高层建筑的结构体系

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1、第二章 高层建筑的结构选型 与结构布置,高层建筑结构设计的基本原则 常用结构体系分类 几个典型常用结构体系简介 多层框架结构,2.1 高层建筑结构设计的基本原则,注重概念设计，重视结构选型与平、立面布置的规则性，选用抗震和抗风好且经济的结构体系，加强构造措施。在抗震设计中，应保证结构的整体性能，使整个结构具有必需的承载力、刚度和延性。结构应满足下列要求：,1）具有必要的承载力、刚度和延性； 2）避免因局部破坏而导致整个结构破坏； 3）对可能的薄弱部位采取加强措施； 4）避免局部突变和扭转效应形成的薄弱部位； 5）宜具有多道抗震防线。,概念设计：根据理论与试验研究结果和工程经验等形成的基本设计原

2、则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。 结构概念设计是一些结构设计理念，是设计思想和设计原则。例：在抗震设计时要求“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计思想和结构设计中应尽可能地使结构“简单、规则、均匀、对称”的设计原则，都属于概念设计的范畴。,2.2 高层建筑的结构选型 2.2.1 高层建筑结构类型 按材料性能分为钢结构、钢筋混凝土结构和钢与钢筋混凝土的组合结构。 1、钢结构 钢结构材料强度高、韧性好、易于加工；构件断面小、自重轻、抗震性能好；而且钢构件可以在工厂加工制作，在现场安装，有利于提高施工速度和构件的制作质量。高层钢结构用钢量大，造价高，耐火性差，,2、钢筋混

3、凝土结构 材料来源丰富，造价低，混凝土的可塑性强，混凝土材料强度虽然较低于钢材，但混凝土构件的截面大、刚度大，有利于抵抗结构的侧向位移。钢筋混凝土结构的施工工期长，结构自重大、承载力低，建造高度受到限制。,目前世界上最高的钢筋混凝土高层建筑是朝鲜平壤市的柳京饭店，地面以上是101层，高305.4m；芝加哥的水塔广场大厦（Water Plaza Tower）位居其次，76层，262m高。 3、钢钢筋混凝土组合结构 吸收了钢结构和混凝土结构两种结构的优点，克服两种结构的缺点，根据工程需要，进行不同方式组合。有以下几种组合方式：,（1）钢骨混凝土组合方式 把型钢、钢管等钢材放在混凝土构件内部，形成钢

4、骨混凝土（劲性钢筋），以充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能，目前应用比较普遍。另一种方式：在钢管内部填充混凝土，利用混凝土提高构件的刚度。,（2）混合结构组合方式 在建筑结构中，一部分抗侧力结构用钢结构，另一部分用钢筋混凝土结构。这种混合结构中，多数用钢筋混凝土做筒体或剪力墙，用钢材做框架梁、柱。如上海的金茂大厦，用钢筋混凝土做核心筒，外框用钢骨混凝土和钢柱的混合结构。 我国在高层建筑中仍以使用钢筋混凝土材料为主，目前正在加强对轻质混凝土的研究和推广；钢结构高层建筑已有相当的数量，随着我国经济实力和钢产量的提高，钢结构建筑也一定会得到良好的发展。,2.2

5、.2 高层建筑结构选型的主要内容,1）选择合适的竖向承重结构； 2）选择合适的水平承重结构； 3）选择合适的基础结构。,竖向承重结构：框架、剪力墙、框架剪力墙、筒体等多种形式； 水平承重结构：单向板肋形楼盖、双和板肋形楼盖、井式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖等多种形式；,主要承担竖向荷载。,主要承担水平荷载。,高层建筑的基础结构：独立基础、条形基础、筏形基础、箱形基础、桩基础等多种形式。,高层建筑应根据房屋高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术等因素选择适宜的结构体系。,常用结构体系分类,框架结构体系 剪力墙结构体系 框架剪力墙（框架筒体）结构体系 筒中筒结构体系 多

6、筒体系成束筒和巨型框架,2.2.3 高层建筑竖向承重结构的选型 1、竖向承重结构的类型及特点,A、结构构成 框架：梁和柱刚结而成的平面结构体系。框架承受结构的竖向和水平作用，称为框架结构体系。从施工方面看，可以是整体现浇也可以是装配式或装配整体式。,框架结构体系,缺点：侧向刚度小，抵抗侧向变形能力差。限制了框架结构的建造高度。,建筑平面布置灵活，分隔方便； 施工简便，设计合理时结构有较好的塑性变形能力； 外墙采用轻质填充材料时，结构自重小。,B、结构的优缺点： 优点 ：,C、结构的位移特征： 框架结构在水平力作用下的受力变形特点：侧移两部分组成：梁柱弯曲变形产生的侧移和柱轴向变形产生的。 水平

7、荷载作用下，框架梁柱中的内力有弯矩、剪力和轴力，在弯矩作用下，梁柱发生弯曲，且有反弯点，梁柱弯曲引起框架的整体侧向位移。框架结构下部的梁柱内力大，层间变形大，愈到上部层间变形愈小，框架的整体变形呈现剪切型。,框架在水平荷载作用下，柱轴向变形（柱的拉伸和压缩使结构出现侧移）；在上部各层较大，愈到底部层间变形愈小，使整个结构呈现弯曲型变形。,全部侧向位移中主要由梁柱弯曲引起，随着建筑高度的增加，柱轴向变形引起的侧移逐渐增大，但合成以后框架的变形仍然呈现剪切型特征。,框架抗侧移的能力-框架的抗侧移刚度，主要取决于梁柱的截面尺寸。梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，这是框架结构的主要缺点，也限制了框架结构

8、的使用高度。,通过合理设计，钢筋混凝土框架可以获得良好的延性，即设计成“延性框架”。延性框架具有较好的抗震性能。框架结构的层间变形较大，在地震区，会引起非结构构件的破坏，慎重设计。,框架结构构件类型少，易标准化、定型化；可以采用预制构件，还可采用现浇及预制梁板的半现浇半预制结构。现浇框架结构的整体性好，抗震性能好，在地震区优先采用。,在高度不大的高层建筑中，框架体系是一种较好的体系。,剪力墙即混凝土墙，能较好抵抗水平荷载。 在钢筋混凝土结构中，用实心的钢筋混凝土墙作为抗侧力单元-剪力墙结构体系。我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）称为抗震墙，也称其为结构墙。 纯剪力墙结构中，剪力墙

9、要承受房屋的竖向荷载，所以，墙体的间距受到楼板跨度的影响，一般为38m，适用于旅馆、住宅类较小开间的建筑。,剪力墙结构体系,剪力墙结构由于墙体间距的限制，其平面布置不灵活，建筑空间小，不能满足公共建筑的使用要求，结构自重较大，施工工期较长。 剪力墙结构的缺点：受楼板跨度的限制（一般为38m），剪力墙间距不能太大，建筑平面布置不够灵活。 剪力墙采用现浇钢筋混凝土结构，整体性好，承载力高，抗侧移刚度大，在水平荷载作用下结构变形小，容易满足抗震要求，适于建造3040层的高层建筑。经过合理的设计剪力墙结构也具有良好的延性。,剪力墙结构的优点： 整体性好、刚度大，抵抗侧向变形能力强； 抗震性能较好，设计

10、合理时结构具有较好的塑性变形能力。剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构高。 位移特点： 剪力墙高宽比较大时，是以受弯为主的悬臂墙，在水平荷载作用下，侧向变形呈弯曲型，特点是层间位移由下至上逐渐增大。,为了克服剪力墙结构开间小、自重大的缺点，产生了框支剪力墙结构（底部大空间剪力墙结构）和跳层剪力墙结构。,框支剪力墙（底部大空间剪力墙结构） 在剪力墙结构中，将底层或下部几层的部分剪力墙取掉，形成部分框架支撑上部剪力墙的形式，以扩大使用空间。在旅馆、饭店中常用这种结构。 框支剪力墙结构的下部为框架柱，与上部剪力墙的刚度相差悬殊，在地震作用下产生很大的侧向变形，容易造成建筑物的严重破坏，在地震区不允许采

11、用完全的框支剪力墙结构，需要有一定数量的落地剪力墙，以保证结构的刚度不发生突变。,图26 框支剪力墙侧向位移,在底层大空间剪力墙结构中，把落地剪力墙布置在两端或中部，并使纵向、横向墙围成筒体，在底层还要加大墙厚、提高混凝土强度等级等，加强底层墙的刚度，使整个结构上下差别减小。落地剪力墙之间的距离要加以限制，墙的距离与楼板宽度之比不超过3，抗震设计时不超过2-2.5，还要加强底层大空间与上部剪力墙之间的过渡层楼板的整体性和刚性，这层楼板应采用厚度较大的现浇钢筋混凝土板。,（2）跳层剪力墙结构：剪力墙与柱隔层交替布置。,图27 跳层剪力墙结构 (a)单片结构变形 (b)整体结构变形,跳层剪力墙结构

12、的优点：采用跨度不大的楼板，可以获得空间较大房间（两开间为一房间），又可避免由柱形成的软弱层。相邻两片抗侧力结构的剪力墙交替布置时，可减小柱的侧向变形，整个结构出现基本是弯曲型的变形曲线。 目前我国尚无这类跳层剪力墙结构。,剪力墙按墙肢截面长度与宽度之比分为：,3：异形柱,=35：小墙肢短肢剪力墙,=58：短肢剪力墙,8：普通剪力墙,说明：小短肢剪力墙的抗弯、抗剪和抗扭能力都很弱，不宜用于高层建筑结构中。 短肢剪力墙的抗震性能较差，在地震区应用的经验不多，为安全起见，高层建筑结构中不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。,框架剪力墙（框架筒体）结构体系,A、框架剪力墙结构体系：框架结构中设置部分

13、剪力墙。把剪力墙布置成筒体，称为框架筒体结构。筒体的承载能力、侧向刚度和抗扭能力都较单片剪力墙有大幅度提高。利用筒体作电梯间、楼梯间和竖向管道。,（1）框架剪力墙结构是一种双层抗侧力结构。结构中剪力墙的刚度大，承担大部分水平剪力（全部水平剪力的8090），与剪力墙相比框架刚度小，承担的水平剪力相对较少，框架的主要作用是承担结构的大部分竖向荷载，为建筑提供较大的使用空间。,（2）框架剪力墙结构既有框架结构布置灵活、延性好的特点，也有剪力墙结构刚度大、承载力高的特点，相互取长补短，共同抵抗水平荷载。是一种比较好的抗侧力体系，广泛应用于高层建筑，其适用高度与剪力墙结构大致相同（可建造3040层的房屋

14、）。,B、框架剪力墙结构位移特征：在水平荷载作用下，框架呈剪切型变形，剪力墙呈弯曲型变形，由于楼板和连梁的作用，框架和剪力墙的变形协调，即在同一标高处的侧向（水平）位移相等。在结构底部，框架的侧移减小，在结构上部，剪力墙的侧移减小，侧移曲线的形状呈弯剪型。层间位移沿建筑物高度均匀分布，呈“S”型位移曲线，改善了框架结构及剪力墙结构的抗震性能。,图 28 框架剪力墙结构在侧向力作用下协同工作,C、框架剪力墙结构的布置： 1) 剪力墙的数量和位置。,剪力墙多，结构的刚度大，侧向变形小，为了满足变形的限制要求，建筑物越高，要求EI越大。地震作用下，侧向位移与EI不成反比关系。在其他条件不变的情况下，

15、EI增加一倍，/H和/h仅减少1319（、分别为顶点侧移和最大层间变形；H、h分别为建筑物总高和层高）。原因：增加剪力墙的数量及抗弯刚度EI时，结构刚度加大，地震作用就会加大。,实例分析表明，EI增大1倍，地震作用增大20。过多增加剪力墙的数量不经济。 剪力墙的数量以使结构的层间位移不超过规范规定的限制为宜。剪力墙的数量也不能过少，以避免框架承担过大的剪力。 2) 框架和剪力墙都只在自身平面内抗侧力，抗震设计时，框架剪力墙结构的两个主轴方向都要布置剪力墙。,3）剪力墙的间距： 剪力墙承担了大部分水平力，成为主要的抗侧力单元，不宜仅设置一道很长的墙。应将剪力墙分散布置，当做成单片墙时，不宜少于3

16、道，最好做成筒体形状。间距：,剪力墙间距（m）(取较小值) 表21,注：1.B为楼面宽度，单位为“m”； 2.现浇层厚度大于60mm的叠合楼板可以作为现浇板考虑。,框架剪力墙结构体系中，剪力墙布置应注意以下几点：（分散、均匀、对称、上下贯通、带翼缘） 剪力墙以对称布置为好，可减少结构的扭转。这一点在地震区尤为重要；,剪力墙应上下贯通，使结构刚度连续变化均匀； 剪力墙宜布置成筒体，建筑层数较少时，也应将剪力墙布置成T型、L型、I型等。便于剪力墙更好地发挥作用； 剪力墙应布置在结构的外围，以加强结构的抗扭作用。剪力墙的间距不应过大。,筒体结构 把抗侧力的框架或剪力墙围成一个筒形，形成空间受力体系，以抵抗侧向力作用。当高层建筑结构层数多、高度大、设防要求较高时，平面抗侧力结构所构成的框架、剪力墙和框架剪力墙结构已不能满足建筑和结构的受力要求，采用空间受力性能好的筒体结构。,筒体结构的基本形式有三种，由剪力墙