高层建筑结构体系与布置.docx

1、高层建筑结构体系与布置第二章 高层建筑结构体系与布置 2.1 框架结构框架结构的特点是,建筑平面布置灵活,可做成较大空间的会议室、餐厅、办公室及试 验室等,加隔墙后,也可做成小房间;如果采用轻质隔墙,则可减轻建筑物重量;住宅中较 少使用框架结构,主要原因是柱截面较大,以致突出墙面,影响家具放置;框架结构侧向刚度小,属柔性结构,因而对其建造高度应予控制;在多层建筑中,框架 结构是一种常用的结构体系。2.2 剪力墙结构利用建筑物的钢筋混凝土墙体,作为竖向承重和抵抗侧力的结构,该结构即为剪力墙结 构体系, 通常, 楼盖内无次梁, 楼板直接支承在墙上, 墙体同时也是维护和分隔房间的构件; 剪力墙的间距

2、受到楼板构件跨度的限制,一般为 38m,房间墙面及天花板平整,无需 吊顶,层高较小,因而剪力墙结构适合于具有小房间的住宅、旅馆等建筑,无论在地震区或 非地震区,它都得到广泛的应用;上图是一种常用的剪力墙结构的平面,广州宾馆(27层, 87m ,广州白天鹅宾馆(30层,102m ,北京西苑饭店(27层,92m ,均属剪力墙结构。2.3 框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构是把框架和剪力墙结合在一起,共同抵抗竖向和水平荷载的一种体 系,它利用剪力墙的高抗侧力刚度和承载力,弥补框架结构柔性大、侧移大的弱点;同时由 于它只在部分位置上有剪力墙, 又保持了框架结构具有大空间、 立面易于变化等优点, 因此,

3、框架-剪力墙结构是一种较好的结构体系, 虽然其出现较晚, 但在多高层公共建筑及办公楼 建筑中得到了广泛的应用,例如上海宾馆(27层,91.5m 、北京饭店新楼(18层,80m , 上图为常见的框架-剪力墙结构平面。2.4 板柱-剪力墙结构板柱结构是指钢筋混凝土无梁楼板和柱组成的结构。板柱结构施工方便,楼板高度小, 可以减小层高.能提供大的使用空间,灵活布置隔断墙等。但板柱连接节点的抗震性能差, 不如粱柱连接节点; 地震作用产生的柱端弯矩由板柱连接节点传递, 在柱周边板内产生较大 的附加剪力,加上竖向荷载的剪力,有可能产生冲切破坏,楼板脱落。板柱结构在地震中严 重破坏、 倒塌的震害说明, 板柱结

4、构的刚度小、 抗震性能差, 不宜作为高层建筑的抗震结构。 在板柱结构中设置剪力墙,或将楼、电梯间做成钢筋混凝土井筒,即成为板柱一剪力墙 结构。 板柱一剪力墙结构可以用于抗震设防烈度不超过 8度且高度有限制的房屋建筑。 板柱 一剪力墙结构房屋的周边应布置有梁框架,楼、电梯洞口周边应布置粱。2.5 框架-支撑 (抗震墙板 结构在框架中设置支撑斜杆,即为支撑框架,一般用于钢结构。由框架和支撑框架共同承担 竖向荷载和水平荷载的结构,称为框架.支撑结构。2.6 筒体结构2.6.1、筒体结构概述筒体结构包括框筒、筒中筒、束筒以及框架一核心筒、框架一核心筒一伸臂结构等 , 其 中框架一核心筒 、框架一核心筒

5、一伸臂结构虽然都有筒体,但是它们与框筒、筒中筒、 束筒结构 的组成和传力体系有很大区别,需要了解它们的异同,掌握不同的设计概念和要 求。框筒 、筒中筒和束筒的设计概念由密排柱和跨高比较小的裙梁构成密柱深梁框架, 布置在建筑物周围形成框筒, 框 筒与实腹筒组成筒中筒, 多个框筒排列组成束筒。 在水平力作用下 , 框筒 中除了腹板框架 抵抗部分倾覆力矩外, 翼缘框架柱承受拉、 压力, 可以抵抗水平荷载产生 的部分倾覆力矩。 框筒结构具有很大的抗侧移和抗扭刚度又可增大 内部空间 的使用灵活性, 对于高 层建筑,框筒、筒中筒、束筒都是高效的抗侧力结构体系。2.6.2 框筒结构1、概述将建筑物的外围钢筋

6、混凝土墙体做成一个大筒体,它具有很大的抗侧刚度,由于需要开 窗,在墙体上开洞而形成了“梁”和“柱”,它的外形与框架类似,但梁的高度大(即窗裙 梁 ,柱的间距小,形成密柱深梁组成的空腹筒结构,称之为框筒。2、框筒的剪力滞后由于梁的变形, 使翼缘框架各柱压缩变形向中心逐渐递减, 轴力也逐渐减小, 这就 是剪力滞后现象;同理,受拉的翼缘框架也产生轴向拉力的剪力滞后现象。 由于翼缘框架各柱和裙梁内力是由角柱传来 ,其内力和变形都在翼缘框架平面 内,腹板框架的内力和变形也在它的平面内,这是框筒在水平荷载作用下 内力分布形成 “筒”的空间特性。3、影响剪力滞后的因素影响剪力滞后的因素很多,影响较大的有:柱

7、距与裙梁高度。角柱面积。框筒结构高度。框筒平面形状。2.6.3 桁架筒结构用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架,布置在建筑物的周边,就形成了桁架筒结构。 钢桁架简结构的柱距大,支撑斜杆跨越建筑的一个面的边长,沿竖向跨越数个接层。形 成巨型桁架,4片桁架围成桁架筒,两个相邻立面的支撑斜杆相交在角柱上.保证了从一个 立面到另一个立面支撑的传力路线连续, 形成整体悬臂结构。 水平力通过支撑斜杆的轴力传 至柱和基础。 钢桁架筒结构的刚度大, 比框筒结构更能充分利用建筑材料, 适用于更高的建 筑。2.6.4 筒中筒结构筒中筒结构是由两个筒体,作为竖向承重和抗侧力结构的高层结构体系,是框筒结构和 核心筒的结合;

8、一般而言,内部核心筒是利用电梯间、楼梯间和设备间等墙体构成;采用筒 中筒结构的有广东国际大厦、深圳国际贸易中心、上海电讯大楼(20层,125m 、北京中央 彩电中心(26层,107m。2.6.5 多筒结构和束筒结构在建筑平面内设置多个 RC 筒体时,即为多筒结构,例如有三重筒体甚至四重筒体;日 本东京新宿住友大厦即为三重筒体结构的 52层高层建筑、香港合和中心即属采用四重筒体 结构的 65层圆形高层建筑2.7 框架-核心筒结构1、简述框架-核心筒结构与框架-剪力墙结构并无本质上的区别, 框架-核心筒结构实际上就 是在框架内的一定位置上,设置剪力墙内筒,外周为一般框架,其平面形状较为自由、灵活

9、多样; 但是, 为了尽可能较少在水平力作用下的扭转, 还是应尽可能采用具有对称轴的简单、 规则平面,如上海联谊大厦(28层,101.15m 、南京金陵饭店(37层,110m均是框架-筒体结构。2、核心筒结构核心筒可作为独立的高层建筑承重结构,同时承受竖向荷载和侧向力的作用。 核心筒独立工作时,建筑物四周的柱子一般不着地,仅由核心筒将上部荷载传至基 础。3、核心筒结构优点占地面积小,可在地面留出较大的空间以满足绿化、交通、保护既有建筑物等规划 要求。上大下小的独特造型新颖美观,具有很好的艺术效果。四周柱子仅承受若干层的楼面竖向荷载,其截面尺寸较小,便于建筑上开窗采光。4、核心筒受力性能核心筒结构

10、具有较大的抗侧刚度,受力明确;核心筒本身是一个典型的竖向悬臂结构,在竖向荷载和侧向力作用下,可按偏心受 压构件进行筒身截面配筋设计。5、核心筒结构在地震区的受力性能在地震区,核心筒结构受力性能不理想:(1实腹的筒体结构易于出现脆性的破坏形态;(2作为悬臂结构的实腹核心筒为静定结构,没多余约束,缺乏第二道防线;(3当核心筒底部在水平力作用下形成塑性铰时,整个结构即成为机构而倒塌;(4水塔状的建筑外形和质量分布及刚性的结构形式,使核心筒结构具有较大的地震 反应。6、核心筒结构在地震区的布置措施(1在筒壁四周适当地布置一些结构洞。(2根据结构抗震的要求对筒壁上的门窗洞口进行适当的调整,使筒壁成为联肢

11、剪力 墙的结构形式, 利用连系梁梁端的塑性铰耗散地震能量, 使之出现“强肢弱梁”型的破坏形 式2.8 新结构体系 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下表的规定。表 A 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 70 60 55 45 25框架-剪力墙 1

12、40 130 120 100 50全部落地剪力墙 150 140 120 100 60剪力墙部分框支剪力墙 130 120 100 80 不应适用框架-核心筒 160 150 130 100 70筒体筒中筒 200 180 150 120 80板柱剪力墙 70 40 35 30 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;4、9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 B 级高度钢筋

13、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度框架-剪力墙 170 160 140120全部落地剪力墙 180 170 150130剪力墙部分框支剪力墙 150 140 120100框架-核心筒 220 210 180140筒体筒中筒 300 280 230170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。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

14、,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, 见下表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 A 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 5 4 3 2框架-剪力墙 5 5 4 3剪力墙 6 6 5 4筒中筒、框架-核心筒 6 6 5 4 表 B 级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比 非抗震设计 8 抗震设防烈度 6 度、7 度 7 8度 6 2.10、建筑体形和结构总体布置

15、 2.10.1、震害及抗震概念设计 根据概念设计，抗震房屋的建筑体形和结构总体布置应符合下列原则： (1）采用对抗震有利的建筑平面和立面、对抗震有利的结构布置，即采用规则结构，不 应采用严重不规则的结构。 (2应具有明确的计算简图和台理的传力途径。作用在上部结构的竖向力和侧向力，应 通过直接的、不间断的传力路线传递到基础、地基。结构应能够用明确的力学模型和数学模 型进行地震反应分析，得到符合实际的结果。 (3应具备必要的刚度和承载力，抗震结构还应具备良好的弹塑性变形能力和消耗地震 能量的能力。 (4抗震结构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 的承载能力即部分结构或

16、构件破坏不应导致结构倒塌。 (5设置多道抗震防线。适当处理结构单元承载能力的强弱关系和结构构件承载能力的 强弱关系，形成两道或更多的抗震防线，是增强结构抗倒塌能力的重要措施。第一道防线是 地震发生时先屈服的结构单元或构件，应是延性大，耗能能力好的结构单元或构件(例如框 架剪力墙结构的剪力墙、剪力墙结构中的连梁，但第二道防线的结构单元也应有足够的 抗震能力(例如，框架剪力墙结构中的框架、剪力墙结构中的墙肢。 2.10.2、 建筑平面和结构平面设计 高层建筑的外形可以分为板式和塔式两大类。板式址筑平面两个方向的尺寸相差较大， 分为长、短边；为了增大一字形板式建筑短方向的抗侧刚度，可以将板式建筑平面

17、做成折线 形或曲线形。塔式建筑平面的两个方向的尺寸接近或相差不大，其平面形状有圆形、方形、 长宽比小的矩形、Y 形、井形、切角的三角形等。多数高层建筑为塔式。 对抗风有利的建筑平面形状是简单规则的凸平面，如圆形、正多边形、椭圆形等平面， 可减小风压；有较多凹凸的复杂形状平面，如 v 形、Y 形、H 形平面等，对抗风不利。 对抗震有利的建筑平面形状是简单、规则、对称、长宽比不大的平面。平面不宜过于狭 长，突出部分的长度不宜过大，不宜采用角部重叠的平面图形和细腰形平面图形。 表 长宽比的限值和突出部分长度的限值 设防烈度 6 度、7 度 8 度、9 度 L/B 6.0 5.0 L/Bmin 0.3

18、5 0.30 l/b 2.0 1.5 结构构件的平面布置与建筑平面有关。平面简单、规则、对称的建筑，容易实现有利于 抗震的结构平面布置，即承载力、刚度、质量分布对称、均匀，剐度中心和质量中心尽可能 重合，减小扭转效应。结构具有良好的整体性。平面形状不对称时应通过剪力墙的布置调 整并实现刚度对称。简单、规则、对称结构的计算分析结果能较好地反映结构在水平力作用 下的受力状态，设计者能比较正确地计算其内力和侧移。 2.10.3 建筑立面和结构沿高度布置 结构沿高度布置应连续、均匀，使结构的侧向刚度和承载力上下相同，或下太上小，自 下而上连续、逐渐减小，避免有刚度或承载力突然变小的楼层。尤其是剪力墙，

19、白下而上要 连续布置， 在底层或中部某一层或某几层中断都会导致沿高度刚度和承载力的突变， 造成薄 弱层或柔软层，地震时容易破坏。如果顶部收进较多，或顶部刚度小，会由于振动的鞭梢效 应而使结构顶部变形过大而导致破坏。 2.10.4 不规则结构 1、概述 建筑体形简单、 结构布置规则有利于结构抗震， 但在实际工程中 不规则是难以避免的。 建筑抗震设计规范GB 500II 一 200l(以下简称抗震规范列举了三种平面不规则类 型和三种竖向不规则类型，并要求对不规则结构的水平地震作用和内力进行调整等。 2、平面不规则的类型 平面不规则的类型包括扭转不规则、楼板凹凸不规则和楼板局部不连续： (1采用楼盖

20、在其自身平面内为无限剐性的假定做结构的抗震计算当楼层的最大弹性 水平位移或层间位移， 大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的 1.2 倍时。 为扭转 不规则：大干 l.5 倍时，为扭转严重不规则。 (2结构平面凹进的一侧足寸，大于相应投影方向总尺寸的 30，为楼板凹凸不规则。 (3楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，楼板有效宽度小于典型宽度的 50，或开 洞面积大于该层楼面面积的 30，或较大的楼层错层，为楼板局部不连续。 3、竖向不规则的类型 竖向不规则的类型包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。 4、多道防线、刚柔结合的概念设计思想 由 4 个 4.6m 等边的

21、L 型柔性筒(H/b13 37， 通过每层的连梁组成一个 11.6m 11.6m 的正方形等边筒作为主要的抗震结构。 在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下具有 很大的抗弯刚度。 为了预防未知的罕遇强烈地震， 林同炎教授在连梁的中部开了较大的孔洞， 一方面 可以用来穿越通风管道，减少楼层的结构高度；另一方面是有意识地形成该结构总体系(第 一道防线中的预定簿弱环节，在未来遭遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、 屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能力的结构体系(第二道防线，即各分体系(L 型柔性筒作为独立的抗震单元，则整体结构变柔，自振周期变长，阻尼增加，地震动力反 应将大大地减小， 从

22、而可以继续保持结构的稳定性和良好的受力性能。 即使在超出弹性极限 的情况下，仍具有塑性强度，可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。 为确保每一个 L 型柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元， 林同炎教授在 L 型筒的 每面墙内的配筋几乎都是一样的。 5、正确的判断力对结构起着重要作用 现今的设计虽受规范条文的限制， 但设计者必须通过思考和判断去了解其内容、 吃 透其中的实质含义，而不是仅仅去满足允许的最低限值。英国Chas EReynolds 工程师所掌握的最佳计算方法，应该是运用最简单、最直接的计算方法。切忌使用 概念含糊不清的计算方法。(英国ALLBaker 应用现代高效能计算机， 是能对复杂的结

23、构做出可靠的分析， 但更需要运用正确的 判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新材料和更大跨度的时候。 (美国林同炎 混凝土并非弹性匀质材料， 其受力理论并不十分明确。 试图寻求“百分之百的计算 精确度”无疑是在浪费时间和金钱。(美国GPManning 在建筑结构的设计中， 当基本假定并不完全正确时， 用冗长的时间去寻求精确的答 案是绝对徒劳无功的。 (美国Wayman CWing 一个土木工程师不能仅是一个应力计算者，同时还要能欣赏形象的艺术美。这样 他的设计才能在结构功能上和审美观念上成为优秀的作品。(英国ZSMakowski 结构设计是一门艺术，没有惟一解。只有不断地探索去寻求相对的最

24、佳，而无绝 对的最优。 (英国Ove Arup 2.11 变形缝的设置 2.11.1 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， 可咀用防震缝将其划分为若 干独立的抗震单元，使各个结构单元成为规则结构。目前工程设计更倾向于不设防震缝，而 采取加强结构整体性、防止薄弱部位破坏的措施。钢结构房屋建筑一般不设防震缝。 2.11.2 伸缩缝 新浇筑的混凝土在硬结过程中由于收缩而产生收缩应力； 季节温度的变化、 室内外温差 以及向阳面与背阴面之间的温差都会使混凝土结构热胀冷缩产生温度应力。 混凝土收缩和温 度应力常常会使混凝土结构产生裂缝。 为了避免收缩裂缝和温度裂缝， 房屋建筑可以

25、设置伸 缩缝。我国规范规定，现浇钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构伸缩缝的最大间距分别为 55m 和 45m，框架一剪力墙结构伸缩缝的最大间距可根据具体情况介于 45m 和 55m 之间。钢结构 伸缩缝的最大间距可为 90m。有充分依据或可靠措施时，可以适当加大伸缩缝间距。伸缩缱 从基础以上设置。若为抗震结构，伸缩缝的宽度不小于防震缝的宽度。 2.11.3 沉降缝 许多高层建筑由主体结构和层数不多的裙房组成， 裙房和主体结构的高度及重量相差悬 殊，可采用沉降缝将裙房和主体结构从顶层到基础全部断开，使各部分自由沉降，避免由沉 降差引起裂缝或破坏。抗震设防的结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽度的要求

26、 2.12 基础形式及埋置深度 高层建筑的基础必须具有足够的刚度和稳定性，能对上部结构构成可靠的嵌固作用， 避免由于基础沉降和转动使上部结构受力复杂化， 防止在巨大的水平力作用下建筑物发生倾 覆和滑移。 因此，高层建筑应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调 节不均匀沉降的基础形式。 一般宜采用整体性好和刚度大的筏形基础， 必要时可采用箱形基 础。当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形要求时，也可采用交叉梁或其他 形式基础。当地基承载力或变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。国内在高层 建筑中采用复合地基已有比较成熟的经验， 可根据需要将地基承载力提高到300500kPa， 能 满足一般高层建筑的需要。 高层建筑的基础应有一定的埋置深度，埋置深度可从室外地坪算至基础底面。在确定 埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。当采用天然地 基或复合地基时，埋置深度可取房屋高度的1/15；当采用桩基础时，埋置深度可取房屋高度 的1/18（桩长不计在内）；当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、 稳定性及基础底面与地基之间零应力区面积不超过限值的前提下， 基础埋置深度可不受上述 条件的限制。当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。 高层建筑基础的混凝土强度等级不宜低于 C30。