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高层结构设计01

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高层结构设计01_第1页
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第 1 章 绪论 1.1 概 述 高层建筑是相对于多层建筑而言的,评判一栋建筑是否为高层建筑,通常以建筑的高度和层数作 为两个主要指标多少层数以上或多少高度以上的建筑为高层建筑,全世界至今没有一个统一的划分 标准在不同的国家、不同的年代,其规定也不一样,这与一个国家当时的经济条件、建筑技术、电 梯设备、消防装置等许多因素有关如美国规定高度为 22~25m 以上或 7 层以上的建筑为高层建筑; 英国规定高度为 24.3m 以上的建筑为高层建筑;日本规定 8 层以上或高度超过 31m 的建筑为高层建 筑 我国《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3-2002) (以下简称为《高层规程》 )规定,10 层及 10 层以上或房屋高度超过 28m 的混凝土结构民用建筑物为高层建筑 在结构设计时,高层建筑的高度一般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离,不包括局部突出 屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度 随着高层建筑高度的大幅度增加,出现了超高层建筑 “超高层建筑”一词来源于日本,英语中 原来并无超高层建筑相应的词条, 欧美等西方国家一般采用 Tall building 或 Highrise building 来代表高 层建筑,直到 1995 年才出现超高层建筑对应的词条 Super-tall building。

即使在日本,超高层建筑也 没有明确的分界线,如在 70 年代,指 70m 以上的建筑,到 80 年代,提高到 100m目前,日本一般 将 120m 以上的建筑称为超高层建筑,由此可以看出,超高层建筑完全是人为界定的,特指当时日本 最高的一些建筑物; 日本还将 30 层以上的旅馆、 办公楼和 20 层以上的住宅规定为超高层建筑 目前, 超高层建筑一词流行广泛,但又无统一和确切的定义,一般泛指某个国家或地区内较高的一些建筑 国际上,通常将高度超过 100m 或层数在 30 层以上的高层建筑称为超高层建筑 1.2 高层建筑结构的设计特点 高层建筑结构可以设想成为支承在地面上的竖向悬臂构件,承受着竖向荷载和水平荷载的作用, 如图 1.2.1(a)、 (b)所示与多层建筑结构相比,高层建筑结构的设计具有如下特点: (1)水平荷载成为设计的决定性因素 (1)水平荷载成为设计的决定性因素 对于多层建筑结构,一般是竖向荷载控制着结构的设计随着房屋层数的增加,虽然竖向荷载对 结构设计仍有着重要的影响,但水平荷载已成为结构设计的控制因素因为竖向荷载在结构的竖向构 件中主要产生轴向压力,其数值仅与结构高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 以及由此在竖向构件中所引起的轴力,其数值与结构高度的二次方成正比。

而且,与竖向荷载相比, 作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值与结构的动力特性等有关,具有较大的变异性 高层建筑分别在竖向荷载和水平荷载作用下[图 1.1(a) 、 (b)],结构底部所产生的轴力 N 和倾 覆力矩 M 与结构高度 H 存在着如下的关系式: (a) (b) (c) 图 1.2.1 高层结构的受力和变形示意图 1竖向结构的轴力 wHN = (1.2.1) 结构底部的倾覆力矩 ()()⎪⎩⎪ ⎨⎧= 水平倒三角形荷载水平均布荷载22qH31qH21M (1.2.2) 式中,、q分别为沿单位建筑高度的竖向荷载和水平荷载(kN/m) w为直观起见,结构底部内力 N、M 与建筑高度 H 的关系示于图 1.2.1(c) (2)侧移成为设计的控制指标 (2)侧移成为设计的控制指标 随着建筑高度的增加, 水平荷载作用下结构的侧移急剧增大 由图 1.2.1 可知, 结构顶点的侧移与结构高度 H 的四次方成正比,即 tu()()⎪⎩⎪ ⎨⎧= 水平倒三角形荷载水平均布荷载44t qHEI12011qHEI81u (1.2.3) 式中,EI 为建筑物的总体抗弯刚度(E 为弹性模量,I 为惯性矩) 。

图 1.2.1(c)给出了结构顶点侧移与建筑高度 H 的关系由图可知,水平荷载作用下,随着建筑物高度的增大,水平位移增加的速度最快,内力次之因此,高层建筑结构设计时,为了有效地抵抗水平荷载产生的内力和变形,必须选择可靠的抗侧力结构体系,使所设计的结构不仅具有较大的承载力,而且还应具有较大的侧向刚度,将水平位移限制在一定的范围内 tu结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系因为,过大的水平位移会使人产生不安全 感,会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏,造成电梯轨道变形,影响正常使用;过大的侧移会使结 构因效应而产生较大的附加内力等同时,对水平荷载作用下结构侧移的控制实际上是对结构 构件截面尺寸和刚度大小控制的一个相对指标 Δ−P(3)轴向变形的影响在设计中不容忽视 (3)轴向变形的影响在设计中不容忽视 竖向荷载是从上到下一层一层传递累积的,使高层建筑的竖向结构构件产生较大的轴向变形如 在框架结构中,中柱承受的轴压力一般要大于边柱的轴压力,相应地中柱的轴向压缩变形要大于边柱 的轴向压缩变形当房屋很高时,中柱和边柱就会产生较大的差异轴向变形,使框架梁产生不均匀沉 降,造成框架梁的弯矩分布发生较大的变化。

图 1.2.2(a)为未考虑各柱轴向变形时框架梁的弯矩分 布,图 1.2.2(b)为考虑各柱差异轴向变形时框架梁的弯矩分布同时,高层建筑特别是超高层建筑 中,竖向构件(特别是柱)的轴向压缩变形对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响如 美国休斯敦 75 层的德克萨斯商业大厦,采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合结构体系,中心钢柱由 于负荷面积大,截面尺寸小,重力荷载下底层的轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多 260mm,为此该 钢柱制作下料时需加长 260mm,并需逐层调整 (a) (b) 图 1.2.2 柱轴向变形对高层框架梁弯矩分布的影响 图 1.2.3 竖向结构体系的整体弯曲变形2随着建筑高度的增大,结构的高宽比增大,水平荷载作用下的整体弯曲影响越来越大一方面, 整体弯曲使竖向结构体系产生轴向压力和拉力,其数值与建筑高度的二次方成正比;另一方面,竖向 结构体系中的轴向压力和拉力,使一侧的竖向构件产生轴向压缩,另一侧的竖向构件产生轴向拉伸, 从而引起结构产生水平侧移,如图 1.2.3 所示计算表明,水平荷载作用下,竖向结构体系的轴向变 形对结构的内力和水平侧移有着重要的影响。

某三跨 12 层框架,层高均为 4m,全高 48m,高宽比为 2.59,在均布水平荷载作用下,柱轴向变 形所产生的侧移可达梁、柱弯曲变形所产生侧移的 40%某 17 层钢筋混凝土框架-剪力墙结构,其结 构平面如图 1.2.4 所示,在水平荷载作用下,采用矩阵位移法分别进行了考虑和不考虑轴向变形的内 力和位移计算;结果表明,与考虑竖向构件轴向变形的剪力相比较,不考虑竖向轴向变形时,各构件 水平剪力的平均误差达 30%以上,如图 1.2.4 所示,图中百分数为不考虑轴向变形时楼层剪力的平均 误差, “+”表示考虑轴向变形后楼层剪力增大;计算结果还表明,不考虑轴向变形时顶点侧移为考虑 轴向变形时的 1/2~1/3;不考虑轴向变形时结构的自振周期为考虑轴向变形时的7 . 11~4 . 11 再如某 20 层双肢剪力墙结构,图 1.2.5(a)—(d)分别给出了其在水平荷载作用下双肢墙的连 梁剪力、侧移、墙肢轴力和弯矩分布曲线由图可知,不考虑墙肢轴向变形影响的计算误差很显著 表 1.2.1 给出了不同层数的双肢剪力墙结构,不考虑轴向变形时内力和侧移的计算误差,可知轴向变 形影响的大小与结构的层数有关,层数越多,轴向变形的影响越大。

图 1.2.4 某框架-剪力墙结构平面及构件水平剪力计算误差 表 1.2.1 双肢剪力墙内力与侧移计算误差比较 层数 项目 10 15 20 内力 (10~15)% 20% (20~30)% 侧移 偏小 30% 偏小 50% 偏小 200% (a) (b) (c) (d) 图 1.2.5 20 层双肢剪力墙内力与侧移计算结果比较 3图 1.2.6 高层钢结构材料用钢量 与高度的关系 (4)延性成为结构设计的重要指标 (4)延性成为结构设计的重要指标 对地震区的高层建筑,应确保结构在地震作用下具 有较好的抗震性能结构的抗震性能主要取决于其“能 量吸收与耗散”能力的大小,而它又取决于结构延性的 大小因此,为了保证结构在进入塑性变形后仍具有较 好的抗震性能,需加强结构抗震概念设计,采取恰当的 抗震构造措施,来确保结构具有较好的延性 (5)结构材料用量显著增加 (5)结构材料用量显著增加 高层建筑的特点决定了建造高层建筑比多层建筑需 要更多的材料 图 1.2.6 为高层建筑钢结构材料用量与高 度的关系,可知随层数的增加,水平力作用下对结构进 行优化设计至关重要。

对钢筋混凝土高层建筑,材料用 量也随层数的增加而增多,但不同之处在于,承受重力 荷载而增加的材料用量比钢结构大得多,而为抵抗风荷 载所增加的材料用量却并不很多 1.3 高层建筑结构的类型 按照使用的材料区分,高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构等 类型 砌体结构虽然具有取材容易、施工简便、造价低廉等优点,但由于砌体是一种脆性材料,其抗拉、 抗弯、抗剪强度均较低,抗震性能较差,现代高层建筑很少采用无筋砌体结构建造在砌体内配置钢 筋后,可大大的改善砌体的受力性能,使之用于建造地震区和非地震区的中高层建筑成为可能 混凝土结构具有取材容易、良好的耐久性和耐火性、承载能力大,刚度好、节约钢材、降低造价、 可模性好以及能浇制成各种复杂的截面和形状等优点,现浇整体式混凝土结构还具有整体性好,经过 合理设计,可获得较好的抗震性能混凝土结构布置灵活方便,可组成各种结构受力体系,在高层建 筑中得到了广泛的应用,特别是在我国和其他一些发展中国家,高层建筑主要以混凝土结构为主世 界第一幢混凝土高层建筑为 1903 年建成的美国辛辛那提市的英格尔斯(Ingalls)大楼,我国已建成的 广州中天广场大厦,68 层,总高 322m;朝鲜平壤的柳京大厦,105 层,总高 305m;香港的中央广场 大厦,75 层,368m。

但由于混凝土结构自重大,导致构件截面较大,占据较大的面积,如广东国际 大厦,65 层,总高 200m,底层柱截面尺寸已达mm2 . 28 . 1×,占据了较大的空间此外,混凝土结构 施工工序复杂,建造周期较长,且受季节的影响等缺点,对高层建筑也较为不利由于高性能混凝土 材料的发展和施工技术的不断进步,混凝土结构仍将是今后高层建筑的主要结构类型目前,美国、 日本等从钢结构起步建造高层建筑的国家已转向发展混凝土结构,我国从 20 世纪 60 年代至今,绝大 多数高层建筑都是采用混凝土结构今后混凝土结构仍将是我国高层建筑发展的主流 钢结构具有材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、施工周期短、抗震性能好 等优点,在高层建筑中也有着较广泛的应用但由于高层建筑钢结构用钢量大,造价高,再加之因钢 结构防火性能差,需要采取防火保护措施,增加了工程造价钢结构的应用还受钢铁产量和造价的限 制,在发达国家,高层建筑的结构类型主要以钢结构为主近年来,随着我国国民经济的增强和钢产 量的大幅度提高以及高层建筑建造高度的增加,采用钢结构的高层建筑也不断的增多特别是对地基 条件差或抗震要求高,而高度又较大的高层建筑,更适合采用钢结构。

如美国纽约的帝国大厦(102 层,高 384m)和已遭恐怖袭击倒塌的世界。

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