高层建筑结构设计讲稿5.ppt

1、1,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,剪力墙承受轴力、弯矩、剪力的共同作用，它应当符合钢筋混凝土偏心受压或偏心受拉构件的基本规律。但是与柱子相比，剪力墙的截面薄而长，沿截面长方向要布置许多分布钢筋，同时，截面抗剪问题也较为突出。这使得剪力墙和柱子截面的配筋计算与构造都有所不同。 剪力墙配筋一般为：端部纵筋、竖向分布筋和水平分布筋。竖向钢筋抗弯，水平钢筋抗剪，需要进行正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力的计算。必要时，还要进行抗裂度或裂缝宽度的验算。楼层间剪力墙有时还应作平面外承载力的验算。 剪力墙一般包括：,墙肢截面设计、连梁截面设计、延性问题,2,一、墙肢截面设计,第5章 剪力

2、墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,墙肢正截面（受压弯、拉弯）承载力计算 平面外承载力验算（小偏压情况） N=phi*(fcbwhw+fyAs) 墙肢斜截面（受剪）承载力计算,3,(一)、剪力墙的配筋形式,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,剪力墙配筋：端部纵筋As、竖向分布筋Asw和水平分布筋Asv。,4,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,和柱截面一样，墙肢正截面破坏形态也分为大偏压、小偏压、大偏拉和小偏拉四种情况。墙肢内的竖向分布筋对正截面抗弯有一定的作用，应予以考虑。,1、大偏压承载力计算,时，构件为大偏心受压。破坏形式为

3、拉区钢筋屈服后压区混凝土压碎破坏，压区纵筋一般能达到受压屈服。,5,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、大偏压承载力计算,横截面,fywAsw(hw0-1.5x)/hw0,横截面应变分布,受力图,端部受拉纵筋应力达到屈服，竖向分布筋直径较小，受压时不能考虑其作用；在拉区，靠近中和轴时竖向分布筋应力也较低，只考虑,范围内的竖向分布筋。,6,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、大偏压承载力计算,fywAsw(hw0-1.5x)/hw0,7,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、大偏压承载力计算,(1),(2),(2),其中

4、：,8,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、大偏压承载力计算,(1),(2),设计中,一般按构造要求选定竖向分布筋 Asw 及fyw，进而求出端部纵筋面积。步骤如下： （1）求受压区高度x,(3),9,(二)、剪力墙的正截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、大偏压承载力计算,(1),(2),（2）求Msw,（3）求AS,(5),10,(三)、剪力墙的斜截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,包括：偏心受压或偏心受拉构件的斜截面承载力计算 1、偏心受压构件的斜截面破坏形态 剪力墙中斜裂缝有两种情况：一是弯剪斜裂缝，斜裂缝先是由弯曲受拉边缘出现水平裂缝，然后斜向发展

5、形成斜裂缝；二是腹剪斜裂缝，腹板中部主拉应力超过混凝土的抗拉强度后开裂，然后裂缝斜向向构件边缘发展。 斜裂缝出现后墙肢的剪切破坏形式 剪拉破坏 当水平分布钢筋（简称腹筋）没有或很少时发生。斜裂缝一出现就很快形成一条主裂缝，使墙肢劈裂而丧失承载能力。,11,(三)、剪力墙的斜截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,1、偏心受压构件的斜截面破坏形态 斜裂缝出现后墙肢的剪切破坏形式 剪拉破坏 剪压破坏 当腹筋配置合适时，腹筋可以抵抗斜裂缝的开展。随着斜裂缝的进一步扩大，混凝土受剪区域逐渐减小，最后在压、剪应力的共同作用下剪压区混凝土压碎。剪力墙的水平分布筋的计算主要依据这种破坏形式。 剪压破坏 剪力

6、墙截面过小或混凝土等级过低时，即使在墙肢中配置了过多的腹筋，当腹筋应力还没有充分发挥作用时，混凝土已被剪压破碎了。设计中剪压比的限制就是为了防止这种形式的破坏。,12,(三)、剪力墙的斜截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,2、偏心受压构件的斜截面承载力计算 剪力剪力墙中的竖向、水平分布筋对斜裂缝的开展都有约束作用。但是在设计中，常将二者的功能分开：竖向分布筋抵抗弯矩，水平分布筋抵抗剪力。,（1）斜截面承载力计算公式,斜截面抗剪承载力公式为 无震组合,(1),13,(三)、剪力墙的斜截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,2、偏心受压构件的斜截面承载力计算,（1）斜截面承载力计算公式,无震组

7、合 有震组合,(1),14,(三)、剪力墙的斜截面承载力设计,第5章 剪力墙结构设计,（1）斜截面承载力计算公式,无震组合 有震组合,式中, A混凝土计算截面全面积； Aw墙肢截面的腹板面积；,15,二、墙肢截面设计的构造要求,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,剪力墙的加强部位 剪力墙的轴压比限值及边缘构造要求 剪力墙的混凝土强度等级 剪力墙的截面尺寸 剪力墙的分布钢筋的构造要求 钢筋的锚固和连接 开洞剪力墙的构造要求,16,二、墙肢截面设计的构造要求,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,1、剪力墙的加强部位 在剪力墙中，有些部位应力比较复杂，有些部位温度收缩应力

8、较大，有些部位在地震作用下可能出现塑性铰，这些部位的配筋应当加强。具体的加强部位有： 剪力墙底部2层且不小于(1/8)H，及顶层； 现浇山墙； 楼、电梯间； 内纵墙端开间； 抗震剪力墙的塑性铰区。,17,二、墙肢截面设计的构造要求,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,2、剪力墙的混凝土强度等级和截面尺寸 截面尺寸 与层高的关系： 一、二级抗震： 不小于层高h的(1/12,1/15)，且不小于(200,180mm); 三、四级抗震及非抗震： 不小于层高h的(1/20，1/25)，且不小于160mm。 与无支长度的关系：略 P105 同时要满足剪压比限值的要求 混凝土强度等级：大于或

9、等于C20;筒体或短肢时：C25,18,二、墙肢截面设计的构造要求,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,3、剪力墙的分布钢筋的构造要求 一般剪力墙的竖向和水平分布钢筋的配筋率，一、二、三级抗震设计时均不应小于0.25，四级和非抗震设计时均不应小于0.2。 一般剪力墙的竖向和水平分布钢筋的间距均不应大于300（顶层、长矩形平面的楼梯间和电梯间及端开间的剪力墙、端山墙等，不大于200mm）；直径均不应小于8mm，也不应大于剪力墙厚度的1/10； 剪力墙厚度不大于400mm时，分布钢筋采用双排配置；当厚度大于400mm而小于700mm时，宜采用三排配置；大于700mm时，采用四排配置；

10、,19,延性问题,剪力墙 剪力墙的破坏形态与剪跨比有关（中）高墙 强墙弱梁（破坏机制） 尽可能大偏压 连梁 强剪弱弯 抗剪配筋 配筋形式交叉斜筋 大配筋量 连梁尺寸,back,第5章 剪力墙结构设计,20,三、例题,第5章 剪力墙结构设计,5.6 剪力墙的截面设计,21,第6章 框架 剪力墙结构设计,第6章 框架剪力墙结构设计,本章重点： 框架剪力墙的协同工作原理； 框架剪力墙结构的计算简图； 框架剪力墙结构的侧移特征； 刚度特征值对框剪结构内力、变形的影响。 计划学时：6学时,22,6.1 概述,1. 框架剪力墙结构的优点 空间布置灵活； 因有剪力墙的存在，具有较大的抗侧刚度。 2. 框架剪

11、力墙结构侧向位移曲线的分布特点 框架结构在水平荷载作用下的侧向位移位移曲线呈剪切形，层间位移底部大，顶部小，由底部向顶部有逐渐减少的趋势。而剪力墙结构体系在水平荷载作用下的侧向位移曲线呈弯曲形，层间位移底部小，顶部大，由底部向顶部有逐渐增大的趋势。 将框架和剪力墙结合在一起，协同工作，将使得框架-剪力墙结构的侧向位移得于综合，即：在底部，层间位移大的框架将得到剪力墙的支持；而在顶部，层间位移小框架将给予剪力墙予支持。共同工作的结果，将使结构的层间位移沿高度有逐渐均匀化的趋势。 这使得框剪结构的侧移曲线既不是剪切型，也不是弯曲型，而是一种弯、剪混合型，简称弯剪型。,第6章 框架 剪力墙结构设计,

12、23,6.1 概述,3. 框架剪力墙结构的布置（已在第二章叙述） 4. 框架剪力墙结构中剪力墙的合理数量（已在第二章叙述） 要求要掌握的内容,第6章 框架 剪力墙结构设计,24,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,一、基本假定与计算简图 1、基本假定 楼板在自身平面内的刚度为无穷大，平面外刚度为零。 这一点同剪力墙结构分析时的假定是一样的。在此假定下，一个结构的所有框架和剪力墙将协同变形，没有相对变形。 结构区段在水平荷载作用下，不存在扭转。 这一假定是为了现在的分析简便而提出来的。没有扭转、只有平移时，一个结构区段内所有框架、剪力墙在同一楼层标高处侧移相等，从而使分析大为简化化空间为平面。 实

13、际结构中，在水平力作用下，结构出现扭转是不可避免的。存在扭转时结构的受力分析将在后面的内容里加以讨论。需要指出的是，扭转的存在不仅使计算工作大为复杂，而且对结构的受力也是十分不利的。,第6章 框架 剪力墙结构设计,25,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,一、基本假定与计算简图 2、计算简图 在上述假定下，框剪结构受水平力作用时，在同一楼层处，所有框架、剪力墙的水平位移是相同的。此时，可以将所有剪力墙综合在一起，称作总剪力墙；将所有框架也综合在一起，称作总框架。总框架合总剪力墙之间，通过楼板或连梁相联系，从而可以按平面结构来处理。结构的计算简图取决于框架和剪力墙之间的联系方式。有以下两种情况：

14、框架剪力墙结构铰结体系 框架剪力墙结构刚结体系,第6章 框架 剪力墙结构设计,26,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,2、计算简图,第6章 框架 剪力墙结构设计,框架剪力墙结构铰结体系,框架剪力墙结构刚结体系,总剪力墙,总剪力墙,总框架,总框架,固接,铰接,27,第6章 框架 剪力墙结构设计,2、计算简图,28, 框架剪力墙结构铰结体系 在剪力墙平面内，没有联系梁与剪力墙相连。框架和剪力墙之间只是通过楼板相连。由于我们假定楼盖在平面外的刚度为零，楼板将只能传递水平力，不能传递弯矩，即楼板的作用可以简化为铰结连杆，这种体系即为铰结体系。总框架和总剪力墙之间在楼层处通过铰结连杆相连接。 框架剪力墙

15、结构刚结体系 在剪力墙平面内，有联系梁与剪力墙相连。这样，剪力墙在弯曲变形时，必然受到联系梁对剪力墙的约束作用，联系梁不仅有轴向力，还有弯矩。总剪力墙和总框架之间就不再是铰结连杆，连杆和总剪力墙之间应该是刚结。连杆和总框架之间仍是铰结，这是因为连梁对框架的约束作用可以在柱子抗推刚度的计算中考虑。这种体系即为刚结体系。,第6章 框架 剪力墙结构设计,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,29,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,3、总剪力墙的刚度 总剪力墙的刚度=各剪力墙的刚度之和 4、总框架的刚度-剪切刚度Cf 总框架的剪切刚度Cf为使总框架在楼层间产生单位剪切变形时所需要施加的水平剪力,可由框架柱

16、的侧移刚度D值求得. 框架产生单位剪切变形时，该层柱子顶部相对于柱底的水平侧移为层高，根据柱子抗侧刚度的定义，总框架在该层的剪切刚度为 Cf=h*D 故:,第6章 框架 剪力墙结构设计,30,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,二、内力计算方法 类似于连肢墙，框剪结构的计算仍可采用连续连杆法。将总框架、总剪力墙之间的连梁离散为无限连续的连杆，切断连杆暴露出分布力 （刚结体系中还有 ），利用变形协调条件求得 （ ），即可求到有关结构的内力。,第6章 框架 剪力墙结构设计,31,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,三、框架剪力墙结构铰结体系内力计算方法 设框剪结构所受水平荷载为任意荷载 。将连杆离散化

17、后切开，暴露出内力为连杆轴力 ，则对总剪力墙有：,第6章 框架 剪力墙结构设计,对总框架：,32,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,三、框架剪力墙结构铰结体系内力计算方法,第6章 框架 剪力墙结构设计,引入参数 ：,是一个无量纲的量，反映了总框架和总剪力墙之间刚度的 相对关系，称为刚度特征值。,针对具体荷载，引入边界条件，即可求到上述微分方程的解,33,6.2 框架剪力墙结构的内力计算,三、框架剪力墙结构铰结体系内力计算方法,第6章 框架 剪力墙结构设计,求到上述微分方程的解,即可求得pf,并进一步求得总剪力墙,总框架,pf,q,和总框架的各楼层的剪力。最后,按刚度进行剪力分配。,先合后分,先

18、总体后单元!,34,6.3 框架剪力墙结构的内力和位移特征,一、框架剪力墙结构的位移特征 1、侧向位移的特征 弯剪型 框剪结构的侧向位移形状，与刚度特征值有关： 当很小时（Lamda1） 总框架的刚度与总剪力墙相比很小，结构所表现出来的特性类似于纯剪力墙结构。侧移曲线象独立的悬臂柱一样，凸向原始位置,侧向位移曲线呈弯曲型。 当很大时（Lamda6） 此时，总框架的刚度比总剪力墙要大的多，结构类似于纯框架结构。侧移曲线凹向原始位置,位移曲线呈剪切型。 当1Lamda6时 总框架和总剪力墙刚度相当，侧移曲线为弯剪复合形， Lamda=（1-2.4） 。,第6章 框架 剪力墙结构设计,35,二、框架

19、剪力墙结构的内力分布特征 荷载与剪力的分布特征: 以均布水平荷载为例，总框架和总剪力墙的剪力分布如图所示，荷载分配如图所示。 框架承受的荷载在上部为正值（同外荷载作用方向相同），在底部为负值。这是因为框架和剪力墙单独承受荷载时，其变形曲线是不同的。二者共同工作后，必然产生上述的荷载分配形式。 内力分布特征 框架和剪力墙顶部剪力不为零。因为变形协调，框架和剪力墙顶部存在着集中力的作用。这也要求在设计时，要保证顶部楼盖的整体性。 框架的最大剪力在结构中部，且最大值的位置随 值的增大而向下移动。 框架结构底部剪力为零，此处全部剪力由剪力墙承担。,第6章 框架 剪力墙结构设计,36,6.3 框架-剪力

20、墙结构的受力与变形特点,back,框架,剪力墙,框架-剪力墙,变形特点,荷载分配,剪力分布,第6章 框架 剪力墙结构设计,37,back,框架-剪力墙结构的剪力分布,Vp,Vw,Vf,第6章 框架 剪力墙结构设计,38,6.4 框架剪力墙结构构件的截面设计和构造要求,一、框架剪力墙结构的截面设计 内力调整 连梁塑性内力重分布降低刚度(0.55) VF=0.2V0 时，VF=min0.2V0,1.5VF,max V0底部总地震剪力 VF,max框架各层楼层剪力中的最大值 屋面突出部分为框剪结构， VF取计算层剪力1.5 框架 结构侧移小延性要求略低 剪力墙 带边框剪力墙,第6章 框架 剪力墙结构

21、设计,39,带边框剪力墙,第6章 框架 剪力墙结构设计,立面图,设置暗梁,横截面,40,6.4 框架剪力墙结构构件的截面设计和构造要求,二、框架剪力墙结构的构造要求 框架梁柱的构造要求 同框架结构 剪力墙配筋的构造 基本同剪力墙结构 带边框剪力墙的构造 墙肢的厚度: 一、二级抗震： 底部不小于层高h的1/16，且不小于200mm; 三、四级抗震及非抗震： 不小于层高h的1/20，且不小于160mm。 水平分布钢筋的锚固: 暗梁的设置:,第6章 框架 剪力墙结构设计,41,第7章 筒体结构设计,筒体结构的受力与变形特点 筒体结构的布置 筒体结构内力和位移的计算方法 筒体结构构件截面设计 筒体结构

22、构造要求,back,第7章 筒体结构设计,42,back,第7章 筒体结构设计,实腹筒易出现脆性的破坏 形态，故宜设置洞口，使 筒壁成为联肢墙的形式； 每一立面，空洞面积不超 过总立面面积的50； 周边柱的间距23m； 窗裙梁高度0.61.2m； H/B3，L/B2.,43,第二章 高层建筑结构体系和结构布置,2.1.5 筒体结构体系 筒体结构体系的种类 多筒结构体系， 筒中筒结构体系，实例：World Trade Center 筒束结构体系，实例：Sears Tower。,L,B,44,筒中筒,45,第二章 高层建筑结构体系和结构布置,震害 美洲银行,18层，2层地下室，框架-筒体， 3-1

23、7层的连梁轻微斜裂缝。,46,BMW AG outside facade day（suspended),47,48,49,BWM AG under construction concrete,50,Standard Bank Centre Looking up at the unique structure built from the top down,51,Standard Bank Centre The unique building method showing the cantilever beams being cast,52,Standard Bank Centre View f

24、rom another building,53,一、筒体结构的受力与变形特点,框筒的受力特点（空间整体受力）剪力滞后 剪力腹板框架（通常内筒承担大部分） 弯矩翼缘框架（外筒大），沿框筒水平截面的分布不是呈直线，而是呈曲线分布。 变形特点剪弯型,back,54,剪力滞后效应 框筒的受力特性使弯矩沿框筒水平截面的分布不是呈直线，而是呈曲线分布，角部大，中部小，致使在水平截面上，正应力在角柱较大，在中部逐渐减小，这种现象称为剪力滞后效应。,back,第7章 筒体结构设计,55,剪力滞后影响因素及规律,窗裙梁剪切刚度与柱轴向刚度比 比值越大，剪力滞后越小 框筒平面形状 翼缘框架越长，剪力滞后越大 所处

25、高度 底部大，顶部小（负）,back,第7章 筒体结构设计,56,二、筒体结构的布置,平面、构件及楼盖 原则：规则、对称；尽量减小剪力滞后 框筒： 密柱（1-3m）深梁（l/h=3-4,窗洞面积3 内筒：面积不宜过小（H/B=10，内外筒边长比=1/2-1/3） 楼盖： （作用）尽量减少其弯矩传递（铰接、平板式、密肋） 宜使角柱承受较大竖向荷载以平衡角柱中较大拉力（斜梁） 转换层,back,57,三、筒体结构内力和位移的计算方法,空间杆系-薄壁柱矩阵位移法(TBSA,PK-PM的TAT,ETABS等等) 等效槽形截面估算法 等代角柱法 图表法 平面展开矩阵位移法（翼缘展开法） 等效弹性连续体能

26、量法 有限条法,back,58,四、筒体结构构件截面设计,外框筒 柱： 角柱和弯矩较大柱双向偏压 其它柱框架平面单向偏压 窗裙梁 按连梁计算 l/h1时，可交叉斜筋、水平开缝 核心筒 剪力墙墙肢（同剪力墙结构） 正截面：宜考虑翼缘 斜截面：不考虑翼缘 连梁（同剪力墙结构）,back,59,9 高层建筑结构基础设计,back,一、高层建筑结构常用的基础形式：箱形基础、筏形基础、联合基础（桩箱、 桩筏）、交叉梁式基础、 桩基。,二、高层建筑结构基础选型：根据上部结构的类型及刚度、地基条件、抗震设 防要求、施工技术、环境条件等因素综合确定。基础 的型式和布置，要合理地配合上部结构的设计，满 足建筑物

27、整体的要求，同时要做到便于施工、降低 造价。 天然地基上结构较简单的浅基础，最为经济，如能满足要求，宜优先选用。天然地基、人工地基上浅基础设计的原则和方法基本相同，只是采用人工地基上的浅基础方案时，尚需对选择的地基处理方法进行设计，并处理好人工地基与浅基础的相互影响。,9.1 概 述,60,9. 高层建筑结构基础设计,back,二、高层建筑结构基础选型 天然地基上结构较简单的浅基础，最为经济，如能满足要求，宜优先选用。天然地基、人工地基上浅基础设计的原则和方法基本相同，只是采用人工地基上的浅基础方案时，尚需对选择的地基处理方法进行设计，并处理好人工地基与浅基础的相互影响。 一般情况下，高层建筑

28、宜优先选用整体性较好的箱型和筏型基础；当地基承载力不足时、沉降量大时，可采用箱基与桩基、筏基与桩基或复合地基组成的联合基础。 必须强调的是：地基基础问题的解决，不宜单纯着眼于地基基础本身，按常规设计时，更应把地基、基础与上部结构视为一个统一的整体，从三者相互作用的概念出发考虑地基基础方案。,9.1 概 述,61,9 高层建筑结构基础设计,back,三、天然地基上浅基础的设计，包括下述各项内容： 1.选择基础的材料、类型和平面布置； 2.选择基础的埋置深度； 3.确定地基承载力； 4.确定基础尺寸； 5.进行地基变形与稳定性验算； 6.进行基础结构设计； 7.绘制基础施工图，提出施工说明。,62

29、,9. 高层建筑结构基础设计,9.1 箱形基础 9.2 桩基础,back,四、高层建筑结构基础埋深 必须考虑把基础设置在变形较小，而强度又比较大的持力层上，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。 此外，还要使基础有足够的埋置深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。确定基础埋置深度时，必须综合考虑地基的地质、地形、水文条件，当地的冻结深度、上部结构形式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。 进入持力层不小于300mm 。 最小埋深： 天然地基或复合地基: 1/15H 桩基: 1/18H,63,筏型基础,64,筏型基础,65,筏型基础,66,筏型基础,67,22米直径、单仓容量为10000吨的原煤仓基础，结构形式为箱形、基础筏板及环墙组成。筏板下面为1000直径的钢筋砼灌注桩，筏板厚度为1500，环墙厚度为500700。,68,正在插环墙骨架钢筋,69,70,准备浇注砼,71,9.1 箱形基础,箱形基础布置 地基验算 箱形基础结构计算 箱形基础构件设计 箱形基础构造要求,back,第9章 高层建筑结构基础设计,72,一、箱形基础布置,平面尺寸（涉及地基土承载力、上部结构布置、荷载分布等） 偏心距控制：基底形心宜与结构长期竖向荷载重心重合 恒载+活载：e1/16-1/18基础长度；3m 埋深（满足