）。 令，据和值查表12-11得值。当时，为正值，反弯点向 上移；当时，为负值，反弯点向下移；对于最上层不考虑修正值。 下

49、层高度与本层高度不同时，柱的反弯点高度比修正值，见图12-25（b）。 令，据和值查表12-9得值。当时，为负值，反弯点下移；当时，为正值，反弯点向上移；对于最下层，不考虑修正值。 求得柱抗侧刚度值及反弯点高度后，其他计算步骤均同反弯点法。 图12.24 上下梁刚度变化时的反弯点高比修正值 图12.25 上下梁层高变化时的反弯点高比修正值K表12.8 均布水平荷载下各层柱标准反弯点高度比0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.02.03.04.05.0110.800.750.700.650.650.600.600.600.600.550.550.550.550.552210.450.950.400.800.350.750.350.700.350.650.350.650.400.650.400.600.400.600.400.600.450.550.450.550.450.550.450.5033210.151.551.000.200.500.850.200.450.800.250.450.750.300.450.700.300.450.700.300.450.650.300.450.650.300.450.650.300.450.600.400.450.550.450.500.550.450.500.550.450.50