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1、1高楼结构建筑设计高楼结构建筑设计(初部初部)教师教师：钟瑜隆钟瑜隆20132013年年1111月月4 4日日土木工程与建筑学院一、高层建筑结构设计基本流程。二、高层建筑结构几个基本概念。三、建立模型进行结构计算。四、施工图的绘制。2课程内容3一、高层建筑结构设计基本流程。1.在接到建筑专业作业图以及地质报告之后，进行结构方案讨论(实践证明，方案讨论非常有效)。4a.结构形式的选型。b.基础形式选型。c.竖向构件墙、柱的粗略布置。2.与建筑以及其它专家进行协商调整通过计算器进行初算。3.初步考察计算结果指标，根据计算指标对结构进行调整，包括构件布置与断面等等。4.对模型进行调整、深化，与各个专

2、业详细配合，确定计算指标符合规范要求，并进行构件、地下结构的计算设计。55.绘图、打印计算书。6.提交设计成果。7.对审查意见进行回复。如果需要提供初步设计文件，基本流程同上，只是计算模型不用太精确，在满足计算指标的情况下，提供一个文本的建筑结构设计说明书，和简单的图纸，包括荷载、结构布置与断面、计算结果、结构方案图等。详见国家图样设计深度文件。7二、高层建筑结构设计几个基本概念。1.高层建筑结构、结构形式概念2.荷载、荷载效应的概念3.计算方法的概念4.概念设计1.高层建筑结构基本概念高层建筑混凝土结构技术规程高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ32002）里规定：）里规定：10层及层及10层

3、以上层以上或高度或高度超过超过28m的的钢筋混凝土结构称为钢筋混凝土结构称为高层建筑结构高层建筑结构。当建筑高度超过当建筑高度超过100m时时，称为，称为超高层建筑超高层建筑。我国的房屋一般我国的房屋一般8层以上层以上就需要就需要设置电梯设置电梯，对对10层以上的房屋层以上的房屋就有提出就有提出特殊的防火要求的防火规范特殊的防火要求的防火规范，因此我国的因此我国的民用建筑设计通则民用建筑设计通则（GB 503522005）、）、高层民用建筑设计防火规范高层民用建筑设计防火规范（GB 50045-95）将将10层及层及10层以上的住宅建筑和高度超过层以上的住宅建筑和高度超过24m的公共建筑和综合

4、性建筑划称为高层建筑。的公共建筑和综合性建筑划称为高层建筑。1.高层建筑结构基本概念高层建筑钢筋混凝土结构主要形式框架结构剪力墙结构框架-剪力墙结构筒体结构板柱结构异形柱结构框架结构1.整体结构的纵向和横向整体结构的纵向和横向，全部由框架单一构全部由框架单一构件组成的体系称为件组成的体系称为框架体系框架体系。2.框架结构同时负担垂直载重与水平载重，在框架结构同时负担垂直载重与水平载重，在水平力作用下它的强度低，刚度小，水平位水平力作用下它的强度低，刚度小，水平位移大，所以在移大，所以在高震度区高震度区不宜采用。不宜采用。3.框架结构梁柱偏心时，需要加腋框架结构梁柱偏心时，需要加腋。4.对于短柱

5、要箍筋加密，（层高对于短柱要箍筋加密，（层高-梁高）梁高）=柱子柱子净高，净高，柱子净高柱子净高4倍柱长边倍柱长边。即是短柱。即是短柱。楼梯平台梁所交的框架柱，一二级框架的角楼梯平台梁所交的框架柱，一二级框架的角柱。都需要箍筋加密柱。都需要箍筋加密。5.主要用于主要用于10-12层层的商厂与办公大楼。的商厂与办公大楼。框架结构剪力墙结构1.剪力墙结构是指该体系中剪力墙结构是指该体系中竖向承重结构竖向承重结构全部由一系列全部由一系列横向和纵向的横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙钢筋混凝土剪力墙所组成。所组成。2.剪力墙布置的要求剪力墙布置的要求 尽量避免过多的短肢剪力墙（第一阵型的倾覆力矩尽量避免过多

6、的短肢剪力墙（第一阵型的倾覆力矩40%50%）剪力墙的加强区的高度，剪力墙的加强区的高度，剪力墙的配筋率，剪力墙的配筋率，剪力墙的剪力墙的边缘构件设置边缘构件设置，剪力墙开洞，剪力墙开洞，剪力墙的墙长要求（剪力墙的墙长要求（3倍墙厚以下倍墙厚以下按照按照框架柱来设计框架柱来设计，5-8倍为短肢剪力墙，长度不宜大于倍为短肢剪力墙，长度不宜大于8米，不宜小于米，不宜小于5倍倍墙厚）墙厚）剪力墙墙厚的要求剪力墙墙厚的要求-否则，验算稳定否则，验算稳定剪力墙避免与粱垂直相交剪力墙避免与粱垂直相交剪力墙连梁不宜作为主梁支座，剪力墙连梁不宜作为主梁支座，跨高比较大时按框粱跨高比较大时按框粱。剪力墙结构框架

7、-剪力墙结构1.框架框架-剪力墙结构的概念、特点剪力墙结构的概念、特点连梁连梁-剪力墙剪力墙-框架框架2.框架剪力墙布置的问题框架剪力墙布置的问题剪力墙宜均匀、对称、分散、周圈。剪力墙宜均匀、对称、分散、周圈。框架部分承担的倾覆弯矩不应大于总值的框架部分承担的倾覆弯矩不应大于总值的50%。框架部分的抗剪承载力。框架部分的抗剪承载力。剪力墙间距。剪力墙间距。墙厚、配筋率墙厚、配筋率底部加强部位底部加强部位边缘构件边缘构件框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构高层结构设计的基本原理荷载模型荷载模型-竖向，水平荷载（风荷载的计算，底部剪力法，阵型分解反应谱法计算地震力）结构模型结构模型-杆件，壳元（弹性阶

8、段）计算方法计算方法-计算水平、竖向荷载下效应，通过组合，使其满足两种极限状态，三个阶段等等设计要求。构构 造造-通过经验，概念对结构采取措施1.高层建筑结构基本概念高层建筑结构的基本荷载高层建筑结构的基本荷载竖向荷载（恒载、活载）风载（等效后的分布图）地震荷载+1.高层建筑结构基本概念竖向荷载（恒载、活载）竖向荷载的计算：1、恒载2、活载，查荷载规范1.高层建筑结构基本概念风荷载的计算：1、根据使用年限确定基本风压，特别重要或者对风荷载敏感的，要取100年（超过60m）2、根据场地所在场地粗糙度类别，确定风压高度变化系数z3、根据建筑平面确定体型系数z4、根据建筑物周期确定风振系数z风载（实

9、际分布不均匀）地震荷载1.底部剪力法2.阵型分解反应谱法原理，见相关规范。设计中，程序来计算，但是要指定相应的指标。主要包括：a)场地土类别与地震分组，来确定场地的特征周期。b)地震烈度，确定设计用地震加速度值1.高层建筑结构基本概念结构模型现在常用结构构件模型：杆元-模拟梁柱壳元-模拟墙、板高层建筑结构中，主要抗侧力构件：柱，剪力墙高层建筑结构，高度对内力与位移（效应）的影响：高层建筑结构，高度对内力与位移（效应）的影响：轴力轴力与高度成正比。与高度成正比。弯矩弯矩与高度的二次方成正比。与高度的二次方成正比。位移位移与高度的四次方成正比。与高度的四次方成正比。水平位移受水平荷载，水平位移受水

10、平荷载，位移过大容易引起位移过大容易引起填充墙与装修破坏，填充墙与装修破坏，电梯轨道变形，电梯轨道变形，主体结构出现裂缝，主体结构出现裂缝，产生附加应力产生附加应力P-效应效应。所以，高层建筑结构设计，与多层建筑相比，位移控制更严格。所以，高层建筑结构设计，与多层建筑相比，位移控制更严格。1.高层建筑结构基本概念设计原则以概率为基础的极限状态设计法。以概率为基础的极限状态设计法。承载力极限状态。力量控制承载力极限状态。力量控制如如(1)丧失平衡丧失平衡;(2)材料强度不足材料强度不足;(3)结构转变成为机动体结构转变成为机动体;(4)丧失稳定；丧失稳定；正常使用极限状态。位移控制正常使用极限状

11、态。位移控制如如(1)影响正常使用或外观的变形影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；(3)影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；(4)影响正常使用的其他特定状态；影响正常使用的其他特定状态；抗震设计抗震设计的内容，可以简称为三水准，两阶段。三水准是指抗震设防目标小震不坏，中震可修、大震不倒1）当遭受）当遭受低于本地区抗震设防烈度低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般的多遇地震影响时，一般不受损失或者不需要修理可继续使用；不受损失或者不需要修理可继续使用；2）当遭受相当于）当遭受相当于本地区抗震设防烈度

12、的地震影响时本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损可能损坏坏，经一般修理或者不需要修理仍然可以继续使用；，经一般修理或者不需要修理仍然可以继续使用；3）当遭受）当遭受高于本地区抗震设防烈度高于本地区抗震设防烈度预计的罕遇地震影响时，预计的罕遇地震影响时，不至于倒塌或者发生危危及生命的严重破坏不至于倒塌或者发生危危及生命的严重破坏。抗震设计方法第一阶段为结构设计计算阶段：主要任务是承载能力计算和一系列基本抗震构造措施设计。确定结构方案和结构布置，用小震作用计算结构弹性位移和构件的内力，并用极限状态法设计各构件（譬如确定配筋），同时进行结构的抗震变形验算，按照延性和耗能要求，采用相应的构造措施。这

13、样就基本可以做到保证前面所说的“三水准”中的前两个水准：小震不坏，中震可修。第二阶段为验算阶段：主要对抗震有特殊要求或者对地震特别敏感、存在大震作用时容易发生灾害的薄弱部位进行弹塑性变形验算，要求其值在避免结构发生倒塌的范围内。如果层间位移超过允许值，认为结构可能发生严重破坏或者倒塌，则需要对薄弱部位采取必要的措施，直到满足要求为止。通过弹性阶段的设计计算和塑性阶段的验算，并保证抗震构造措施，实现“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震要求。满足强度要求-在竖向，水平荷载作用下，结构构件不发生强度破坏。满足刚度要求-在竖向，水平荷载作用下要满足位移的限值要求，还要使高层建筑结构的扭转刚度足够大，

14、使得扭转阵型不是第一阵型，扭转周期与平动周期的比值要满足规定的限制。强度的问题，就是截面的抗拉，抗压，抗弯，抗剪承载力，能够抵抗竖向，水平荷载等产生的作用。对于位移、变形的控制，就是刚度的问题，首先要理解一个基本概念“刚度”。建筑结构设计术语和符号标准 GB/T 50083-972.7.4截面刚度-截面抵抗变形的能力。为材料弹性模量或剪切模量和相应的截面惯性矩或截面面积的乘积。2.7.4.2截面弯曲刚度-材料弹性模量和截面惯性矩的乘积。2.7.4.3截面剪变刚度-材料剪变模量和截面面积的乘积。2.7.5构件刚度-构件抵抗变形的能力。为施加于构件上的作用所引起的内力与其相应的构件变形的比值。2.

15、7.5.1构件抗拉（抗压）刚度-施加在受拉（受压）构件上的轴向力与其引起的拉伸（压缩）变形的比值。2.7.5.2构件抗弯刚度-施加在受弯构件上的弯矩与其引起的曲率变化量的比值。2.7.5.3构件抗剪刚度-施加在受剪构件上的剪力与其引起的正交夹角变化量的比值。2.7.5.4构件抗扭刚度-施加在受扭构件上的扭矩与其引起的扭转角的比值。2.7.6结构侧移刚度-结构抵抗侧向变形的能力。为施加于结构上的水平力与其引起的水平位移的比值。2.7.6.1楼层侧移刚度-楼层抵抗水平变形的能力。为施加于楼层的水平力与其引起的水平位移的比值。2.7.7.2抗震结构层间位移角限值-结构或构件在地震中相对变位角的容许值

16、。分析一下剪力墙和柱子的刚度区别，抗侧刚度包括抗剪、抗弯刚度，截面的惯性矩计算公式bh3/12,截面的抗弯刚度就是EI，抗剪刚度是剪切模量和面积的乘积。构件截面面积面积截面抗弯刚度EI柱子800 x80064104mm2E3413.3cm4剪力墙250 x265064104mm2E34952.5cm4面积相同，材料相同，剪力墙和柱子的剪变刚度相同，剪力墙的截面抗弯刚度是柱子的10.23倍。因此，在高层建筑结构中，采用剪力墙提高整个结构的抗侧刚度，更有效的控制位移。高层建筑结构，在满足构件承载力的情况下，另外的重要目标就是要控制结构的位移，在水平力一定的情况下，通过调整结构的刚度（抗弯、抗剪、抗扭）来达到规范要求。控制的变形包括平移变形和扭转变形。产生机理：水平力水平位移。扭矩扭转位移。简化的讲：质量中心，就是结构的水平力作用点。刚度中心（扭转），就是结构的扭转中心点，就是转动的轴。37三、建立模型，进行结构计算。PKPM建立模型设定参数计算考察结果调整，重复上述步骤，至满足规范PKPM建立模型1、CAD导入模型，快速建模2、文件提取设定参数1.PM里面有4个参数。2.SATWE里面有1