第2章 高层建筑的结构体系与结构布置Word文档格式.docx
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端自由的悬臂柱;
在两种荷载共同作用下,剪力墙各截面
将产生轴力、弯矩和剪力,并引起变形,如图2.1.5所示。
对于高宽比较大的剪力墙,其侧向变形呈弯曲型。
剪力墙结构房屋的楼板直接支承在墙上,房间墙面及
天花板平整,层高较小,特别适用于住宅、宾馆等建筑;
剪力墙的水平承载力和侧向刚度均很大,侧向变形较小。
剪力墙结构的缺点是结构自重较大;
建筑平面布置局限性大,较难获得大的建筑空间。
为了扩大剪力墙结构的应用范围,在城市临街建筑中,可将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架,形成框支剪力墙（shearwallsupportedoncolumns,如图2.1.6所示。
框支层空间大,可用作商店、餐厅等,上部剪力墙层则可作为住宅、宾馆等。
由于框支层与上部剪力墙层的结构型式以及结构构件布置不同,因而在两者连接处需设置转换层（transferstory,故这种结构亦称为带转换层高层建筑结构（关于带转换层高层建筑结构的基本概念将在9.1节中介绍。
转换层的水平转换构件,可采用
转换梁、转换桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑、厚板等。
带转换层高层建筑结构在其转换层上、下层间侧向刚度发生突变,形成柔性底层或底部,在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。
为了改善这种结构的抗震性能,底层或底部几层须采用部分框支剪力墙、部分落地剪力墙,形成底部大空间剪力墙结构,如图2.1.7所示。
在底部大空间剪力墙结构中,一般应把落地剪力墙布置在两端或中部,并将纵、横向墙围成筒体[图2.1.7（a];
另外,还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度,使整个结构的上、下部侧向刚度差别减
小。
上部则宜采用开间较大的剪力墙布置方案[图2.1.7（b]。
当房屋高度不大,但仍需采用剪力墙结构,或带转换层结构需控制转换层上、下结构的侧向刚度（一般是增大下部结构的侧向刚度,减小上部结构的侧向刚度时,可采用短肢剪力墙结构。
这种结构体系一般是在电梯、楼梯部位布置剪力墙形成筒体,其他部位则根据需要,在纵横墙交接处设置截面高度为2m左右的T、十、L形截面短肢剪力墙,墙肢之间在楼面处用梁连接,并用轻质材料填充,形成使用功能及受力均较合理的短肢剪力墙结构体系。
图2.1.8为某高层商住楼结构平面示意图,转换层以下采用底部大空间剪力墙结构,转换层以上则采用短肢剪力墙结构。
2.1.3框架-剪力墙结构体系
为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点,当建筑物需要有较大空间,且高度超过了框架结构的合理高度时,可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系,称为框架-剪力墙结构（frame-shearwallstructure。
当楼盖为无梁楼盖,由无梁楼板与柱组成的框架称为板柱框架,而由板柱框架与剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构,称为板柱-剪力墙结构（slab-columnshearwallstructure,其受力和变形特点与框架-剪力墙结构相同。
框架-剪力墙结构体系以框架为主,并布置一定数量的剪力墙,通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。
其中剪力墙承担大部分水平荷载,框架只承担较小的一部分。
图2.1.9是框架-剪力墙结构房屋平面布置的一些实例。
框架-剪力墙结构一般可采用以下几种形式:
（1框架和剪力墙（包括单片墙、联肢墙、
剪力墙筒体分开布置,各自形成比较独立的抗侧力结构。
从抗侧力结构横向布置而言,图2.1.9（c,d所示的结构属于此种形式;
（2在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙（框架相应跨的柱和梁成为该片墙的边框,称为带边框剪力墙;
（3在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙;
（4上述两种或三种形式的混合,如图2.1.9（a,b所示。
在水平荷载作用下,框架的侧向变形属剪切型,层间侧移自上而下逐层增大[图2.1.10（a];
剪力墙的侧向变形一般是弯曲型,其层间侧移自上而下逐层减小[图2.1.10（b]。
当框架与剪力墙通过
楼盖形成框架-剪力墙结构时,各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致,因而其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间,一般属于弯剪型[图2.1.10（c]。
由于框架与剪力墙的协同工作,使框架各层层间剪力趋于均匀,各层梁、柱截面尺寸和配筋也趋
于均匀,改变了纯框架结构的受力及变形特点。
框架-剪力墙结构比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高,可应用于10~20层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。
2.1.4筒体结构体系
筒体的基本形式有实腹筒、框筒和桁架筒。
由钢筋混凝土剪力墙围成的筒体称为实腹筒[图2.1.11（a];
布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体称为框筒[图2.1.11（b];
将筒体的四壁做成桁架,就形成桁架筒[图2.1.11（c]。
筒体结构（tube
structure体系是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系。
筒体最主要的受力特点是它的空间性能,在水平荷载作用下,筒体可视为下端固定、顶端自由的悬臂构件。
实腹筒实际上就是箱形截面悬臂柱,这种截面因有翼缘参与工作,其截面抗弯刚度比矩形截面大很多,故实腹筒具有很大的侧向刚度及水平
承载力,并具有很好的抗扭刚度。
框筒也可视为箱
形截面悬臂柱,其中与水平荷载方向平行的框架称
为腹板框架,与其正交方向的框架称为翼缘框架。
在水平荷载作用下,翼缘框架柱主要承受轴力（拉
力或压力,腹板框架一侧柱受拉,另侧柱受压,其
截面应力分布如图2.1.12（b所示。
应当指出,虽
然框筒与实腹筒均可视为箱形截面构件,但二者截
面应力分布并不完全相同。
在实腹筒中,腹板应力
基本为直线分布[图2.1.12（a],而框筒的腹板应
力为曲线分布。
框筒与实腹筒的翼缘应力均为抛物
线分布,但前者的应力分布更不均匀。
这是因为框
筒中各柱之间存在剪力,剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形,从而使柱之间的轴力传递减弱。
因此,在框筒的翼缘框架中,远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小;
在框筒的腹板框架中,远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。
上述现象称为剪力滞后。
框筒中剪力滞后现象愈严重,参与受力的翼缘框架柱愈少,空间受力性能愈弱。
设计中应设法减少剪力滞后现象,使各柱尽量受力均匀,这样可大大增加框筒的侧向刚度及水平承载力。
1.筒中筒结构
筒中筒结构（tubeintubestructure一般用实腹筒做内筒,框筒或桁架筒做外筒,如图2.1.13所示。
内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。
楼板起承受竖向荷载、作为筒体的水平刚性隔板和协同内、外筒工作等作用。
在这种结构中,框筒的侧向变形以剪切变形为主,内筒（实腹筒一般以弯曲变形为主,二者通过楼板联系,共同抵抗水平荷载,其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。
由于内、外筒的协同工作,结构侧向刚度增大,侧移减小,因此筒中筒结构成为50层以上超高层建筑的主要结构体系。
2.框筒结构
框筒（frame-tube也可作为抗侧力结构单独使用。
为了减小楼板和梁的跨度,在框筒中部可设置一些柱子,如图2.1.14所示。
这些柱子仅用来承受竖向荷载,不考虑其承受水平荷载。
3.多筒结构-成束筒
成束筒是由若干单筒集成一体成束状,形成空间刚度极大的抗侧力结构。
成束筒中相邻筒体之间具有共同的筒壁,每个单元筒又能单独形成一个筒体结构。
因此,沿房屋高度方向,可以中断某些单元筒,使房屋的侧向刚度及水平承载力沿高度逐渐变化。
如美国的西尔斯大厦（SearsTower,由9个正方形单筒组合而成（图2.1.15,每个筒体的平面尺寸为22.9m×
22.9m,沿房屋高度方向,在三个不同标高处中断了一些单元筒。
这种自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法,使高层建筑结构更加经济合理。
但是应当注意,这些逐渐减少的筒体结构,应对称于建筑物的平面中心。
4.巨型框架
利用筒体作为柱子,在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连,筒体和巨型梁即构成巨型框架,如图2.1.16所示。
巨型梁通常由桁架或几层楼构成,它是具有很大抗弯刚度的水平构件。
巨型梁上可以设置小框架以支承各楼层结构,小框架只承受竖向荷载并将其传给巨型梁,
一般不考虑小框架抵抗水
平荷载。
巨型框架的侧向刚度可根据筒体（巨型柱和巨型梁的刚度确定。
从结构方面看,巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。
由于它可以看作是由两级框架组成,第一级为巨型框架,是承载的主体;
第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架,也起承载作用。
因此,这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构,具有良好的抗震性能。
从建筑方面看,这种结构体系在上、下两层巨型梁之间有较大的灵活空间,可以布置小框架形成多层房间,也可以形成具有很大空间的中庭,以满足使用功能和建筑需要。
巨型框架可用来建造30~150层的超高层建筑。
2.1.5框架-核心筒结构体系
由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构,称为框架-核心筒结构（frame-corewallstructure,其中筒体主要承担水平荷载,框架主要承担竖向荷载。
这种结构兼有框架结构与筒体结构两者的优点,建筑平面布置灵活便于设置大房间,又具有较大的侧向刚度和水平承载力,因此得到广泛应用。
上海联谊大厦（29层,高106.5m就采用框架-核心筒结构,其结构平面如图2.1.17所示。
框架-核心筒结构的受力和变形特点以及协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。
2.1.6带加强层的高层建筑结构体系
筒中筒结构（图2.1.13与框架-核心筒结构（图2.1.17相比,前者由于外框筒是由密柱和深梁组成,有时不符合建筑立面处理和景观视线的要求,后者因外围框架由稀柱和浅梁组成,能给予建筑创作较多的选择和自由,并便于用户使用。
因此,从使用功能来看,框架-核心筒结构比筒中筒结构更受用户欢迎,其应用范围更为广泛。
然而,与筒中筒结构相比,框架-核心筒结构的侧向刚度比较小。
为了提高其侧向刚度,减小水平荷载作用下核心筒的弯矩和侧移,可沿框架-核心筒结构房屋的高度方向,每隔20层左右,于设备层或结构转换层处,由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连,并沿外围框架设置一层楼高的带状水平梁或桁架。
这种结构称为带加强层（storywithoutriggersand/orbeltmembers的高层建筑结构,亦称伸臂-核心筒结构。
与框架-核心筒结构相比,伸臂-核心筒结构具有更大的侧向刚度和水平承载力,从而适用于更多层数的高层建筑。
图2.1.18表示伸臂在平面上的布置方法。
图2.1.19是深圳商业中心大厦的结构剖面示意图,沿房屋高度方向设置了两个加强层（或伸臂。
在框架-核心筒结构中,框架与筒体通过楼板使它们在水平荷载作用下保持侧移一致,楼板相当于铰接连杆。
这时框架只承担很小一部分水平荷载,筒体承担大部分水平荷载,故筒体所承受的倾覆力矩很大。
但筒体抗力偶矩的力臂L较小[图2.1.20（a],因此结构抵抗倾覆力矩的能力不大。
而在带加强层的高层建筑结构中,通过设置伸臂将所有外围框架柱与筒体连为一体,形成一个整体结构来抵抗倾覆力矩。
因为有外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力,整个结构抗力偶矩的等效力臂L,将
大于筒体的宽度L[图2.1.20（b],从而提高了结构的侧向刚度和水平承载能力。
图2.1.21示出了水平荷载作用下,框架-核心筒结构中无加强层[图2.1.21（a]、顶部设置一个加强层[图2.1.21（b]和设置两个加强层[图2.1.21（c]时筒体所承担的力矩。
可见,设置一个（二个加强层相当于在结构上施加了一个（二个反力矩,它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。
设计中可根据需要设置多个加强层。
2.1.7各种结构体系的最大适用高度和适用的最大高宽比
1.最大适用高度
《高层规程》对各种高层建筑结构体系的最大适用高度做了规定,见表2.1.1和表2.1.2。
其中A级高度的钢筋混凝土高层建筑是指符合表2.1.1高度限值的建筑,也是目前数量最多,应用最广泛的建筑;
B级高度的高层建筑是指较高的（其高度超过表2.1.1规定的高度、设计上有严格要求的高层建筑,其最大适用高度应符合表2.1.2的规定。
表2.1.1A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m
抗震设防烈度
结构体系非抗震设计
6度7度8度9度
框架7060554525
框架-剪力墙14013012010050
全部落地剪力墙15014012010060
剪力墙
部分框支剪力墙13012010080不应采用框架-核心筒16015013010070
筒体
筒中筒20018015012080
板柱-剪力墙70403530不应采用注:
1表中框架不含异形柱框架结构;
2平面和竖向均不规则的结构或IV类场地上的结构,最大适用高度应适当降低;
3甲类建筑,6、7、8度时宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合本表的要求,9度时应专门考虑;
49度抗震设防、房屋高度超过本表数值时,结构设计应有可靠依据,并采取有效措施。
表2.1.2B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m
6度7度8度
框架-剪力墙170160140120
全部落地剪力墙180170150130
部分框支剪力墙150140120100
框架-核心筒220210180140
筒中筒300280230170
注:
1平面和竖向均不规则的建筑或位于IV类场地的建筑,表中数值应适当降低;
2甲类建筑,6、7度时宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合本表的要求,8度时应专门研究;
3当房屋高度超过表中数值时,结构设计应有可靠依据,并采取有效措施。
应当注意,表中的房屋高度是指室外地面至主要屋面的高度,不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度;
部分框支剪力墙结构是指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构。
2.适用的最大高宽比
房屋的高宽比愈大,水平荷载作用下的侧移愈大,抗倾覆作用的能力愈小。
因此,应控制房屋的高宽比,避免设计高宽比很大的建筑物。
《高层规程》对混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比做了规定,见表2.1.3和表2.1.4,这是对高层建筑结构的侧向刚度、整体稳定性、承载能力和经济合理性的宏观控制。
表2.1.3A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比
抗震设防烈度结构体系
非抗震设计
6度、7度
8度9度框架、板柱-剪力墙
框架-剪力墙
筒中筒、框架-核心筒
5566
4566
3455
2344
表2.1.4B级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比抗震设防烈度
6度、7度8
度8
7
6
对复杂体型的高层建筑结构,其高宽比较难确定。
作为一般原则,可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比,但对突出建筑物平面很小的局部结构（如楼梯间、电梯间等,一般不应包含在计算宽度内;
对于不宜采用最小投影宽度计算高宽比的情况,可根据实际情况采用合理的方法计算;
对带有裙房的高层建筑,当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时,计算高宽比时房屋的高度和宽度可按裙房以上部分考虑。
2.2结构总体布置
在高层建筑结构初步设计阶段,除了应根据房屋高度选择合理的结构体系外,尚应对结构平面和结构竖向进行合理的总体布置。
结构总体布置时,应综合考虑房屋的使用要求、建筑美观、结构合理以及便于施工等因素。
2.2.1结构平面布置
1.基本要求
高层建筑的结构平面布置,应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载,受力明确,传力直接,力求均匀对称,减少扭转的影响。
在地震作用下,建筑平面力求简单、规则,风作用下可适当放宽。
高层建筑结构平面布置应符合下述规定:
（1在高层建筑的一个独立结构单元内,宜使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力分布均匀。
不应采用严重不规则的平面布置。
震害经验表明,L形、T形平面和其他不规则的建筑物（图2.2.1,因扭转而破坏的很多。
因此平面布置力求简单、规则、对称,避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位。
对于严重不规则结构,必须对结构方案进行调整,以使其变为规则结构或比较规则的结构。
（2高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。
在沿海地区,风力成为高层建筑的控制性荷载,采用风压较小的平面形状有利于抗风设计。
对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面,如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。
对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状,如V形,Y形、H形、弧形等平面。
（3抗震设计的A级高度钢筋混凝土高层建筑,其平面布置宜简单、规则、对称,减少偏心;
平面长度L不宜过长,突出部分长度不宜过大（图2.2.2
;
等值宜满足表2.2.1的要求;
不宜采用角部重叠或细腰形平面图形。
llL,表2.2.1的限值
lL,设防烈度BL/
lmax
/B
bl/
6,7度8,9度
≤6.0≤5.0
≤0.35≤0.30
≤2.0≤1.5
平面过于狭长的建筑物,在地震时因两端地震波输入有位相差而容易产生不规则振动,产生较大的震害,故应对值予以限制,见表2.2.1。
为了减轻因过大而产生的震害,在实际工程中,最好不超过4（设防烈度为6,7度时或3（设防烈度为8,9度时。
BL/BL/BL/建筑平面上突出部分长度l过大时,突出部分容易产生局部振动而引发凹角处破坏,故应对值予以限制,见表2.2.1。
但在实际工程中,最好不大于1,以减轻由此而引发的建筑物震害。
bl/bl/角部重叠和细腰形的平面布置（图2.2.3,因重叠长度太小[图2.2.3（a]或采用狭窄的楼板连接[图2.2.3（b],在重叠部位和连接楼板处,应力集中十分显著,尤其在凹角部位,因应力集中易使楼板开裂、破坏,故不宜采用这种结构平面布置方案。
如必须采用时,则这些部位应采用增大楼板
厚度、增加板内配筋、设置集中配筋的边梁、配置450
斜向钢筋等方法予以加强[图2.2.3（c]。
（4抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑,其平面布置应简单、规则,减少偏心。
B级高度钢筋混凝土高层建筑和混合结构高层建筑的最大适用高度较高,复杂高层建筑的竖向布置已不规则,这些结构的地震反应较大,故对其平面布置的规则性应要求更严一些。
（5结构平面布置应减少扭转的影响。
在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的
1.5倍;
B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍。
结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比,A级高度高层建筑不应大于0.9,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。
tT1T国内、外历次大地震震害表明,平面不规则、质量中心与刚度中心偏心较大和抗扭刚度太弱的结构,其震害严重。
国内一些复杂体型高层建筑振动台模型试验结果也表明,扭转效应会导致结构的严重破坏。
因此,结构平面布置应减少扭转的影响。
对结构的扭转效应从以下两个方面加以限制:
①限制结构平面布置的不规则性,避免质心与刚心存在过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。
实际工程设计中,除应从抗侧力构件平面布置上予以控制外,还要按上述规定控制楼层竖向构件的扭转变形。
计算扭转变形时,应考虑偶然偏心的影响。
②限制结构的抗扭刚度不能太弱。
理论分析结果表明,若周期比小于0.5,则相对扭转振动效应1tT/Tu/rθ一般较小（r,θ分别表示扭转角和结构的回转半径,r⋅θ表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移,u为质心处的位移,即使结构的刚度偏心很大,偏心距e达到0.7r,其相对扭转变形值也仅为0.2;
当周期比大于0.85时,相对扭转变形ur/θ1tT/Tu/rθ值急剧增大,即使刚度偏心很小,偏心距仅为0.1r,当周期比等于0.85时,相对扭转变形1tT/Tu/rθ值可达0.25;
当周期比接近于1时,相对扭转变形1tT/Tu/rθ值可达0.5。
可见,抗震设计中应采取措施减小周期比值,使结构具有必要的抗扭刚度。
如果周期比不满足上述规定的限值时,应调整抗侧力结构的布置,增大结构的抗扭刚度。
扭转耦联振动的主方向,可通过计算振型方向因子来判断。
在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中,当转动方向因子大于0.5时,则该振型可认为是扭转为主的振型。
1tT/T1tT/T2.对楼板开洞的限制
为改善房间的通风、采光等性能,高层建筑的楼板经常有较大的凹入或开有较大面积的洞口。
楼板开口后,楼盖的整体刚度减弱,结构各部分可能出现局部振动,降低了结构的抗震性能。
为此,《高层规程》对高层建筑的楼板做了下列规定:
（1当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时,应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响,楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半;
楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的
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