结构体系与结构布置原则

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1、高层建筑结构的设计,黄淮学院建筑工程学院,主讲教师：刘凌云,第 2 章 结构体系与结构布置,高层建筑结构设计,标 题,主要内容：,主要内容,2.1 结构体系 2.2 结构总体布置 2.3 高层建筑的楼盖结构及基础,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2.1.1 框架结构体系 1、定义：房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。,2.1 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，截面各肢的肢高与肢厚比不大于4。,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2.1 结构体系,2、分类： 按施工方法不同，框架结构可分为现浇式、装配式和装配整体式三种。在地震区，多采用梁、柱、板全现浇或梁柱

2、现浇、板预制的方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。,2.1 结构体系,3、受力变形特点： 框架结构的侧移一般由两部分组成： 1）水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形Us； 2）由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩）形成框架结构的整体弯曲变形Ub； 3）当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。 注：框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形。,2.1 结构体系,4、优缺点： 1）优点：建筑平面布置灵活，能获得大空间（特别适用于商场、餐厅等）也可按需要隔成小房间；

3、建筑立面容易处理；结构自重较轻；计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。 2）缺点：侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，有时会影响正常使用；如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较大。因此，设计时应控制房屋的高度和高宽比。（以1520层以下为宜）,2.1 结构体系,2.1.2 剪力墙结构体系 1、定义：房屋竖向承重结构全部由剪力墙组成。,2.1 结构体系,2.1.2 剪力墙结构体系,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱； 在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱。 注：1）剪力墙结构属于刚性结

4、构，对于高宽比较大的剪力墙，侧向变形呈弯曲型。 2）剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。,2.1.2 剪力墙结构体系,2.1 结构体系,3、优缺点： 1）优点：剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小；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。（结构高度：几十米 100多米） 2）缺点：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）。,2.1.2 剪力墙结构体系,2.1 结构体系,4、框支剪力墙结构： 1）框支剪力墙结构将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，这种结构亦称为带转换层高层建筑结构。 2）破坏特点：带转

5、换层高层建筑结构在其转换层上、下层间侧向刚度发生突变，形成柔性底层或底部，在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。,2.1 结构体系,4、框支剪力墙结构： 3）布置原则：在底部大空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并将纵、横向墙围成筒体；另外，还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度，使上、下部侧向刚度差别尽量小。（上部可采用短肢剪力墙）,2.1 结构体系,5、短肢剪力墙结构 ： 这种结构体系一般是在电梯、楼梯部位布置剪力墙形成筒体，其他部位则根据需要，在纵横墙交接处设置截面高度为左右的、十、形截面短肢剪力墙，墙肢之间在楼面处用梁连接，并用轻质材料填充，形成使用

6、功能及受力均较合理的短肢剪力墙结构体系。（在小高层中应用很广）,2.1 结构体系,剪力墙的划分： 根据高规的相关规定，各类墙肢水平截面的截面高度hw与截面宽度bw之比见下表,短肢剪力墙（5 hw/bw 8）分为一字形短肢剪力墙和带翼墙短肢剪力墙。,2.1 结构体系,2.1.3 框架-剪力墙结构体系 1、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。,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在

7、一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。,2.1.3 框架-剪力墙结构体系,2.1 结构体系,2、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；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型。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。,2.1.3 框架-剪力墙结构体系,2.1 结构体系,3、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。 4

8、、框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置： 1）剪力墙的数量：不宜过多，以满足位移限值为宜。 2）剪力墙的布置： 为使剪力墙具有足够的延性，每道墙不宜过长；墙总高度与总长度宜大于2，且每片墙总长度不宜超过8m，否则应在剪力墙上设洞口和连梁形成双肢墙和多肢墙。 不宜少于3道，最好作成筒体；对称布置； 在纵横向数量接近； 应贯通全高，上下刚度连贯而均匀； 剪力墙的间距不宜过大。,2.1.3 框架-剪力墙结构体系,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系 1、定义：是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系,2.1 结构体系,2、分类：实腹筒、框筒和桁架筒。 1）实腹筒：钢筋混凝土剪力墙

9、围成的筒体。 2）框筒：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。 3）桁架筒：将 筒体的 四壁 做成桁 架，就形成 桁架筒。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系,外框筒筒体结构体系,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系,桁架筒筒体结构,2.1 结构体系,3、受力变形特点： 筒体最主要的受力特点是它的空间性能，在水平荷载作用下，筒体可视为下端固定、顶端自由的悬臂构件。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,3、受力变形特点： 注：1）空间性能：按材料力学计算其应力分布特点。 2）剪力滞后现象：对于框筒结构，在翼缘框架

10、中，远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小；在腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。上述现象称为剪力滞后。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,3）产生剪力滞后现象的原因：框筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形，从而使柱之间的轴力传递减弱。 4）框筒中剪力滞后现象愈严重，参与受力的翼缘框架柱愈少，空间受力性能愈弱。 5）如何减少剪力滞后： （1）要求设计密柱深梁；（2）建筑平面应接近方形； （3）结构高宽比宜大于3，高度不小于60m； （4）楼板的整体性好。 4、优缺点： 筒体结构具有很大的侧向刚度及水

11、平承载力，并具有很好的抗扭刚度。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,5、应用： 1）筒中筒结构 一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,2）框筒结构 框筒也可作为抗侧力结构单独使用。为了减小楼板和梁的跨度，在框筒中部可设置一些柱子。这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,3）多筒结构成束筒 成束筒是由若干单筒集成一体成束

12、状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,2.1.4 筒体结构体系,2.1 结构体系,4）巨型框架 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。 由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。,2.1.4 筒体结构体系,

13、2.1 结构体系,桁架筒做外筒的筒中筒结构,2.1 结构体系,2.1.5 框架-核心筒结构体系 1、定义：由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。 2、受力变形特点： 筒体主要承担水平荷载，框架主要承担竖向荷载。结构兼有框架结构与筒体结构两者的优，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较大的侧向刚度和水平承载力，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构类似。,2.1 结构体系,3、与筒中筒结构的区别： 1）筒中筒结构具有良好的空间性能；框架-核心筒结构按平面结构进行分析。 2）框架一核心筒结构的抗侧刚度远小于筒中筒结构。 3）筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主；框架一核

14、心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分。,2.1.5 框架-核心筒结构体系,2.1 结构体系,3、与筒中筒结构的区别： 注： 1）对由密柱深梁形成的框筒结构，由于空间作用，在水平荷载作用下其翼缘框架柱承受很大的轴力； 2）当柱距加大，裙梁的跨高比加大时，剪力滞后加重，柱轴力将随着框架柱距的加大而减小，即对柱距较大的“稀柱筒体”，翼缘框架柱仍然会产生一些轴力，存在一定的空间作用。 3）当柱距增大到与普通框架相似时，除角柱外，其它柱的轴力将很小，由量变到质变，通常就可忽略沿翼缘框架传递轴力的作用，按平面结构进行分析。,2.1.5 框架-核心筒结构体系,2.1 结构体系,2.1.6 带加强层的高层建筑结

15、构体系 1、定义：可沿框架核心筒结构房屋的高度方向，每隔 20 层左右，于设备层或结构转换层处，由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连，并沿外围框架设置一层楼高的带状水平梁或桁架。,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 与框架-核心筒结构相比，伸臂-核心筒结构具有更大的侧向刚度和水平承载力，从而适用于更多层数的高层建筑。 1）外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力，故增大了整个结构抗力偶矩的等效力臂；,2.1.6 带加强层的高层建筑结构体系,2.1 结构体系,2、受力变形特点： 2）设置加强层相当于在结构上施加了反力矩，它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。,2.1.6 带加强

16、层的高层建筑结构体系,2.2 结构总体布置,2.2.1 高层建筑结构布置的基本原则（参考课本） 2.2.2 结构平面布置 1、基本要求 1）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 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010） 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）,2.2 结构总体布置原则,2.2 结构总体布置,2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面。例如：圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如形，形、形、弧形等平面。,2.2 结构总体布置,3）抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度 L 不宜过长，突出部分长度 l 不宜过大；不采用角部重叠或细腰形平面图形。,2.2 结构总体布置,4) 抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布