高层建筑混凝土结构设计-结构体系及荷载作用.ppt

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1、高层建筑混凝土结构设计,2.1.1高层建筑结构高度分级 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010)第1.0.2条规定：10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑及房屋高度大于24m的其它民用建筑混凝土结构为高层建筑。（从理论上说，应当是水平力起控制作用的结构为高层建筑结构。）,第2章 高层建筑结构,2.1 概述,2.2 高层建筑的发展1、不同时期的世界最高建筑,2、世界高层建筑前10幢,世界高楼协会指出，世界十大高楼有六栋出现在亚洲，除了台北一0一之外，其它五栋分别是马来西亚吉隆坡石油公司双塔大厦、上海金茂大厦(八十八层)、香港国际金融中心II(八十八层)、广州中信广场(八十层)与

2、深圳信兴广场(六十九层)，显见亚洲建筑实力惊人。,1.迪拜塔，高818米，162层，钢-混多筒结构(阿联酋迪拜),2、台北101大楼508米。（钢-混凝土混合结构）,3、上海环球金融中心 480米，103层，巨型框架-核心筒-外伸结构，2008年建成。,4 石油公司双塔大厦，88层，451.9米，1997年建成。吉隆坡（钢-混凝土混合结构）,5、西尔斯大厦，地上108层，地下3层,443米，1974年建成（钢结构）美国芝加哥。,6、金茂大厦，420.5米，88层,1998年建成（钢-混凝土混合结构）中国上海。,7、国际金融中心大厦（二期），420米，88层,2003年建成，（钢-混凝土混合结构

3、）位于中国香港。,8、中信广场大厦，391米，80层，1997年建成（钢筋混凝土结构）中国广州。,9、信兴广场大厦（地王大厦）384米,69层，1996年建成，（钢-混凝土混合结构）中国深圳。,10、帝国大厦，381米，102层，1931年建成，（钢结构）美国纽约。,3、计划和正在修建的部分高层建筑,12.x-seed，高4000米，800层（预计)(日本),上海中心,2.3、高层建筑结构的特点1.侧向荷载(风荷载和地震作用)在高层建筑结构受力中起重要作用 竖向荷载在柱中产生的柱力与层数成正比，均布水平荷载在结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比，倒三角形荷载侧弯矩与楼层总高度的三次方

4、成正比，位移成四次方关系(侧移成主要控制指标)；竖向荷载为定，水平荷载不确定且随很多因素变化 2.增大竖向构件侧向刚度是改善结构受力性能的重要措施,8m,1m,当柱的抗侧移刚度不足时，利用截面高度数倍于柱的钢筋混凝土墙（剪力墙），可大幅度的提高房屋的抗侧移刚度。,1m,1m,2m,2m,8m,关于刚度的进一步探讨,比较以上几种结构方案可以看出，尽管截面面积相同，合理改变结构形式可以大大提高刚度。,如下图所示，设塔楼平面尺寸相同，边长均为5.2m，结构截面面积均为4m2。,方案1：,方案2：,方案3：,方案4：,若将内部楼电梯间井筒或整个外墙做成筒状钢筋混凝土抗侧力构件（筒体），则可获得更加强大

5、的抗侧移刚度。,4.自重大，要求采用轻质墙体材料5.竖向构件的轴向变形不可忽视支座变形对连续梁弯矩影响；施工加载过程的影响;对构件剪力和侧移的影响6.有抗震要求，对结构的延性有更严格要求7.对风荷载更加敏感，且顶端在风荷载作用下有较大位移，对舒适度需要进行校核(限制结构顶点风振加速度值),2.4、高层建筑的优缺点,2.5、高层建筑的水平位移和加速度限值 1.层间弹性水平位移限值(高规规定),2.罕遇水平地震作用薄弱层层间位移限值,3.结构风振加速度限值(舒适度要求),不舒服的程度 无感觉 有感 扰人 十分扰人 不能忍受,建筑物的加速度,对于高度不高且刚度较大的钢筋混凝土高层建筑，风振很小，不会

6、使人们感觉不舒适，但对于高度较高（超过150m）的高层建筑结构，为保证在正常使用条件风振不至于扰人，应按下述要求进行舒适度验算。,式中：,顶点最大加速度计算,住宅、公寓,高度超过150m的高层建筑结构，按荷载规范规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度max应满足:,办公、旅馆,2.7 高层建筑的竖向结构体系,1 框架结构,框架结构的优点：建筑平面布置灵活，可形成较大空间建筑，加隔墙后也可以形成小房间，建筑立面便于处理。框架结构缺点：框架结构侧向刚度较小，水平位移较大，因此，框架结构主要用在层数不多、水平荷载较小的情况，一般高度不超过60m。框架结构设计时，需在两个正

7、交方向设置框架，抵抗各方向水平力；梁、柱需刚接；不宜采用单跨框架；柱沿竖向尺寸均匀变化；具有较大的塑性变形能力(延性)；不应出现混合承重结构；应重视填充墙对结构刚度的影响；填充墙与框架间要有可靠连接等。其位移曲线为剪切型。,2 剪力墙结构 用钢筋混凝土墙体(也称抗震墙）承受竖向和抵抗侧向力的结构称剪力墙结构。由于其侧向刚度较大，故适用于10-50层建筑。,剪力墙结构的优点：整体性好，抗侧刚度和承载力大，在水平力作用下侧向变形较小，合理设计的延性剪力墙具有较好的抗震性能。剪力墙结构的缺点：剪力墙间距小，平面布置不灵活，不能满足公共建筑使用要求，结构自重也较大。剪力墙结构设计时，由于剪力墙平面外刚

8、度小，应双向布置剪力墙且刚度接近；剪力墙宜连续布置，避免刚度突变；剪力墙洞口布置规则，连梁应具有较好的延性性能；应采用工字形、L形和T形剪力墙；墙体宜封闭形成筒等。其位移曲线为弯曲型。,剪力墙结构平面示意图,对于必须在底部布置大空间的结构，可将剪力墙结构底部一层或几层取消部分剪力墙，代之以框架及其它转换结构（如厚板等转换层）构成部分框支剪力墙、部分落地剪力墙结构体系。这种结构体系由于刚度突变导致应力集中，震害调查表明此部位结构破坏严重，因此，底部被取消的剪力墙数量不应过多。底部大空间层数不宜过多(不能形成高位转换);落地剪力墙间距应加以控制(抗震设计时剪力墙间距与楼板宽度之比为2-2.5以内)

9、;加强过度层楼板的整体性和刚度。短肢剪力墙(截面高度与宽度之比5-8)抗震性能比普通剪力墙差，故宜控制短肢剪力墙数量。,3 框架剪力墙结构(框架-筒体结构)框架和剪力墙共同承受竖向荷载和侧向力称为框架-剪力墙结构。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架-筒体结构。,框架剪力墙结构,框架-剪力墙结构的优点：既可以使平面灵活布置、获得较大空间，又能得到较大的抗侧刚度和承载能力。筒体的承载力、侧向刚度和抗扭强度都较单片墙体大大提高，在建筑中通常将楼梯间、电梯井及管道井等位置设置为筒体。合理设置的框架-剪力墙结构可以形成多道抗震防线，在水平力作用下框架和剪力墙的变形曲线分别呈剪切型和弯曲型，组合在一起后

10、层间位移沿建筑高度分布均匀。框架-剪力墙结构是一种较好的抗侧力体系。,框-剪(框-筒)结构平面布置应注意以下两方面的问题：(1)剪力墙数量要合适，满足层间位移角限值的要求，底层剪力墙承担倾覆力矩不小于50%。(2)剪力墙的布置及间距,框架筒体结构,两种形式,剪力墙内筒（实腹筒）:由电梯间、楼梯间及设备管井组成，底端固定于基础顶面，呈竖向放置的薄壁悬臂梁。框筒（空腹筒）：由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗裙梁组成。,4 筒体结构由一个或多个筒体组成的结构称为筒体结构。,1)框筒结构,由腹板框架和翼缘框架构成,理想筒体在水平力作用下截面保持平面，正应力沿腹板直线分布，沿翼缘正应力均匀分布；

11、而框筒则不再保持平截面变形，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，翼缘框架柱的轴力也不是均匀分布，靠近角部的柱子轴力大，远离角部的柱子轴力小。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为“剪力滞后”。,存在“剪力滞后”现象,2)筒中筒结构,用框筒作外筒，将楼梯间、管道井作内筒，形成筒中筒结构。筒中筒结构优点：抗倾覆及抗扭；内筒抗水平剪力，其适用高度更高。,3)束筒结构,两个或两个以上的框筒排列在一起，成为束筒结构。束筒结构具有较高的抗侧刚度和抗竖向变形能力，它缓解了剪力滞后，柱的轴力分布比较均匀。,5 框架-核心筒体结构 周边稀疏柱框架、内部筒体形成框架-核心筒结构。在核心筒和框架柱之间设置刚度较大的水平伸

12、臂构件，廹使框架柱受拉和受压，对核心筒形成反弯，增大结构抗倾覆能力。当楼层周边设置刚度大的环带构件时，形成结构加强层，结构加强层一般不多于3层。,6 其它结构型式 其中巨型框架结构由巨型主框架和普通次框架构成，含主次框架组成的巨型框架结构和主次框架、核心筒组成的巨型框架核心筒结构。巨型结构建筑布置和建筑空间在不同楼层可以有所变化。,2.8 高层建筑的水平结构体系 水平结构体系指楼盖系统。高层建筑结构中，楼盖整合各竖向构件协调变形，要求其刚度大、整体性好，一般采用现浇，并且尽量高度小、重量轻。转换层、加强层、地下室顶板等梁尺寸和刚度较大位置处楼板需作相应加强。,2.9 高层建筑结构布置原则 1.

13、平面布置 原则：平面形状简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置，否则会产生过大的偏心，导致扭转过大。,平面不规则类型,2.竖向布置 原则：竖向体型规则、均匀、避免过大的外挑和内收、避免错层和局部夹层。结构沿竖向抗侧移刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀连续，尽量减少突变。,竖向不规则类型,3.建筑高宽比,A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比,4.基础埋置深度,高层建筑宜设地下室，天然地基或复合地基基础埋深取房屋高度的1/15，桩基取房屋高度的1/18。,2.10 高层建筑荷载高层建筑主要承受竖向荷载、风荷载和地震作用。1 竖向荷载,竖向荷载分为,永久荷载（

14、恒荷载）：结构及装饰材料自重、固定 设备自重。可变荷载（活荷载）：楼面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载及施工检修荷载。,恒荷载标准值可由建筑结构荷载规范GB50009提供的各种材料自重标准值及构件和装饰物等截面尺寸进行计算，固定设备自重由有关专业人员提供。活荷载标准值应按建筑结构荷载规范GB50009的有关规定采用。,在计算高层建筑楼面活荷载引起的内力时，一般可不考虑楼面活荷载不利布置，因为高层建筑楼面活荷载标准值一般为2kN/m2，而高层建筑全部竖向荷载标准值一般为1216kN/m2，楼面活荷载最不利布置对内力影响较小，为简化计算，可不考虑楼面活荷载不利布置，按活荷载满布进行计算，然后对梁跨中弯

15、矩乘以1.11.3的放大系数。当楼面活荷载大于4kN/m2时，应考虑活荷不利布置。,2 风荷载,1)定义及有关因素 空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸引，这种作用称为风荷载。风荷载的大小主要与近地风的性质，风速和风向有关；和该建筑所在的地貌及周围土环境有关；同时和建筑物的高度，形状及表面状况有关。,2)垂直于建筑物表面上的风荷载标准值,基本风压W0:各地区空旷地面上，离地10m高统计50年重现期的10分钟平均最大风速，不少于0.3kN/m2,对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，应采用重现期为100年的风压（高层建筑对风荷载是否敏感，主要与高层建筑的自振周期有关，目前

16、尚无实用的划分标准，一般情况下，高度大于60米的高层建筑，可采用100年一遇的风压值，对于高度不超过60米的高层建筑是否采用100年一遇的风压值，可由设计人员根据实际情况确定）,全国各城市的50年一遇的风压,风压高度变化系数uz:10m以上，随着高度增加，风速加快，风压力值就越大。风压高度变化系数与地面粗糙度类别和离地面高度有关。,上表中地面粗糙度按高层建筑所在地区的不同可分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的地区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。,5 在需要更细致地进行风荷载计算

17、的场合，风荷载体型系数可按高层建筑混凝土结构技术规程附录A（或教材表3.3）采用，或由风洞试验确定。,高层建筑的风振系数,对于高度较大，风度较小的高层建筑，波动风压会产生一些不可忽略的动力效应，产生振幅加大现象。设计时采用加大风载的办法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以风振系数。其大小与结构自振我有关，包括自振周期、振型等，也与结构高度有关。荷载规范规定，对高度大于30M，高宽比大于1.5的房屋结构均需考虑风振系数。,（采用振型分解法计算总风压时得到的）振型系数，由风动力计算确定，计算时可只考虑基本振型的影响；,对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,式中 Hi 计算点距室外地面高度；H 房屋

18、高度。,高层建筑的脉动影响系数,3.总体风荷载和局部风荷载,总体效应是指作用在建筑物上的全部风荷载，使结构产生的内力及位移。局部效应是指风载对建筑物某个局部产生的内力及变形。总风荷载:总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载,局部荷载:在迎风面以及房屋侧面宽度为1/6墙面宽度的角隅部分，要验算外墙围护结构强度及连接强度。迎风面体型系数用1.5,侧面体型系数用-1.5。对于阳台、雨篷、遮阳板等悬挑构件，应验算向上漂浮的风载，超过自重时，悬挑构件会现现反向弯矩。局部向上体型系数用2.0。,高层建筑群、房屋高度大于200m，或高度大于150m的平面不规则、立面较复杂、立面开

19、洞或连体建筑、周围地形和环境较复杂的建筑，宜采用风洞试验确定风荷载。对于复杂体型的高层建筑，进行内力与位移计算时，正反两个方向风荷载的绝对值可按两个方向中的较大值采用，这样，正向风和反向风只需计算一次，两个方向的大小相等，方向相反，可使计算大为简化。,4.抗风设计要求,在高层建筑的抗风设计中，应考虑下列问题：1)保证结构具有足够的强度，能可靠地承受风荷载作用下的内力；2)结构必须具有足够的刚度，控制高层建筑在水平荷载下的位移，保证良好的居住和工作条件；3)选择合理的结构体系和建筑外形。采用较大的刚度可以减小风振的影响；圆形、正多边形平面可以减小风压的数值；4)尽量采用对称平面形状和对称结构布置

20、，减小风力偏心产生的扭转影响；5)外墙、玻璃、女儿墙及其它围护构件必须有足够的强度并与主体结构可行地连接，防止局部损坏。,3 地震作用,1)地震作用的有关规定 1)建筑物重要性分类 甲类指重大建筑工程和地震作用时可能发生严重次生灾害的建筑。乙类指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。丙类指一般高层民用建筑。,甲类建筑：应按高于本地区设防烈度计算；乙类建筑：应按本地区设防烈度计算，提高一度抗震构造；丙类建筑，应按本地区设防烈度计算和抗震构造。,2)地震作用计算原则（1）抗侧力构件正交时，可在两个主轴方向分别考虑地震作用；抗侧力构件斜交时（当相交角度大于15度时），应分别计算各斜交方向的水平地

21、震作用。（2）质量和刚度明显不对称不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。（3）8度及以上的大跨长悬臂结构应考虑竖向地震作用。（4）9度抗震时应计算竖向地震作用。,3)地震作用计算方法要求,4)结构计算一般原则及规定,(1)基本假定a 弹性假定 在内力及位移计算中，所有构件均采用弹性刚度。一般情况,刚度不必折减，仅对框架剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5。b 楼板在自身平面内的刚性假定 进行高层建筑内力及位移计算时，可将现浇楼板视为水平放置的深梁，近似认为在其自身平面内为无限刚性。采用这一假定后，结构分析的自由度数目大大减少，使计算分析大为简化。计算分析和工程实践证明，这一假定满足大多数高层建筑的结构分析精度要求。为保证假定成立，要求设计中采取必要的措施，保证楼板在自身平面内的刚度足够大，例如：平面布置宜符合规程的有关要求；楼板尽量采用现浇钢筋混凝土结构，或采用有现浇面层的装配整体式楼板，对局部有削弱的情况，可采用设置边梁加大楼板配筋等措施来加强。当楼板有较大开洞时，应考虑楼板在自身平面内弹性变形的影响。,(2)荷载效应及地震作用效应组合 a 无地震时，荷载效应组合,b 有地震时，荷载效应与地震作用效应组合,(3)承载力计算,