高层建筑结构设计第二章.

高层建筑结构设计第二章结构体系1.高层建筑结构体系：高层建筑结构体系是指承担由自重和活载产生竖向荷载、抵抗由风产生荷载及由地震产生的水平（及竖向）作用的骨架。2.高层建筑结构体系：框架结构体系框架-剪力墙结构体系框架-支撑结构体系剪力墙结构体系筒体结构体系巨型结构体系第二章结构体系2.1框架结构1.框架结构：全部竖向荷载和水平荷载由框架承担的结构体系，称框架结构。2.框架结构梁、柱材料：钢、钢筋混凝土和型钢混凝土、钢管混凝土。3.框架结构柱距：小柱距4-6m，大柱距7-10m。高层建筑结构设计第二章结构体系高层建筑结构设计第二章结构体系横向主梁柱纵向连系梁4.框架结构特点：（1）框架结构的建筑平面布置灵活，可以用隔断墙分隔空间，以适应不同的使用功能的需求。（2）通过合理设计，无论是钢筋混凝土结构还是钢筋混凝土结构，都可以成为耗能能力大、变形能力大的延性框架。第二章结构体系北京长城饭店标准层平面图长富宫标准层平面图4.框架结构特点：（3）框架结构在自身内抵抗水平力，必须在正交的主轴方向设置框架，以抵抗各方向水平力。高层建筑结构设计第二章结构体系框架结构柱网布置举例4.框架结构特点：（4）框架结构可横向承重，或纵向承重，或者纵横双向承重。（5）沿建筑高度，柱网尺寸和梁截面一般不变，柱网布置尽量对称，减小偏心扭转。高层建筑结构设计第二章结构体系框架结构承重方案高层建筑结构设计第二章结构体系5.框架结构在水平荷载作用下受力特点：框架结构在水平变形由两部分组成：（1）梁、柱的弯曲变形产生的侧移1～呈剪切型（自下而上层间位移减小）。（2）柱的轴向变形产生的侧移2～呈弯曲型（自下而上层间位移增大）。（3）框架在侧向荷载作用下的侧移1+2～呈剪切型为主。图框架在侧向力作用下的侧移曲线6.框架结构设计注意问题：（1）梁、柱都是线型构件，截面惯性矩小，框架结构的侧向刚度相对较小，框架结构不宜用于高的房屋建筑。（2）框架结构的非承重墙宜采用轻质材料，减轻对结构抗震的不利影响。（3）不应采用部分由框架承重、部分由砌体墙承重的混合承重形式；框架结构中的楼、电梯间及局部出房屋的电梯机房、楼梯间、水箱等，应采用框架承重，不应采用砌体承重。（4）钢筋混凝土框架宜采用现浇楼梯，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响；并对楼梯构件进行抗震承载力验算，避免楼梯首先破坏，在建筑平面图布置应尽可能减少对结构造成的偏心。高层建筑结构设计第二章结构体系2.2剪力墙结构1.剪力墙结构：用钢筋混凝土剪力墙结构承受竖向荷载和水平荷载的结构。2.优点：剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，承载力高，弹塑性变形能力大，具有良好的抗震性能。3.缺点：剪力墙结构中剪力墙的间距小（一般为3～8m），平面布置不灵活、建筑空间受到限制。高层建筑结构设计第二章结构体系4.在水平荷载作用下，剪力墙结构的水平位移曲线呈弯曲型，即层间位移由下至上逐渐增大。高层建筑结构设计第二章结构体系剪力墙结构的平面布置举例剪力墙的侧移曲线5.剪力墙布置、设计要点：（1）剪力墙应在结构平面的主轴方向双向布置，分别抵抗各自方向水平力，剪力墙两端尽可能与另一个方向的墙连接，成为有翼缘的墙，并力求两个方向的侧向刚度接近。（2）剪力墙宜贯通房屋全高，沿高度连续布置，避免刚度突变。（3）剪力墙开洞，洞口宜上下对称，成列布置，形成具有规则洞口的联肢剪力墙，不免出现洞口不规则布置的错洞墙。高层建筑结构设计第二章结构体系5.剪力墙布置、设计要点：（1）剪力墙应在结构平面的主轴方向双向布置，分别抵抗各自方向水平力，剪力墙两端尽可能与另一个方向的墙连接，成为有翼缘的墙，并力求两个方向的侧向刚度接近。（2）剪力墙宜贯通房屋全高，沿高度连续布置，避免刚度突变。（3）剪力墙开洞，洞口宜上下对称，成列布置，形成具有规则洞口的联肢剪力墙，不免出现洞口不规则布置的错洞墙。高层建筑结构设计第二章结构体系高层建筑结构设计第二章结构体系规则洞口的联肢剪力墙不规则的错洞墙（4）当墙肢长度很长、其高宽比不大于3时，可以在墙上开设洞口，洞口上设置剪跨比、受弯承载力小的连梁，将长墙分成较短的墙段。（5）在楼、电梯间，两个方向的墙相互连接成井筒，以增大结构的抗扭能力。（6）地震区不允许采用底层或底部若干层全部为框架的框支剪力墙结构，可以采用部分落地剪力墙、部分剪力墙由转换层及以下框架支撑的部分框支剪力墙结构。高层建筑结构设计第二章结构体系框支剪力墙结构：将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，这种结构亦称为带转换层高层建筑结构。破坏特点：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。高层建筑结构设计第二章结构体系框支剪力墙结构短肢剪力墙结构：是指墙截面厚度不大于300mm、一道联肢剪力墙的各墙肢截面长度与厚度之比的最大值大于4不大于8的剪力墙。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。高层建筑结构设计第二章结构体系2.3框架-剪力墙结构1.框架-剪力墙结构：框架和剪力墙共同承受竖向荷载和水平荷载的结构。高层建筑结构设计第二章结构体系剪力墙剪力墙框架梁框架梁框架梁剪力墙剪力墙2.受力特征：框架-剪力墙结构是双重抗侧力体系；剪力墙刚度大，承担大部分的地震力；框架结构刚度小，承担小部分地震层剪力。3.变形特征：在水平荷载作用下，框架和剪力墙的侧向变形分别属剪切型和弯曲型；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，其侧向变形属于弯剪型。高层建筑结构设计第二章结构体系4.优点:既有框架布置灵活、延性好的特点，也有剪力墙结构刚度大、承载力大的特点，是一种比较好的抗测力体系。5.框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置：（1）剪力墙的数量：不宜过多，以满足位移限值为宜。（2）剪力墙的布置：①抗震设计时，宜使结构各主轴方向侧向刚度接近；②对称布置，减小在水平力作用下结构的扭转；③应贯通全高，上下刚度连贯而均匀。④周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及竖向荷载较大的部位均匀布置。高层建筑结构设计第二章结构体系⑤平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；⑥两个方向剪力墙尽可能组成L形、T形、工形和井筒等形式，使一个方向墙成为另一个方向墙的翼墙。⑦剪力墙间距不宜过大；⑧房屋较长时，刚度较大的纵向剪力墙不宜布置在房屋的端开间，以避免端部剪力墙的约束作用造成楼盖板开裂。高层建筑结构设计第二章结构体系2.4框架-支撑结构框架-支撑结构：在部分框架柱之间设置竖向支撑，增加侧向刚度。高层建筑结构设计第二章结构体系2.5筒体结构1.筒体结构：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。高层建筑结构设计第二章结构体系筒体结构平面图筒体结构基本形式2.分类：实腹筒、框筒和桁架筒。（1）实腹筒：钢筋混凝土剪力墙围成的筒体。（2）框筒：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；（3）桁架筒：将筒体的四壁做成桁架，就形成桁架筒。第二章结构体系筒体结构基本形式3受力变形特点：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。注：（1）空间性能：一方向受力，两方向上构件共同受力。（2）剪力滞后现象：对于框筒结构，在翼缘框架中各柱轴力分布不均匀，角柱的轴力大于平均值，中部柱的轴力小于平均值；腹板框架柱的轴力也不是线性分布。第二章结构体系第二章结构体系实际应力分布翼缘框架腹板框架腹板框架翼缘框架荷载作用方向材料力学解答实际应力分布材料力学解答角柱处应力较大中部应力较小（3）产生剪力滞后现象的原因：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。（4）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。（5）如何减少剪力滞后：①要求设计密柱深梁；②建筑平面应接近方形；③结构高宽比宜大于3，高度不小于60m；④楼板的整体性好。4、优缺点：筒体结构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。第二章结构体系高层建筑结构设计5.框筒结构框筒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。这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。第二章结构体系高层建筑结构设计框筒结构6.桁架筒筒体四壁由稀柱、浅梁和巨型支撑组成的桁架组成则称为桁架筒。第二章结构体系高层建筑结构设计桁架筒结构7.筒中筒结构用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内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。第二章结构体系高层建筑结构设计筒中筒结构8.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。第二章结构体系高层建筑结构设计成束筒结构第二章结构体系高层建筑结构设计芝加哥西尔斯大赛2.6框架-核心筒1.框架-核心筒：核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。2.受力变形特点：核心筒刚度和承载力大，为抗侧力的主体，框架承受水平剪力较小。第二章结构体系高层建筑结构设计框架-核心筒结构3.与筒中筒结构的区别：（1）筒中筒结构具有良好的空间性能；框架-核心筒结的周边框架为平面结构。（2）框架一核心筒结构的抗侧刚度远小于筒中筒结构。（3）筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主；框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分。4.带加强层的高层建筑结构体系（1）定义：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。第二章结构体系高层建筑结构设计（2）受力变形特点：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。①外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力，故增大了整个结构抗力偶矩的等效力臂Ｌ；②设置加强层相当于在结构上施加了反力矩，它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。（a）无加强层；（b）设置一个加强层；（c）设置两个加强层框架—核心筒结构体系中内筒承担的弯矩2.7巨型结构1.类型：巨型框架结构、巨型空间桁架结构、巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构。2.巨型框架：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。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（只承受竖向荷载），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。第二章结构体系高层建筑结构设计3.0巨型空间桁架结构：整幢结构用巨柱、巨梁和巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架，相邻立面的支撑交汇在角柱，形成巨型空间桁架结构。4.0巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构第二章结构体系上海环球金融中心高层建筑结构设计2.8带转化层高层建筑结构第二章结构体系高层建筑结构设计转换层结构：完成上部楼层到下部楼层的结构型式转变或上部楼层到下部楼层结构布置改变而设置的结构构件，包括转换梁、转换桁架、转换板等。结构特点：构造复杂、传力不直接、结构竖向刚度变化很大，易形成结构薄弱层。转换层的建筑功能：提供大的室内空间；为建筑提供大的入口。转换层转换层转换结构形式转换轴线布置2.9房屋建筑高度适用的最大高度和适用的高宽比1.最大适用高度第二章结构体系抗震设计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1601501301007