多高层建筑结构设计培训课件

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1、1,第十一章 结构体系和布置,【本章教学目标】 通过本章学习，了解建筑结构设计的阶段和内容。明确高层建筑结构与一般低层、多层结构的区别。掌握各种结构体系的优点、缺点以及布置要点。能区分各种结构体系。了解高层结构总体布置的意义，掌握高层结构总体布置的要求和要点。了解防震缝、伸缩缝和沉降缝的异、同点。掌握如何通过各种措施来避免设置三种缝。,2,第一节 结构设计的阶段和内容 结构设计一般分三阶段：方案阶段； 扩初阶段； 施工图阶段。 方案设计：选择结构体系、体型控制（如平面与 竖向的规则性、高宽比）等。一般由 总工程师、主任工程师或有经验的工 程师凭经验综合判断，并辅以简单的 概念计算。 扩初设计内

2、容：结构构件（梁、板、柱、墙）截 面的选择和优化。 施工图设计：给出配筋、尺寸、节点做法等，满 足施工要求。,3,第二节 高层结构体系 一、定义 结构是为了抗御外部作用而设置的。通过结构不同的应 力状态或变形行为来承受这些外部作用，而将其 所承受的荷载传至其支承结构，再传至基础，再 至地基。实质是研究构件之间传力路线问题。 结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。,二、高层结构受力特点 结构分析：与多层建筑结构是一样的。 特殊性： 1、构件轴向变形(墙、柱轴力大)与剪切变形(截 面高度大)对结构内力和位移影响不可忽略。,4,2、侧向风荷载或地震作用所产生的结构内力与 位移往往成为控制因素。

3、,5,3、侧向位移是结构设计控制因素。 (1)顶点总位移：过大会导致电梯正常运行困 难，竖向荷载下易产生P-效应，钢材用量增 加，结构失稳，倾覆危险性增加。 (2)层间相对侧移量(层间位移)：过大会导致建筑 装修及隔墙开裂，甚至引起承重构件裂缝与破坏。,6,高度大于等于250m的钢筋混凝土建筑1/500。150m250m的建筑插值。 由于高层建筑的扭转，在结构单元的尽端处。,楼层层间最大位移与层高之比的限值（ ）,7,三、高层结构体系 结构体系：框架、剪力墙，框架-剪力墙，筒体结构 (框筒、筒中筒、束筒)等 1、框架结构体系 定义：采用梁、柱通过节点组成的体系作为建筑竖向 承重结构，并同时承受

4、水平荷载的结构体系。 受力特征：水平力下，框架侧移有两部分组成：（）、梁柱弯曲变形。框架层间剪力是其上部水平 荷载的合力，所以下大上小，导致下部层间变 形大，上部小；侧移曲线表现为剪切型。（）、柱的轴向变形也使框架结构产生侧移，由倾 覆力矩使柱产生的拉伸和压缩变形所致，为弯 曲型，上部层间变形大。 在总位移中第一部分侧移是主要的，合成后结构仍呈剪切变形特征。,8,优点：建筑布置灵活，可做成需大空间的会议室、餐厅、办公室、车间等，又可用隔墙做成小房间。,9,缺点： 1、梁柱尺寸不能太大，否则影响使用面积； 目前采用的异型柱，L、十、T形，厚度与墙一 致，增加使用面积 2、侧向刚度小，地震作用下水

5、平位移大，只适 用于多层和高度不大的高层，一般60m， 抗震设防烈度高的地区更小。 因此地震区高层应采用既减轻重量，又能经受较 大变形的隔墙材料和构造做法。 例如：北京长城饭店-18层，局部22层框架，地震区最高的框架结构，轻钢龙骨板作隔断墙，外墙采用玻璃幕墙。,10,3、使用中变形大，易导致非结构构件破坏(装修、填充墙)。 设计要点: 1、根据使用要求、建筑布置来布置柱、梁、层高。 2、梁、柱节点必须刚接。 3、梁跨度受到梁断面尺寸限制：1/h=812 h/b=23.5 4、柱端面尺寸根据轴力大小确定，地震区，有轴压比限制。,11,受力特征：在水平荷载作用下，剪力墙 结构以弯曲变形为主，侧移

6、 曲线表现为弯曲型，就象悬 臂梁一样，层间位移自下而 上逐渐增大。这种增大的原因 是墙体纵向轴线由基础处的竖 直状态向上发生倾斜，其转角 的不断累加造成的，高剪力墙 的剪切变形相对于弯曲变形要 小得多。,2、剪力墙结构体系 定义：利用建筑物墙体作为竖向承重和抵抗水平力的结构。,优点：整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很 小，承载力易满足，抗震性能好，适宜于建造高层 建筑，目前我国1030层高层公寓多采用。,12,缺点：剪力墙受楼板构件跨度约束，38m,一般6m左 右，间距小，平面布置不灵活，不适应于建造公共 建筑，自重大。 适用：要求小房间的住宅，旅馆，可省去填充墙(剪力 墙不能敲掉)，

7、施工快。,13,变化情况： 1、框支剪力墙：底层做成框架柱，上层为剪力墙， 底层刚度小，上下刚度突变，地震作用下底层内 力及塑性变形很大，在地震区不允许单独采用。 2、部分落地大空间剪力墙结构：地震区满足建筑需 要底层商店或大堂的需要。,14,布置要点： 1)落地剪力墙布置在两端或中部，对称布置，防止 扭转。 2)底层采取加大墙厚，提高混凝土强度等措施提高 刚度，减小上、下刚度差。 3)上部应采用开间较大剪力墙方案。 4)落地剪力墙之间距离要加以限制(墙距离与楼板 宽度之比3，抗震22.5)。 5)过渡层楼板整体性与刚性要加大-应采用厚度 较大的现浇钢筋混凝土板。,15,3、框架-剪力墙及框架

8、核心筒结构体系 框架：侧向刚度差，地震下变形大，但具有平面灵 活，较大空间，立面易处理等特点。 剪力墙：侧向刚度大，地震下变形小，强度大，但空 间 受到限制两者相结合，取长补短，形成框 架剪力墙结构(在框架中设置一些剪力墙)定义：由框架和剪力墙共同承重和抵抗水平的受力体系。,特点：1、剪力墙或筒体常常担负大部 水平荷载，结构总体刚度加 大，侧移减小。 2、框架与剪力墙协同工作；在 结构的底部框架侧移减小， 使结构的上部剪力墙的侧移 减小，侧移曲线是 弯剪型， 接近于直线。各层层间变形 趋于均匀。,16,3、框架上、下各层柱的轴力也比纯框架柱受力均匀，故 柱尺寸，配筋也可比较均匀。 从使用和受力

9、上看，框-剪(筒)结构都是一种比较好的 体系，在公共建筑和办公楼等得到广泛使用。 例如： 18层北京饭店：框架-剪力墙结构，剪力墙分片布置， 刚度较小，1020片,17,26层上海饭店：框架核心筒结构，剪力墙连在一起，作成井筒形，刚度、承载力大大提高，(楼梯与电梯间墙围成4个井筒),18,布置要点： 1、剪力墙数量与结构体形、高度有关。 适宜：刚度大，侧向变形小，可减小结构及非结构构件破坏。 过多：建筑布置困难，地震下刚度大则地震力大，一般以保证 侧向变形不超过规范规定的限值为宜。 2、剪力墙对称布置，以减小结构扭转，地震区要求更严格， 当不能保证对称布置时，要使刚心与质心尽量接近。 3、剪力

10、墙应贯穿全高，使结构上下刚度连续，均匀。 4、层数不高时，可将剪力墙做成T、L、工形，发挥剪力墙的 作用。高度较大，可做成井筒式，加大抗侧和抗扭刚度。 5、剪力墙靠近结构外围布置，可增强其抗扭。,6、要限制剪力墙(井筒)之 间距离与楼板宽度比值 L/B，限值见规范，以 避免两片墙之间的楼板 在水平力下发生平面挠 曲。,19,4、筒体结构 建筑超过4050层时采用，世界最高的一百幢高层建筑约有三分之二采用筒体结构。 1、框筒：60年代美国工程师法卢齐.坎恩首次提出，并设计了第一幢框筒结构：芝加哥43层德威特切斯纳特公寓。 筒体通常放在建筑外围，由间距很密的柱与截面很高的梁组成，筒体内可以设置一些

11、柱子，以减小楼板和梁在垂直荷载下的跨度，但是对抵抗侧向力几乎不起作用。,20,2、筒中筒：筒体内设置剪力墙，组成筒中筒-内筒可以设置电梯、楼梯和竖向管道等。内、外筒不再设柱，内筒、外筒共同抵抗垂直与水平荷载。筒中筒结构也是双重抗侧力体系，在水平力作用下，外框架筒的变形以剪切型为主，内筒以弯曲型为主。外框筒平面尺寸大，有利于抵抗水平力产生的倾覆力矩，内筒采用钢筋混凝土墙或支撑框架，具有较大的抵抗水平剪力的能力。通过楼盖、外筒和内筒协同工作。,21,优点：较大的灵活空间，使用合理，结构也合理，适用于较高建筑，50层深圳国贸中心大厦，63层广东国际大厦均采用筒中筒体系。,结构尺寸：筒体柱距很密，1.

12、23m，最大4.5m，窗裙梁高0.61.2m，宽0.30.5m。窗洞面积不超过建筑立面面积50%，平面接近方或圆形，长短边比值不宜超过2。 通常：H/B3时，才能充分发挥作用，多层及较低层中，宜采用框架-筒体结构，而不适宜采用框筒或筒中筒。,22,3、束筒：两个或两个以上的框筒排列在一起成“束”状，称为成束筒。成束筒的腹板框架数量多，也就使翼缘框架与腹板框架相交的角柱增加，这可以大大减少剪力滞后，使翼缘框架中各个柱的轴力比较均匀。成束筒结构的抗侧刚度和承载能力比筒中筒结构更大，因此可以用于更高的建筑。,23,美国芝加哥西尔斯大楼：采用9个框筒全并在一起成束筒体系，随高度增加，筒数目不断减少。,

13、24,四、常用结构体系的选择 一个整体性能良好的建筑应该是建筑体型与结构型式的统一和完美结合。结构选型的原则： 1.功能适应性原则：应使所选结构体系型式能够适应建筑平立面形状及满足建筑功能空间需要。但随着建筑高度的增加，结构体系型式对建筑体型的影响与控制程度逐渐加大。下面给出几种常用结构体系与可形成的空间特征。,具体选择时可参考下表：（以7度区为例） 框架 剪力墙 框架-剪力墙 框架-核心筒 框筒 筒中筒 适用层数 010 1040 1030 1050 4050 4060 可建层数 20 50 40 60 55 75 内部空间 大空间 小空间 较大空间 大空间 大空间 大空间,25,2.高度合

14、理性原则：不同的结构体系具有不同的力学特征和整体性能，也就有其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围。下面是结构选型时应满足的最大适应高度要求。,A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m),26,3.整体稳定性原则：水平地震作用引起的倾覆力矩，将使结构产生整体弯曲变形，并在外侧柱和基础中引起较大的附加拉压应力，当倾覆力矩达到一定值或抗倾覆力矩较小时，过大的倾覆力矩及其引起的附加应力、变形及P-效应的共同影响下，易引起建筑物的倾覆或倒塌。而高度H越大，则倾覆力矩越大，建造宽度很小的建筑其抗倾覆力矩值较小。为此现行规范给出了高宽比限值供设计参考。,A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大高宽比,27,

15、4.空间整体性原则：结构的抗震能力更主要取决于保证各构件能协 同工作的能力或空间整体性。好的空间整体性的结构可以通过协 调变形、内力重分布、释放赘冗度形成一定屈服机制等途径，实 现使结构始终保持空间整体协同工作状态，提高各子结构共同抗 御震灾及适应保证大震时延性耗能的能力，同时还可能使结构体 系中的构件的抗震能力超过单独构件的抗震能力。获得好的空间 整体性需考虑平面尺寸、平面及竖向规则性、长宽比等。 5.场地适应性原则：结构自振周期与场地土特征周期接近或相等 时，易引起共振，导致结构反应增大，破坏加剧。建筑应优选场 地条件好的场地，或通过调整及改变结构自振周期以错开特征周 期达到提高场地适用性。 6.施工方便性原则：不同的结构体系决定了结构的施工工艺、施工 难度、施工工期及施工质量。需适当考虑施工可行性、方便性、 经济性原则。 7.经济有效性原则：不同的结构型式决定了结构建造及全寿命期的 改造、维护、加固等方面的费用。结构选型时要综合考虑，选择 造价较低的结构体系。,28,五、结构体系的延伸 1、巨型框架结构：筒体间用刚度很大的水平构件相互联系形成，巨型框架用筒