设计高层建筑结构

第五章高层建筑结构同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林一、概述1.高层建筑的定义多层与高层建筑的界限各国定义不一。我国曾将8层以上的民用建筑或高度超过22m的工业建筑定义为高层建筑《高层建筑混凝土结构技术规程》将10层和10层以上的民用建筑定义为高层建筑。这是由是否设电梯、建筑物的防火等级以及传统历史的影响所确定的。一、概述2.高层建筑的分类*钢结构高层建筑：自重轻、强度高、延性好、施工快，但用钢量大、造价高、防火性能较差按结构材料分*混凝土结构高层建筑：造价低、耐火性能好、结构刚度大，但自重较大*钢-混凝土组合结构：兼有两者的优点，克服了两者的缺点。一、概述2.高层建筑的分类按结构材料分结构形式钢结构混凝土结构钢-混凝土混合结构世界最高的15幢房屋762中国最高的15幢房屋-(1)8(4)7(10)1998年的统计结果,括号内的数据为2009年的统计结果一、概述2.高层建筑的分类按结构承重体系*框架结构*剪力墙结构*框架-剪力墙结构*筒体结构*巨型框架结构*悬挂结构二、高层建筑结构体系1.框架结构*在地震设防区层数相应减少*常用于综合办公楼、旅馆、医院、学校、商店等建筑*在非地震区可做到15层，最高可做到20层组成和适用范围框架立柱连系梁楼板框架横梁框架横梁框架立柱楼板连系梁框架横梁*由梁和柱组成的空间结构体系二、高层建筑结构体系1.框架结构变形特征*在水平荷载作用下，表现出刚度小、水平侧移大的特点，水平侧移呈剪切型。剪切型*例如，在地震设防烈度为8度，IV类场地的情况下，框架结构一般只能做到5~6层二、高层建筑结构体系2.剪力墙结构组成36003600360029003600360036001500280029004200120042004200150071001500360036001570上下下上*利用房屋墙体作为竖向承重和抗侧力结构的体系称为剪力墙结构*剪力墙上可开洞口，洞口越大，越接近于框架二、高层建筑结构体系2.剪力墙结构变形特征和应用范围弯曲型洞口*水平荷载作用下，剪力墙似一悬臂薄片，比框架具有更大的抗侧刚度，且在水平荷载下的侧移呈弯曲型*剪力墙结构可用于较高的房屋中（100m以上）36003600360029003600360036001500280029004200120042004200150071001500360036001570上下下上*剪力墙可用来分隔房间，楼板的跨度即为剪力墙的间距，一般为3~8m，适合于有小房间的住宅、旅馆等高层建筑二、高层建筑结构体系2.剪力墙结构框支剪力墙9×5400=486003×4800=14400楼电梯间框支剪力墙落地剪力墙二、高层建筑结构体系3.框架-剪力墙结构组成5200680052006×7500＝4500075007500520043505505200680052005504350框架剪力墙17×4650＝7905049507500750049507500剪力墙框架*由框架和剪力墙共同承受竖向和水平荷载的结构体系称为框架-剪力墙结构体系。在整个结构体系中，剪力墙负担决大部分的水平荷载，框架以负担竖向荷载为主，分工合理，物尽其用二、高层建筑结构体系3.框架-剪力墙结构变形特征和应用范围剪切型弯曲型弯剪型HHH*水平荷载作用下，框架和剪力墙协调工作，使房屋各层变形趋于均匀，在水平荷载下的侧移呈弯剪型*剪力墙克服了框架抗侧刚度低的缺点，框架弥补了剪力墙结构布置不灵活的不足。因此，普遍应用于宾馆和办公楼等公用建筑中。5200680052006×7500＝4500075007500520043505505200680052005504350框架剪力墙*框架-剪力墙结构体系一般用于25层以下为宜，最高不超过35层。但若布置合理，也可更高。二、高层建筑结构体系4.筒体结构电梯间窗孔窗裙梁立柱H组成和变形特征*将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体，以此来承受房屋大部分或全部竖向荷载和水平荷载所组成的结构体系称为筒体结构体系*分实腹筒体和空腹筒体两类*变形呈弯剪型电梯间窗孔窗裙梁立柱H二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-筒体结构将框架-剪力墙结构中的剪力墙相对集中组成封闭的筒体，竖向荷载主要由框架和筒体共同承担，水平荷载主要由筒体承担——框架-筒体结构3200850075007500750014050105009000900090006×8300＝498006×8300＝49800框架-筒体结构的受力性能类似于框架-剪力墙结构，水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型，但前者的刚度远大于后者。框架-筒体结构常用于50层左右的高层建筑中，最高可建到100层二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-筒体结构框架-筒体结构有框架-实腹筒体结构和框架-空腹筒体结构两种形式。实腹筒一般位于框架之内——框架-核心筒结构将空腹筒布置在房屋的外围，框架布置在房屋的中部形成的框架-筒体结构二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-实腹筒体结构34200二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-实腹筒体结构二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-实腹筒体结构453.00609.70483.006502.46502.430000400001000100008000100001000800012500115008000东二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-空腹筒体结构框架空腹筒体由于空腹筒体的密排立柱之间的距离较小，建筑底部如何设大的入口？二、高层建筑结构体系4.筒体结构框架-空腹筒体结构二、高层建筑结构体系4.筒体结构筒中筒结构*将实腹筒体置于建筑物的内部，空腹筒体作为建筑物的外框，利用楼板将二者连为一体，共同承受竖向荷载和水平荷载的结构承重体系——筒中筒结构*筒中筒结构水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型，但抗侧刚度大于框架-筒体结构。*筒体具有很大的抗侧能力和抗扭能力，筒中筒结构广泛应用于65层左右的公用建筑中。270.000176.40034.6004.100301.100372.000270.000176.40034.6004.100301.100372.000建筑底部设大开口的方法同框架-剪力墙结构二、高层建筑结构体系4.筒体结构筒中筒结构346004200420017300445044503500420034600420035501910018×3000＝5400034000430006100610022000440044007500750075002250013×3900＝507006×3900＝234004570013400300048800488003020二、高层建筑结构体系4.筒体结构组合筒体结构*将几个筒体组合成一个整体，共同承担竖向和水平荷载的结构承重体系——组合筒体结构*常用于75层左右的高层建筑中二、高层建筑结构体系4.筒体结构其他筒体结构二、高层建筑结构体系4.筒体结构其他筒体结构425055004250140006×2900180018001400016500三、结构布置的原则1.选择合理的结构体系竖向承重结构体系根据房屋的用途、各种结构体系的特点和适用范围进行选择：*框架结构*剪力墙结构*框架-剪力墙结构*筒体结构三、结构布置的原则1.选择合理的结构体系楼板结构体系*平板结构体系：单向板和双向板常用于剪力墙结构和筒体结构；板柱结构体系可采用无梁楼盖。一般非预应力板的跨度不宜超过6m，预应力平板的跨度不超过9m。*密肋楼盖：密肋楼盖多用于跨度较大而梁高受到限制的情况，筒体结构角区部也常用密肋楼盖。现浇混凝土密肋楼盖的跨度不宜超过9m，预应力混凝土密肋楼盖的跨度不超过12m。三、结构布置的原则1.选择合理的结构体系楼板结构体系*肋梁楼盖：是高层建筑中应用最为广泛的楼盖形式。当楼盖的高度受到限制时，可以考虑采用扁宽梁。*在下列情况下应考虑采用现浇楼盖：1）建筑物高度超过50m；2）抗震设防烈度为9度时；3）屋面；4）平面十分复杂，楼面不规则，有较多洞口；5）上下层刚度变化较大时，如底层大空间结构的过渡层楼板。三、结构布置的原则2.结构平面布置*平面宜选风压较小的形状，并应考虑邻近高层建筑对其风压的影响。一般地，圆形或椭圆形平面可比矩形平面减少风荷20%~40%。平面形状*平面应尽量规整、均匀对称，使得结构单元的总体刚度中心与单元的几何中心（风载作用位置）、质心（地震作用位置）相重合三、结构布置的原则2.结构平面布置平面尺寸*平面总长度L不宜过长，避免两端振动不一致而使建筑破坏。LbLbbLLbbLlLLBmaxBmaxlbL,B,Bmaxl'BlBmaxB'(Bmax)BmaxllBmaxlBmaxBlBb'Ba)b)c)d)e)f)g)h)i)*各种平面对相关尺寸的要求：L/B、L/Bmax、l/b、l’/b见教材表5-3三、结构布置的原则3.结构竖向布置*高层建筑的高宽比不宜过大，应满足教材表5-4的要求。如不能满足表5-4所示的要求或房屋的高度超过150m，则要对房屋进行抗倾覆和整体稳定性验算。*沿竖向结构的刚度和强度宜均匀、连续、不突然变化三、结构布置的原则4.抗震缝、沉降缝和伸缩缝的布置当结构不同部位荷载差异较大地基土压缩性有显著差异沉降缝当平面形状复杂、高度方向有高差、质量分布不均匀抗震缝（教材表5-5）当房屋过长或过宽时伸缩缝（教材表5-6）四、荷载与作用1.竖向荷载一般竖向荷载*竖向荷载包括：结构自重、使用活载（一般以楼面等效均布荷载的形式表达）、雪荷载、屋面积灰荷载和检修荷载等。*计算竖向荷载下的结构内力时，一般可不考虑活荷载的不利布置，按满布计算。活荷载较大时，可把按满布荷载计算的梁跨中弯矩乘以1.1~1.2的放大系数。按《建筑结构荷载规范》计算，规范中未规定的楼面活荷载可按教材表5-7采用四、荷载与作用1.竖向荷载当建筑顶部设置直升飞机停机坪时，直升飞机的荷载可按下式计算：直升飞机荷载kGP对具有液压轮胎起落架的直升飞机，动力系数可取1.4直升飞机的重量,小型直升飞机的重量约为15kN~20kN直升飞机的荷载，分布在轮子的作用范围内，一般按2m2m四、荷载与作用1.竖向荷载当没有机型技术资料时，局部荷载标准值可按下表计算：直升飞机荷载直升飞机类型局部荷载标准值（kN）作用面积（m2）轻型20.00.20×0.20中型40.00.25×0.25重型60.00.30×0.30四、荷载与作用1.竖向荷载按上述局部荷载算出的平台的内力不能小于按等效均布荷载5kN/m2求出的平台内力直升飞机荷载四、荷载与作用2.水平荷载风荷载的计算方法在第三章“单层厂房排架结构”中已作过介绍，但是高层建筑风荷载的计算还有下列一些特点：风荷载*基本风压w0应根据《建筑结构荷载规范》（GB50009）”全国基本风压分布图”中的数值采用，对于特别重要和有特殊要求的高层建筑可乘以1.1;*高层建筑的体形和平面尺寸变化较多，一般情况体形系数按《高层建筑混凝土结构技术规程》选用，当房屋的高度大于200m时应进行风洞试验以确定其风荷载。四、荷载与作用2.水平荷载风荷载*高度大于30m且高宽比大于1.5的高层建筑要考虑风振系数zzizHH1脉动增大系数，按表5-8确定脉动影响系数，0.48~0.63风压高度变化系数，按表5-9确定第i层标高建筑物总高度*应考虑相邻建筑间的狭缝效应的影响,具体参见《高层建筑混凝土结构技术规程》四、荷载与作用3.荷载效应组合所考虑的荷载和作用种类设计要求竖向荷载风荷载水平地震作用竖向地震作用非抗震设计抗震设计6～8度9度或水平长悬臂8度、9度只有当建筑物高度超过60m时，才同时考虑风与地震产生的效应。四、荷载与作用3.荷载效应组合非抗震设计时k永久荷载分项系数：可变荷载控制时，取为1.2；永久荷载控制时，取为1.35；其效应对结构有利时，取为1.0可变荷载分项系数，一般取为1.4组合系数：永久荷载控制时，取为0.7和0.0；可变荷载控制时，取为1.0和0.6或0.7和1