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1、高层建筑结构设计 学习辅导,混凝土结构的概念及其优缺点 多层与高层建筑的定义及其受力变形特点 结构体系的定义及其要素 说明主要的混凝土房屋结构体系 结构布置的一般原则 结构布置中“三缝”的设置及特点,第 一 章 绪 论,第二章 高层建筑结构体系与结构布置,1-5 结构布置的一般原则,强调“概念设计”，注重内力分析及其结果判断,一个建筑结构方案的确定，要涉及到安全可靠、使用要求、经济投入、施工技术和建筑美观等诸多方方面面的问题。要求设计者综合运用力学概念、结构破坏机理的概念、地震对建筑物造成破坏的经验教训、结构试验结论和计算结果的分析判断等进行设计，这在工程设计中被称为“概念设计”。,1、结构布
2、置原则 合理选择结构体系 结构和构件的传力路径合理、明确 体系拥有多道抗力防线 结构具有合理的刚度 结构应有足够的承载力 对可能出现的薄弱部位采取加强措施 延性设计强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近,本节讨论的结构总体布置原则，就是高层建筑设计中属于概念设计的一些基本原则。,1、结构布置原则 合理选择结构体系 结构和构件的传力路径合理、明确 体系拥有多道抗力防线 结构具有合理的刚度 结构应有足够的承载力 对可能出现的薄弱部位采取加强措施 延性设计强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近,本节讨论的结构总体布置原则，就是高层建筑设计中
3、属于概念设计的一些基本原则。,1） 受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与 实际表现相符合。,2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。,由于柱子的数量较少或承载能力较弱，部分柱子退出工作后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力。,抗震设计的一个重要原则是结构应有必要的赘余度和内力重分配的功能。,3）结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,有较大的变形能力而缺少较高的抗侧向力的能力如钢或钢筋混凝土纯框架，由于在不大的地震作用下会产生较大的变形，导致非结构构件的破坏或结构本身的失
4、稳。,有较高的承载能力而缺少较大变形能力如 不加约束的砌体结构，很容易引起脆性破坏而 倒塌。,必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,2、结构平面布置1）平面宜简单、对称、规则、减少偏心；,2）平面长度L不宜过长，突出部分的长度C宜减小，凹角处宜采用加强措施；,平面不规则类型,结构容易出现破坏的凹角部位,高层建筑结构平面布置的一般原则,(1) 简单 、规则、均匀、对称。 (2) 承重结构应双向布置，偏心小，构件类型少。 (3) 平面长度和突出部分应满足规范要求，凹角处宜采用加强措施。 (4) 施工简便，造价省。,3、结
5、构竖向布置,高层结构高宽比的限值,高宽比 H/B 应满足表中的要求；,竖向不规则类型,4、变形缝的设置,伸缩缝,沉降缝 避免地基不均匀沉降而引起上部结构开裂和破坏。,防震缝：在地震作用下，特别不规则结构的薄弱部位容易造成震害，为减少震害而设置将其划分为若干独立的抗震单元，使各个结构单元成为规则结构的缝隙称为防震缝。 防震缝应在地面以上沿全高设置。,第三章 风荷载及地震作用地面粗糙度分类风荷载及计算地震作用地震影响系数曲线底部剪力法的适用条件及计算方法结构抗震验算1、截面抗震验算2、抗震变形验算荷载效应组合及最不利内力抗震结构延性要求和抗震等级,1、建筑结构荷载规范（GB50009-2001)中
6、规定把地面粗糙度分为A、B、C三类： A类指近海海面、海岛、海岸及沙漠地区； B类是田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇及大城市的郊区； C类指由密集建筑群的大城市市区； D类指由密集建筑群且房屋较高的城市市区；,2、风荷载,风荷载体形系数,由空旷平坦地面，离地10m统计的重现期为50年(或100年）的10分钟平均最大风速计算所得。,风压高度变化系数,基本风压,3 地震作用,抗震设计时，结构所承受的“地震力”实际上是由于地震地面运动引起的动态作用，包括地震加速度、速度和动位移的作用，属于间接作用，称为“地震作用”。不可称为“荷载”。,4、地震影响系数曲线,？建筑物重量、刚度、自振周
7、期与所产生地震作用的关系,高层建筑结构地震作用计算方法选用,高层建筑结构应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法： 高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。 高层建筑物宜采用振型分解反应谱方法。 79 度抗设防的高层建筑，有些情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。,、底部剪力法 对于重量、刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m，以剪切变形为主的多层和高层建筑结构，采用此法计算水平地震作用。这时各楼层仅取一个自由度。,结构的总水平地震作用标准值,相应于结构基本自振周 期的水平地震影响数值,结构等效总重力荷载：单质点取总重力荷 载代
8、表值；多质点取总重力荷 载代表值的85%。,总重力荷载代表值：,建筑的总重力荷载代表值应按下列规定采用：,1、恒荷载取100% 2、雪荷载取50% 3、楼面活荷载按实际情况计算时取100%；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案室、库房取80%，一般民用建筑取50%。 4、屋面活荷载不考虑,结构等效总重力荷载：,例1：某三层框架的结构计算简图及恒载图、活载图如图所示。按8度设防，第一组，类场地土。两跨梁的总长为12m。均布荷载的单位为 ，集中荷载的单位为 要求：计算总重力荷载代表值及等效总重力荷载代表值。,50,90,解：1、计算各层重力荷载代表值,2、计算总重力荷载代表值 及等效总重力荷载代表
9、值,各楼层的水平地震作用标准值为：,顶部附加水平地震作用标准值为：,顶部附加地震作用系数,顶部附加地震作用系数,结构基本自振周期, 设计要求及荷载效应组合,什么是荷载？什么是荷载效应？,？,无地震作用组合时：,有地震作用组合时：,一、承载力验算,地震作用属于可变作用或偶然作用，其可靠指标的取值应低于静力作用下的可靠指标。因而，从理论上说，抗震设计中采用的材料强度设计值应高于静力作用时的材料强度设计值。但设计规范为了使用方便，便于将地震作用效应与静力荷载作用效应直接比较，在抗震设计中仍采用静力设计时的材料强度设计值。但通过引入承载力抗震调整系数来提高其承载力。,二、荷载效应组合及最不利内力 1、
10、无地震作用时的荷载效应组合无地震作用组合应用于非抗震设计及6度抗震设防、但不要求作地震作用计算的结构:,分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应；,分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值的分项系数；,分别为活荷载和风荷载的组合系数；,2、有地震作用时的荷载效应组合所有要求进行地震作用计算的结构要进行有地震作用的荷载组合：,分别为地震荷载代表值、水平地震作用标准值、竖向地震作用标准值、风荷载标准值的荷载效应；,分别为上述各种荷载作用的分项系数；,荷载的组合系数，取0.2。,3、 高层建筑中竖向活荷载的布置,高层结构中，由于活荷载与恒载相比不大，它产生的内力所占比重较小。因此规范规定，活荷载不
11、考虑最不利布置，而用满布活荷载计算内力。一般对梁跨中弯矩乘以1.11.2的放大系数来考虑活荷载的不利影响。,1、使用阶段层间位移限制（风荷载和小震作用下）,三、侧移限制,2、防止倒塌层间位移限制（大震作用下）,延性结构的概念,延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。塑性变形和耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。,划分结构抗震等级的意义建筑的重要性、场地的类别、设防烈度、建筑高度、结构类型、构件在结构中的重要程度的不同，对抗震提出不同的要求。抗规将各类情况分为四个抗震等级，以体现在计算中和
12、采取抗震措施上的不同要求。（高层规程中增加特一级抗震等级） 结构抗震等级一级对抗震要求最高，以下逐渐降低。,现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级,（此表摘自抗震规范中对部分结构形式的规定，未含全部）,第 四 章框架结构的组成、优缺点及施工方法框架梁的截面抗弯刚度框架结构计算基本假定分层法的计算假定、计算方法、注意事项反弯点法的计算假定、计算方法D值法对反弯点法的改进内容延性框架的概念框架截面设计与构造要求,框架梁的截面抗弯刚度,由于现浇楼板可作为框架的有效翼缘，为了简便，设计时采用如下方法计算框架梁的截面抗弯刚度。,边框架梁,中框架梁,整体装配式框架,现浇框架,计算简图,计算假定 一榀框架可以抵抗平面
13、内的水平荷载，而在平面外的刚度很小，可以忽略。 各个平面框架之间通过楼板连接，楼板在其自身平面内刚度很大，可视为刚性无限大的平板，但在平面外的刚度很小，可以忽略。,竖向荷载作用下的近似计算分层法,1、基本假定 在竖向荷载作用下，可忽略框架的侧移； 忽略本层上的荷载对其他各层梁内力的影响。,2、计算方法,除底层柱外，其他各层柱的线刚度均应乘以0.9的折减系数；,除底层柱外，其他各层柱的传递系数为1/3，底层柱仍为1/2；,节点上的弯矩不平衡时，可再进行一次分配，但不再传递；,对侧移较大的框架及不规则框架不宜采用分层法。,水平荷载作用下的近似计算,1、反弯点法 水平荷载在计算时将转化为框架节点荷载
14、； 框架在水平荷载作用下，将产生节点水平位移和节点角位移。,反弯点,反弯点,反弯点的位置和剪力确定后，梁、柱的弯矩即可求出。,基本假定： 框架梁的刚度为无限大； 各柱上下两端只发生线位移，不发生角位移； 同层柱的各柱水平位移相等。 由此得出计算方法： 当是等截面柱时，反弯点的位置在柱中央；,柱的抗剪刚度,底层柱的抗剪刚度，近似为,（因柱顶上端并非完全固定，而反弯点必定偏向刚度较小一端）,修正了框架柱的抗剪刚度 调整了框架柱的反弯点高度,2、D值法改进的反弯点法 有两个方面的改进：,确定修正后柱的反弯点位置,不再是定值，而是与柱的上下端的刚度有关，反弯点偏向刚度小的一端。主要影响因素： 水平荷载
15、的形式 柱与梁的线刚度比 上下层梁的线刚度比 上下层的层高 总层数及计算层所在位置,框架结构可以对竖向荷载作用引起的梁端弯矩进行调幅，此时跨中弯矩应相应增大。对水平荷载作用引起的梁端弯矩不调幅。,延性框架,1、延性结构结构能维持承载能力又具有较大的塑性变形能力。,通过试验和理论分析，可得以下结论：要保证框架结构有一定的延性；塑性铰出现在梁上较为有利，塑性铰出现在柱上不利；,弯曲破坏优于剪切破坏； 大偏压破坏优于小偏压破坏 不允许节点区破坏和不允许纵筋在节点区发生锚固破坏。,2、框架结构抗震设计的要素：强柱弱梁控制塑性铰的位置强剪弱弯控制构件的破坏形态强节点区、强锚固保证节点区的承载力局部加强提
16、高和加强柱根部及角柱、框支柱等受力不利部位的承载力和抗震构造措施限制柱轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束,框架梁设计,1、框架梁的抗弯设计,弯曲破坏,少筋破坏,适筋破坏,超筋破坏,剪切破坏,脆性、延性小、要防止（强剪弱弯）,1）梁截面抗弯配筋与延性,即防止框架梁因过高的配筋率（受压区混凝土的过高应变）而不能满足延性要求，x小则有利于提高延性。,有地震作用组合时的梁端箍筋加密区：,一级抗震等级：,二、三级抗震等级：,其他情况：,且梁端塑性铰区上部纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%,2）正截面抗弯承载力计算,有地震作用组合时：,无地震作用组合时：,承载力抗震调整系数，取0.75,2、框架梁的抗剪验算,（1）框架梁箍筋与延性,须在梁的两端设置箍筋加密区，来保证塑性区具有良好的塑性转动能力，同时为了防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈。,非抗震设计和抗震设计时梁端箍筋加密区之外的梁截面，采用组合值；抗震设计时梁端箍筋加密区之内的梁截面，取下值：,
