高层结构总复习课件

1、高层建筑结构设计Structure Design of High-rise Building深圳大学 土木工程学院2011-2012第二学期内容回顾第1章 概 论主要内容1.1 建筑结构设计中的总体问题1.2 高层建筑的定义1.3 高层建筑的类型 1.4 高层建筑的发展概况 1.5 高层建筑结构的设计特点 通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。1.2 高层建筑的定义定义2）我国： （1）高层民用建筑设计规范GB50045-95 和高层民用建筑设计防火规范 GBJ50045-2002和 规定： 10层的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）或24m的

2、公共建筑。 （2）高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）规定：10层 或 28m；（本课程内容的依据） 1、水平荷载成为设计的决定性因素 1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比； 2）水平荷载产生的倾覆力矩与高度的二次方成正比。1.5 多层与高层建筑结构的特点2、侧移成为设计的控制指标 1）结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比； 2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系； 过大侧移会使人产生不安全感； 使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用； 因P-效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。 3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大

3、的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。4、延性成为结构设计的重要指标 1）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。 2）延性系数：用来衡量延性的大小。 3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。 4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。 第二章 结构选型与结构布置2.1 高层建筑结构设计中的基本原则 2.2 高层建筑的结构选型2.3 高层建筑的结构布置2.2 高层建筑的结构选型竖向承重结构选型（抗侧力体系）高层建筑的基本抗侧力单元有

4、框架、剪力墙、框剪、筒体等，由它们可以组成多种结构体系。框架剪力墙筒体水平承重结构选型（楼板体系） 单向板、双向板、井式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖基础结构选型 独立基础、条形基础、筏形基础、箱型基础、桩基础带加强层的高层建筑结构 框架-核心筒结构 框架-剪力墙结构 2.2.1 框架结构体系 定义：房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。横向主梁柱纵向连系梁框架结构特点平面布置灵活，可形成较大的使用空间施工简便，较经济抗侧刚度小，侧移大对支座不均匀沉降较为敏感2.2.2 剪力墙结构体系 定义：房屋竖向承重结构全部由剪力墙组成。剪力墙结构平面图剪力墙结构特点抗侧刚度大，侧移小室内墙面平整平面布置不

5、灵活结构自重大，地震作用大施工较麻烦，造价较高剪力墙侧向变形结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间（一般剪力墙间距38m）。定义：为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系。 剪力墙剪力墙框架梁框架梁框架梁剪力墙剪力墙2.2.3 框架剪力墙结构体系 受力变形特点： 注：在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而下逐层增大；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐层减小。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度

6、使框架与剪力墙的变形协调一致，其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。优点： 兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于 1020 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置：与建筑功能相结合数量不宜过多，以满足位移限值为宜均匀对称，质量中心与刚度中心接近；外围布置，可以加强结构的抗扭作用2.2.6 各种结构体系的 最大适用高度和最大高宽比A级高度与B级高度对B级高度的高层建筑，采用更严格的计算和构造措施，且须通过抗震专项审查平面和竖向不规则结构及类场地土上的结构，最大适用高度应适当降低高层建

7、筑楼面结构选型2.3 高层建筑的结构布置高层建筑结构的平面布置高层建筑结构的竖向布置高层建筑结构的变形缝设置平面布置规则性 平面宜简单、规则 平面长度不宜过长 突出部分宜减小 凹角部分应采取加强措施对称性 核心筒位置要居中或对称 抗震墙沿房屋周边布置（较大抗扭刚度和抗倾覆能力）规范：平面不规则类型第一类：扭转不规则第二类：凹凸不规则第三类：楼板局部不连续竖向布置立面变化要均匀避免“柔弱”底层顶层大厅的改善立面变化要均匀规范：竖向不规则类型第一类：侧向刚度不规则第二类：竖向构件不连续第三类：楼层承载力突变第三章 荷载与地震作用3.1 高层建筑结构上的作用类型3.2 恒载3.3 楼面活荷载3.4

8、屋面活荷载3.5 雪荷载3.6 风荷载3.7 地震作用3.6 风荷载1、基本风压 我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高，统计所得的 50 年一遇 10 分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于 0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。3 风荷载体型系数s 1）风压分布系数风压与体型的关系 2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。 3）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度

9、有关。3 风荷载体型系数s4）风压的空间不均匀性5）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。+0.8-0.6-0.6(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2当表面粗糙时取s = 0.85 总风荷载标准值(KN/m)建筑物每个表面的风荷载沿建筑物高度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。6 楼层风荷载合力集中于楼层标高处的风荷载合力第四章 设计计算的基本规定结构计算的一

10、般规定重力二阶效应和结构稳定作用效应组合构件承载力计算抗震等级水平位移验算罕遇地震下的弹塑性变形验算 4.1 结构计算的一般规定计算原则内力、位移弹性；截面设计材料弹塑性重力二阶效应复杂结构验算地震下薄弱层的弹塑性变形框架梁、连梁可考虑塑性内力重分布计算模型尽量采用空间分析模型复杂高层和不规则结构应至少采用两个不同力学模型的结构分析软件电算结果简单判断结构整体位移楼层剪力振型形态自振周期超筋超限几个比值：轴压比、剪重比、刚度比、剪承比、位移比、周期比、刚重比（稳定性）、有效质量比。 电算结果简单判断轴压比电算结果简单判断剪重比 电算结果简单判断刚度比 抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜

11、小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。电算结果简单判断剪承比 4.4.3 A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。5.1.14 对竖向不规则的高层建筑结构，包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。电算结果简单判断位移

12、比4.3.5 结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。电算结果简单判断周期比4.3.5 结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。电算结果简单判断刚重比（稳定性）构件刚度楼盖屋盖刚度 现浇混凝土楼盖可视为水平

13、放置的深梁，平面内无限刚； 开洞等不规则楼面，楼板刚度可等效为剪弯水平梁的简化法计算； 按无限刚计算时，需对削弱部位的构件内力放大，加强配筋。连梁刚度 刚度小，配筋大；可允许适当开裂，把内力传到墙体上；通常做法是对连梁计算内力进行折减；6、7度时折减系数取0.7；8、9度取0.5；但不宜小于0.5。楼面梁抗扭刚度 应对梁的计算扭矩给与适当的折减；大于0.4。地下室顶板刚度 考虑地下室的嵌固作用需要满足相应的条件：侧向刚度大于上部结构的2倍；采用现浇梁板结构；板厚度大于180mm等。4.2 重力二阶效应和结构稳定重力二阶效应的概念P-效应：构件自身挠曲引起的附加重力效应P-效应：结构在水平风荷载

14、或水平地震作用下产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应高层建筑结构稳定设计，主要控制P-效应对结构性能降低的影响以及由此可能引起的结构失稳重力二阶效应的考虑方法简化的有限元法内力和位移增大系数方法（JGJ3-2002采用方法）5.5.4刚重比与侧向位移增幅关系曲线剪切型结构（框架结构） ，可保证P-效应影响在20%之内高层结构规范要求刚重比与侧向位移增幅关系曲线弯剪型结构（剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构） ，可保证P-效应影响在20%之内高层结构规范要求不考虑P-效应的条件弯剪型结构（剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构） ，可保证P-效应影响在5% 之内，可不考虑；剪切型结构（

15、框架结构） ，可保证P-效应影响在5%之 内，可不考虑。4.3 作用效应组合无地震作用效应组合时考虑设计年限的调整系数公式要熟记！4.3 作用效应组合地震作用效应组合时公式要熟记！4.4 构件承载力计算无地震作用组合时有地震作用组合时抗震等级延性要求抗震等级抗震措施抗震等级延性要求抗震等级抗震措施4.5 水平位移验算过大层间位移的危害：非结构构件的损伤主结构的附加内力，加速倒塌层间位移角：层间位移与层高之比4.5 水平位移验算目的：一般结构用的防倒塌设计要求 防倒塌设计的难度和代价很大，一般结构只进行防连续倒塌的概念设计：如加强楼梯、避难室、底层边墙、角柱等重要部位；在关键要害区域设置缓冲装置

16、（防撞墙、裙房等）或泄能通道（开敞布置或轻质墙体、轻质屋盖等）；布置分割缝以控制倒塌范围；增加关键部位的冗余约束及备用传递途径以定性设计的方法增强结构的防连续倒塌的能力。倒塌可能引起严重后果的、安全等级为一级的可能遭受袭击的重要结构，以及为抵御灾害作用面必须增强抗灾能力的结构宜进行定量设计。 本条给出了设计方法：1、局部加强法2、拉结构件法3、拆除构件法第五章 高层框架结构设计结构布置梁、柱截面尺寸估算计算简图竖向荷载下的内力计算方法（分层法）水平荷载下的内力计算方法（反弯点法、D值法）水平位移验算方法内力组合方法承载力计算方法构造要求结构布置双向布置框架，梁柱刚接，不宜铰接合适的柱网尺寸 不

17、宜大于10m10m偏心距大于该方向柱宽的1/4时,增设梁的加腋一般原则: 结构布置慎用单跨框架 超静定次数少,一旦出现塑性铰,容易连续倒塌避免砌体墙承重与框架承重的混合体系 抗侧力刚度、变形能力相差较大注意填充墙对结构的不利影响 上下层填充墙布置的差异造成层间刚度的差异，形成薄弱层， 如底层； 窗台墙容易造成短柱的出现； 布置不均匀造成刚度偏心； 注意事项: 梁、柱截面尺寸估算梁尺寸用跨度估算结构分析时必须考虑现浇楼板对梁刚度的增大，一般简单采用中梁刚度放大系数（2.0或1.5）柱尺寸根据轴压比估算，不同抗震等级采用不同的限值，即对轴压比的限制梁的抗弯刚度柱的抗弯刚度梁截面惯性矩柱截面惯性矩梁

18、线刚度柱线刚度竖向荷载下的内力计算方法（分层法）基本假定竖向荷载下，框架侧移可忽略不计每层梁上的竖向荷载对其它层的影响可忽略不计分层法修正一：除底层外，各层柱的线刚度乘以0.9修正二：除底层外，各层柱的传递系数由1/2改为1/3各开口框架计算的弯矩图叠加为最终弯矩图，节点不平衡弯矩分配一次分层法所有构件均可采用弹性刚度。考虑梁端塑性内力重分布，对负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架：0.80.9；装配式框架：0.70.8。调幅后按照平衡条件计算跨中弯矩。跨中弯矩不小于简支跨中弯矩一半。竖向荷载下的弯矩先调幅，后组合。楼面活载大于4kN/m2，需考虑活载不利布置。分层法计算例计算各杆件的相对线刚度

19、分别计算顶层、中间层和底层开口框架的弯矩图叠加各弯矩图得到总弯矩图水平荷载下的内力计算方法（反弯点法）反弯点：M=0，V0框架弯矩图要解决 几个问题：1、各柱V的大小；2、柱反弯点的位置；3、由柱端弯矩求梁端弯矩柱反弯点的位置与“反弯点法”的假设反弯点位置与柱上下端的约束条件（转角）有关“反弯点法”关于反弯点位置的假设：除底层外各层柱端转角相等，底层柱反弯点在2/3层高处，其它层反弯点在1/2层高处“反弯点法”中柱抗侧刚度的计算“反弯点法”的假设柱抗侧刚度：柱顶产生单位位移 所需的水平力（柱的剪力）“反弯点法”关于柱抗侧刚度的假设：假设柱两端转角为0，即认为梁刚度为无穷大反弯点处剪力的计算（楼

20、层总剪力按抗侧刚度分配给各柱）基本假定：同层各点侧移相等（楼面刚度无穷大）框架弯矩的计算柱端弯矩：柱剪力 X 反弯点至柱端距离梁端弯矩：根据节点平衡和梁线刚度分配“反弯点法”总结计算步骤1、确定各柱反弯点的位置2、计算各层、各柱反弯点处的剪力3、计算柱端弯矩和梁端弯矩适用范围：梁线刚度/柱线刚度3，一般为多层框架“反弯点法”例题水平荷载下的内力计算方法（改进的反弯点法D值法）反弯点法的缺点1、柱的反弯点位置是个定值 2、柱的抗侧刚度只与柱的线刚度及层高有关 D值法的改进之处1、柱的抗侧刚度的修正（考虑梁、柱刚度比）2、柱的反弯点位置的修正（考虑梁、柱刚度比和上、下层的层高影响）柱的抗侧刚度的修

21、正柱抗侧移刚度修正系数c柱的反弯点位置的修正y=y0+y1+y2+y3标准反弯点高度比y0与该层所在的楼层位置，及梁、柱线刚度比有关 因上、下横梁相对线刚度变化的修正值y1 因上、下层层高变化的修正值y2、y3“D值法”总结1、求各柱的抗侧刚度（修正值）2、求各柱的反弯点位置（修正值）3、计算各层、各柱反弯点处的剪力4、计算柱端弯矩和梁端弯矩计算步骤“D值法”例题水平位移验算方法用D值法计算侧移层间侧移顶点侧移水平位移验算方法例题内力组合方法控制截面梁取三个控制截面：左端支座、跨中、右端支座柱取两个控制截面：柱顶、柱底最不利内力组合的种类梁：支座-Mmax、Vmax，跨中Mmax柱(一般情况下

22、)： Mmax及相应N、V-Mmax及相应N、VNmax及相应M、VNmin及相应M、VVmax及相应M、N内力组合例题三跨六层框架，内力计算过程（分层法和D值法）略对二层梁和二层柱进行内力组合延性框架设计框架结构的延性 构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且具有塑性变形能力的一种性能结构延性的作用结构的延性指标提高结构延性的措施 结构的延性指标构件延性比构件位移延性比截面曲率延性比结构的延性指标结构延性比结构延性比提高结构延性的措施“强柱弱梁”设计原则控制塑性铰的位置 “强剪弱弯”设计原则控制构件的破坏形态 “强节点弱构件”设计原则 记住“强柱弱梁”、 “强剪弱弯”如何调整！延

23、性梁设计（一）：强剪弱弯梁端设计剪力的规定注意区别不同抗震等级的规定延性梁设计（二）：纵筋量与延性受压区高度最大受拉钢筋配筋率最小受压钢筋配筋量延性梁设计（三）：箍筋与延性梁端箍筋加密（加密区长度、最大间距、最小直径）箍筋形式延性梁设计（四）：剪压比和截面限制要求无地震作用组合时有地震作用组合时延性柱设计（一）:剪跨比与长、短柱剪跨比 长柱，压弯破坏，延性较好 短柱，剪切破坏，延性较差 极短柱，剪切斜拉破坏，延性极差延性柱设计（二）:轴压比延性柱设计（三）:配箍率与箍筋形式配箍特征值与体积配箍率箍筋形式与约束作用延性柱设计（四）:柱的加强部位调整柱端弯矩，实现强柱弱梁底层固定端弯矩增大，推迟其

24、屈服加大角柱设计内力，提高其承载力清楚如何进行内力数值的调整！延性梁设计（五）：强剪弱弯柱端设计剪力的规定注意区别不同抗震等级的规定延性柱设计（六）：剪压比和截面限制要求无地震作用组合时有地震作用组合时强节点“弱”构件抗震等级为一、二级时，根据剪力设计值验算框架节点核心区的抗剪承载力抗震等级为三、四级时，按构造要求配置箍筋第六章剪力墙结构设计结构布置剪力墙分类及判别方法剪力墙翼缘有效宽度确定方法剪力墙结构在竖向荷载下的内力计算方法剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法剪力墙截面承载力计算方法构造要求结构布置双向布置，双方向刚度接近，数量合适墙肢截面宜简单、规则，形成明确 的墙肢和连梁，避免

25、错洞墙和叠合 错洞墙避免脆性破坏，慎用“长墙”注意剪力墙平面外的稳定性不宜将楼面主梁支承于连梁上 剪力墙分类及判别方法剪力墙分类一（按墙肢长度）一般剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比大于8）短肢剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比为58）剪力墙分类二（按是否开洞、开洞大小）整截面剪力墙整体小开口剪力墙联肢剪力墙壁式框架按整体性系数、墙肢惯性矩比对剪力墙类型的判别方法整截面剪力墙及其受力特点无洞口的剪力墙或洞口面积不超过墙体面积的15%，且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整截面剪力墙（或称为悬臂剪力墙）。整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂梁，截面变形

26、后仍符合平面假定，因而截面应力可按材料力学公式计算。 整体小开口剪力墙及其受力特点洞口面积稍大、超过墙体面积的15%时，通过洞口的正应力分布已不再成一直线，而是在洞口两侧的部分横截面上，其正应力分布各成一直线除了整个墙截面产生整体弯矩外，每个墙肢还出现局部弯矩，实际正应力分布相当于在沿整个截面直线分布的应力之上叠加局部弯矩应力由于洞口还不很大，局部弯矩不超过水平荷载的悬臂弯矩的15。因此，可以认为剪力墙截面变形大体上仍符合平面假定，且大部分楼层上墙肢没有反弯点内力和变形仍按材料力学计算，然后适当修正联肢剪力墙及其受力特点洞口开得比较大，截面的整体性已经破坏，横截面上正应力分布和截面变形已不再符

27、合平截面假设 墙肢的线刚度比连梁的线刚度大得多，每根连梁中部有反弯点，各墙肢单独弯曲作用较为显著，仅在个别或少数层内出现反弯点这种剪力墙可视为由连梁把墙肢联结起来的结构体系，故称为联肢剪力墙壁式框架及其受力特点洞口开得比联肢剪力墙更宽，墙肢宽度较小，墙肢与连梁刚度接近时，墙肢明显出现局部弯矩，在许多楼层内有反弯点。剪力墙的内力分布接近框架，故称壁式框架。壁式框架实质是介于剪力墙和框架之间的一种过渡形式，它的变形已很接近剪切型，只不过壁柱和壁梁都较宽，因而在梁柱交接区形成不产生变形的刚域。 剪力墙类型的判别方法利用两个参数整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的比例关系墙肢惯性矩比值判别准则（教材P159）双肢多肢2a2c剪力墙类型的判别方法利用两个参数整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的比例关系墙肢惯性矩比值判别准则（教材P159）双肢多肢当当当且且且为整体小开口墙；为壁式框架；为连肢墙；剪力墙类型判别例题15层剪力墙，总高42.4m，截面尺寸如图所示，试判别剪力墙的类型。剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法基本假定：不同方向的剪力墙分别作为平面结