高层第2章

2020/2/81第2章高层建筑结构受力特点和结构概念设计2.1高层建筑结构上的荷载与作用2.2高层建筑结构的受力特点和工作特点2.3高层建筑的结构体系和结构布置2.4高层建筑结构的概念设计2020/2/822.1高层建筑结构上的荷载与作用2.1.1竖向荷载一、恒荷载：结构自重、附加永久荷载隔墙、装饰、设备管道等（规范附录A）二、活荷载荷载规范：GB50009—2001多层：应考虑活荷载不利分布高层：不考虑，活荷载相对小，水平荷载引起内力大经验值：单位面积竖向荷载重量框架、框架—剪力墙结构体系：12-14kN/m2剪力墙、筒体结构体系：14-16kN/m232.1.2风荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物的风荷载。2020/2/84风荷载（风场）2020/2/85风荷载（风场）2020/2/86风荷载（风的破坏力）“森拉克”肆虐浙闽防波堤被冲垮百米[2003七月2812:43]由于16号“森拉克”台风的袭击，投资1.2亿元、总长达1837米的玉环县坎门渔港防波堤遭受严重的损坏。渔港西堤被巨浪冲垮2个缺口，造成防波堤砌面下滑，总长达100多米。险情发生后，当地政府组织公安、边防、民兵应急分队和群众及时进行抢修，力争将损失降低到最低限度。2020/2/87风荷载（风的破坏力）2020/2/88风荷载（风的破坏力）2020/2/89风荷载（风的破坏力）2020/2/810风荷载（风的破坏力）广州大道南一栋五层厂房近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂，100多名工人侥幸逃过大难2020/2/811—高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力或吸力，这种风力作用叫风荷载。风的大小与（1）近地风的性质、风速、风向有关（2）建筑物所在地的地藐及周围环境（3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关风荷载特点2020/2/812风荷载特点风对高层建筑结构有如下的特点风力作用与建筑物外形有直接关系，圆形与正方形受到的风力较合理风力受到建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会出现受力更为不利的情况风力作用具有静力、动力两重性质。2020/2/813风荷载特点风力在建筑物表面的分布很不均匀，在角区和建筑物内收的局部区域，会产生较大的风力。与地震作用相比，风力作用持续时间较长，其作用更接近于静力，但建筑物的使用期限出现较大风力的次数较多。由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，所以风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠。而且抗风设计具有较大的可靠性。14风荷载计算定义：空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物的风荷载。计算公式：式中：为风荷载标准值；为高度处的风振系数；为风荷载体型系数；为风压高度变化系数；为基本风压。0zszkkzzsz0151基本风压计算公式：规定：荷载规范给出的值适用于多层建筑；对于一般高层建筑和特别重要的或有特殊要求的高层建筑可按《全国基本风压分布图》中的数值分别乘以1.1和1.2采用。1600/20000基本风压空旷平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大风速计算。0200210：空气密度162风压高度变化系数z风压高度变化系数风压高度变化系数应该根据地面粗糙度类别确定地面粗糙度分类：A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类：有密集建筑群的城市市区D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区17A类指近海面、海岛、海岸、湖岸以及沙漠B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类指密集建筑裙的城市市区D类指有密集建筑物裙且房屋较高的城市市中心ABCD18风压高度变化系数z193风载体型系数定义：风载体型系数是指实际风压与基本风压的比值。风压分布图一般多高层建筑结构风载体型系数s2021典型风荷载体型系数举例22典型风荷载体型系数举例234风振系数平均风压和波动风压计算公式：zizHH124式中：振型系数可由结构动力计算确定，计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响；对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点距室外地面高度Z与房屋高度H的比值；也可查表zzz1z25式中：振型系数ξ为动力系数，脉动增大系数按下表取用；υ为脉动影响系数，A类地貌取0.48，B类地貌0.53，C类地貌0.63；μz为风压高度变化系数。zzz1z262020/2/827结构基本自振周期结构基本自振周期的经验公式方法一：钢筋混凝土框架和框剪结构：钢筋混凝土剪力墙结构：H——房屋总高度(m)B——房屋宽度(m)方法二：框架结构：T1＝（0.08～0.1）N框架－剪力墙结构：T1＝（0.06～0.08）N剪力墙结构及筒中筒：T1＝0.05NN——房屋层数32311053.025.0BHT3103.003.0BHT2020/2/828090:风力的分量，注意区别风力为压力或吸力)coscos(1110nnSnSZZBB总风荷载各个表面承受风力的合力，沿高度变化的分布荷载windμs=+0.8μs=-0.6B4α4=900μs=-0.6α2=900B1α1=0B3B22930例题1某10层现浇框架剪力墙结构高层办公楼，其平面及剖面如图所示。当地基本风压为0.7kN/m2，地貌粗糙度为A类，求在图示风向作用下，建筑物各楼层的风力标准值。31各楼层风振系数值的计算结果32各楼层风力计算结果2020/2/8332.2高层建筑结构的受力特点和工作特点1、水平荷载成为决定因素说明：(1)、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的轴力与H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考虑竖向地震作用外），水平荷载（风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。M△均布荷载倒三角荷载22qH48qHEI2max3qH4max11120qHEI轴力N=f(H)弯矩M=f(H2)变形（侧移）△＝f(H4)公式水平荷载2020/2/8342、竖向构件的轴向变形不容忽视(1)、对连续梁弯矩的影响中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差异(2)、对预制构件下料长度影响美国休斯顿75层汉克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合体系。根据计算，中心钢柱由于受荷面积大，重力荷载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多260mm，总下料多260mm，并且要逐层调整高层建筑的特点2020/2/8352、竖向构件的轴向变形不容忽视(3)、对构件剪力和侧移的影响一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，在高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不考虑结果相差30％以上，结构顶点侧移减小一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大）高层建筑的特点2020/2/8363、侧移成为主要控制指标之一结构侧移已经成为高层结构设计中的关键，侧移△＝f(H4)要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作用下产生的侧移.《高规》P304.6.3条规定限值（钢筋混凝土结构）层间位移楼层层间最大位移与层高之比的限值△U/h：结构类型△U/h限值框架1/550框架—剪力墙、框架—核心筒、板柱—剪力墙1/800筒中筒1/1000框支层1/1000高层建筑的特点2020/2/837说明：过大的侧移使人有一种不安全感、不舒适感过大的侧移会使隔墙、围护结构以及装修损坏，使电梯轨道变形高楼重心位置较高，过大侧移使结构因P－△效应而产生较大的附加应力，甚至导致恶性循环直至倒塌。高层建筑的特点2020/2/838高层建筑的特点4、结构延性是重要设计指标与较低层建筑相比，高层建筑较柔，地震作用下变形较大，为使结构在进入塑性变形阶段后仍然具有较强的变形能力，避免倒塌，需要在构件上采取恰当的措施，保证结构具有足够的延性5、构件的基本形式线形构件－具有较大的长细比的细长构件梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆线性构件是组成框架体系、框－撑体系、框墙体系或板柱体系的基本构件2020/2/839高层建筑的特点平面构件－具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构件楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，结构分析中常常忽略面构件是组成全墙体系、框－墙体系、框托墙体系和叠和体系的基本构件立体结构－由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸和较小壁厚的整体筒状构件框筒－梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、抗扭刚度立体构件是框筒体系、筒中筒体系、筒体体系、框筒束体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体系中的基本构件402.3高层建筑的结构体系和结构布置2.3.1高层建筑结构布置总原则1.结构的水平和竖向布置具有合理的刚度和承载力分布2.避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位3.对可能出现的薄弱部位应采取有效预防予以加强4.易设置多道防线2020/2/8412.3.2控制房屋适用高度和结构高宽比H/B根据建筑高度选择抗侧力体系A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架—剪力墙14013012010050剪力墙全部落地15014012010060部分框支13012010080—筒体框架心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱—剪力墙70403530—2020/2/842B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度框架—剪力墙170160140120剪力墙全部落地180170150130部分框支150140120100筒体框架核心筒220210180140筒中筒300280230170房屋高度：室外地面至檐口高度，不包括局部突出屋面的水箱、电梯间等部分的高度2020/2/843A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大高宽比结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架、板柱—剪力墙5432框架—剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架—核心筒6654控制结构高宽比H/B：控制结构刚度和侧移说明：结构合理，满足侧移和自振周期，经验算可以适当放宽2020/2/844非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度876B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大高宽比2020/2/8452.3.3结构平面布置平面布置要求：有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力途径清楚；力争均匀对称，减少扭转影响平面形状宜简单、规则、对称，尽量避免过大的外伸、内收———避免地震影响总长度L：避免两端振动不一致使建筑物破坏平面外伸：凹角部分容易产生应力集中（楼板加强，且凹角和端角不宜设楼电梯间抗侧力结构布置时，宜对称、均匀，使刚度中心与荷载作用中心尽量接近—————避免产生扭矩筒体结构多采用正多边形、圆形、矩形和等边三角形2020/2/846选择有利于抗震的结构平面结构总体布置2020/2/847抗震不利结构平面不对称突出部分过长L/B过长突出部分过长结构总体布置2020/2/848抗震不利结构平面结构总体布置2020/2/8492.3.4结构竖向布置高宽比限制：保证建筑物在水平力作用下不发生倾覆，保证建筑物的整体稳定性布置原则：结构的强度、刚度宜均匀、连续、不突变结构总体布置2020/2/850竖向刚度突变的原因1、结构竖向体形突变（1）顶部收进形成塔楼，小塔楼因鞭梢效应而放大地震作用，且塔楼的质量和刚度越小，地震放大越明显（2）楼层外挑内收，结构刚度和质量变化大，地震作用下易形成薄弱环节结构总体布置2020/2/851结构竖向布置的要求2、结构体系的变化（1）底部大空间要求，底层若干层剪力墙不落地，产生刚度突变（措