高层建筑结构混凝土结构设计

高层建筑结构混凝土结构设计1140011班杨林7113301105一、概述按组成高层建筑结构的材料来划分，可将高层建筑分为钢结构、混凝土结构、钢-混凝土混合结构3种类型。钢结构具有自重轻、强度高、延性好、施工快等特点，但用钢量大、造价高、防火性能较差。混凝土结构整体性好、刚度大、变形小；阻尼比高，舒适性佳；且混凝土结构耐腐蚀、耐火、维护方便、造价低，但混凝土结构的自重较大。钢-混凝土结构综合了两者的优点，克服了两者的缺点，是超高层建筑中一种较好的结构形式。二、高层建筑的结构方案1.高层建筑结构内力及变形特点高层建筑结构是高次超静定结构，虽然结构内力及变形计算十分复杂，但其特点与简单的竖向悬臂构件是相同的。N=wH；M=qmaxH2/3；V=qmaxH/2；u=11qmaxH4/（120EI）；2.高层建筑的结构体系目前，高层建筑常用的结构体系有：框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体等结构体系。（1）框架结构框架结构是指由立柱和横梁在节点刚接组成的结构，在框架结构中，由于框架柱的抗侧移刚度较小，因此主要用在层数不多、水平荷载较小的情况。框架结构中的墙体属于填充墙，一般采用轻质材料填充，起保温、隔热、分隔室内空间等作用。因而它的平面布置灵活，可提供较大的室内空间。（2）剪力墙结构剪力墙结构是指底部与基础嵌固的纵、横向钢筋混凝土墙体组成的结构。由于剪力墙的抗侧移刚度较大，可承受很大的水平荷载，所以当高层房屋的层数较多、水平荷载较大时，可考虑采用剪力墙结构。剪力墙的结构受力墙体多，难以布置面积较大的房间。但是可以通过附建低层裙房加以解决，或者设立转换层来解决。（3）框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构是指在框架结构的适当部位设置剪力墙的结构。他综合了框架结构和剪力墙结构的优点，既具有较大的抗水平力能力，又可提供较大空间和较灵活的平面布置。（4）筒体结构由一个或多个筒体所形成的结构称为筒体结构。仅就筒体而言，一般有两种形式：一种为剪力墙内筒，由电梯间、楼梯间及设备管井等组成，水平截面为箱型，底端嵌固于基础顶面、顶端自由，呈竖向放置的薄壁悬臂梁；另一种为框筒，由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗裙梁所组成的多孔筒体。筒体结构与框架或剪力墙结构相比，具有更大的抗侧移刚度。除了上述结构体系外，其他高层建筑结构体系有：框架-核心筒-伸臂结构、巨型框架结构以及悬挂结构体系等。3.高层建筑结构的结构布置（1）结构平面布置结构平面布置主要包括结构平面形状的确定和结构侧向刚度及竖向承载能力的布置。结构的平面形状是指一个独立结构单元的平面形状。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、对称，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的结构平面布置，否则质量中心和刚度中心会产生较大的偏离，出现较大的扭转效应，导致结构位移及内力增大。（2）结构竖向布置结构竖向布置是否合理很大程度上取决于建筑物的竖向体型。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。在地震区，高层建筑的竖向体型宜采用矩形、梯形、金字塔形等均匀变化的几何形状。其中，梯形、金字塔形的质量随高度逐渐减小，重心偏低，倾覆力矩小，对抗震非常有利。当某楼层侧向刚度小于上层时，《高规》规定：其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。此外，层间抗侧力结购的受剪承载力，下部楼层宜大于上部楼层，当某楼层层间抗侧力构件的受剪承载力Vu，I小于上层抗侧力结构的受剪承载力Vi+1时，A级高度不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度不应小于其上一层受剪承载力的75%。4.高层房屋的变形缝伸缩缝的主要作用是防止建筑物在温度变化过程中产生的温度应力导致结构及非结构的构件开裂或破损。沉降缝的主要作用是当建筑物相邻部位层数或荷载相差悬殊或地基土层压缩性变化过大，从而造成较大差异沉降时，将结构划分为独立单元。高层建筑沉降缝的基本要求是相邻单元可以自由沉降，并应考虑由于基础转动产生顶点位移的影响。防震缝的主要作用是当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，将其划分为较简单的几个结构单元。注意：需要抗震设防的建筑，当必须设缝时，其伸缩缝，沉降缝均应符合防震缝宽度的要求。三、高层建筑的荷载和地震作用高层建筑主要承受竖向荷载，风荷载和地震作用。在高层建筑结构设计的荷载汇集阶段，通常按荷载的标准值进行荷载汇集，以便求出构件内力。1.竖向荷载竖向荷载可分为恒荷载（永久荷载）和活荷载（可变荷载）。恒荷载标准值可由各构件的截面尺寸、长度、装饰材料情况，根据《建筑结构荷载规范》规定的各种材料自重标准值进行计算。活荷载标准值应按《荷载规范》中的规定采用。当梁、柱或墙承受的楼面面积较大或柱、墙承担的楼层较多时，应对活荷载标准值进行折减。折减系数查表。在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，而是对计算出的内力进行折减。在计算高层建筑活荷载引起的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。因为在高层建筑中楼面活荷载标准值一般为2~3KN/m2，而高层建筑全部竖向荷载标准值一般为12~16KN/m2，所以楼面活荷的最不利分布对内力产生的影响较小。为简化计算，可按活荷载满布进行计算，然后对梁跨中弯矩乘以放大系数，可取1.1~1.3，活荷载大时可选用较大数值。2.风荷载（1）总体风荷载垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算wk=βzμsμzWo（2）局部风荷载风压在建筑物表面是不均匀的，在计算局部构件时，应考虑风荷载的局部效应。对于檐口、雨篷、遮阳板、阳台等水平构件，计算局部上浮风荷载时，用增大风荷载体型系数的方法考虑局部效应，此时Us不宜小于2.0.3.地震作用（1）抗震设防目标（三水准，两阶段）目前，建筑结构采用三个水准进行抗震设防，第一水准，即多遇地震（小震），约50年一遇；第二水准，即设防烈度地震（中震），约475年一遇；第三水准，即罕遇地震（大震），约为2000年一遇的强烈地震。抗震设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。小震烈度比设防烈度约低1.55度，大震烈度比设防烈度约高1度。为实现三水准抗震设防目标，应按以下两个阶段进行抗震设计：第一阶段设计：对于高层建筑结构，首先应满足第一、二水准的抗震要求。为此，应按多遇地震的地震动参数计算地震作用，进行构件截面承载力计算和结构位移控制，并采取相应构造措施保证结构的延性，使之具有与第二水准相应的变形能力，从而实现“小震不坏”和“中震可修”的设防目标。这一阶段设计对于所有抗震设计的高层建筑结构都必须进行。第二阶段设计：对地震时抗震能力较低、特别不规则（有薄弱层）的高层建筑结构以及抗震要求较高的建筑结构（如甲类建筑），要进行易损部位（薄弱层）的塑性变形验算，并采取措施提高薄弱层的承载力或增加变形能力，从而实现“大震不倒”的设防目标。这一阶段设计主要是对甲类建筑和特别不规则的结构进行的。（2）地震作用计算原则①一般情况下，可在结构两个主轴方向分别计算单向水平地震作用；对有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。②质量与刚度分布明显不对称，不均匀的结构，应计算双向水平地震作用。③8度、9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应计算竖向地震作用。④9度抗震设计时应计算竖向地震作用。⑤计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。对于平面布置不规则的结构，除其自身已有的偏心外，还要加上偶然偏心。计算双向水平地震作用时，可不考虑偶然偏心，但应考虑自身已有的偏心影响。（3）水平地震作用的计算水平地震作用的计算方法有3种，即底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法。底部剪力法，即利用反应谱理论确定结构最大加速度值，乘以结构的总质量，则得到结构所承受的总水平地震作用（即结构底部总剪力），然后按每一楼层的高度和重量，将总的水平地震作用分配到各楼层处。但是其只适用于高度不超过40m，以剪切变形为主且质量、刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构。振型分解反应谱法，即将多质点体系的振动分解成各个振型的组合，而每个振型又是一个广义的单自由度体系，利用反应谱便可求出每一振型的地震作用，经过内力分析，计算出每一振型相应的结构内力，按照一定的方法进行相应的内力组合。时程分析法，即根据结构振动的动力方程，选择适当的强震记录作为地震地面运动，然后按照所设计的建筑结构，确定结构振动的计算模型和结构恢复力模型，利用数值解法求解动力方程。该方法可以直接计算出地面运动过程中结构的各种地震反映（位移、速度、加速度）的变化过程，并且能够描述强震作用下，整个结构反应的全过程，由此可得出结构抗震过程中的薄弱部位，以便修正结构的抗震设计。底部剪力法：进行水平地震作用计算时，可将各楼层的质量集中于楼板处，看作一个集中质点，结构的水平地震作用标准值可按下列公式确定FEK为结构总水平地震作用标准值；α1为相应于结构基本自振周期T1的水平地震影响系数；Geq为结构等效总重力荷载代表值；Fi为质点i的水平地震作用标准值；Hi，Hj分别为质点i，j的计算高度；Gi，Gj分别为质点i，j的重力荷载代表值；δn为顶部附加水平地震作用系数；ΔFn为顶部附加水平地震作用标准值。