高层建筑混凝土结构设计-结构体系及荷载作用

高层建筑混凝土结构设计2.1.1高层建筑结构高度分级《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010)第1.0.2条规定：10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑及房屋高度大于24m的其它民用建筑混凝土结构为高层建筑。（从理论上说，应当是水平力起控制作用的结构为高层建筑结构。）第2章高层建筑结构2.1概述2.2高层建筑的发展1、不同时期的世界最高建筑建筑物名称高度（m）层数年代地点Homeinsurance55101883芝加哥Parkrow118301898纽约Woolworthbuilding241571913纽约Empirestatebuilding3811021931纽约Worldtradecenter4171101972纽约Searstower4431101974芝加哥Petronastower452951996吉隆坡台北1015081012003台北2、世界高层建筑前10幢世界高楼协会指出，世界十大高楼有六栋出现在亚洲，除了台北一0一之外，其它五栋分别是马来西亚吉隆坡石油公司双塔大厦、上海金茂大厦(八十八层)、香港国际金融中心II(八十八层)、广州中信广场(八十层)与深圳信兴广场(六十九层)，显见亚洲建筑实力惊人。1.迪拜塔，高818米，162层，钢-混多筒结构(阿联酋迪拜)2、台北101大楼508米。（钢-混凝土混合结构）3、上海环球金融中心480米，103层，巨型框架-核心筒-外伸结构，2008年建成。4石油公司双塔大厦，88层，451.9米，1997年建成。吉隆坡（钢-混凝土混合结构）5、西尔斯大厦，地上108层，地下3层,443米，1974年建成（钢结构）美国芝加哥。6、金茂大厦，420.5米，88层,1998年建成（钢-混凝土混合结构）中国上海。7、国际金融中心大厦（二期），420米，88层,2003年建成，（钢-混凝土混合结构）位于中国香港。8、中信广场大厦，391米，80层，1997年建成（钢筋混凝土结构）中国广州。9、信兴广场大厦（地王大厦）384米,69层，1996年建成，（钢-混凝土混合结构）中国深圳。10、帝国大厦，381米，102层，1931年建成，（钢结构）美国纽约。3、计划和正在修建的部分高层建筑12.x-seed，高4000米，800层（预计)(日本)上海中心2.3、高层建筑结构的特点1.侧向荷载(风荷载和地震作用)在高层建筑结构受力中起重要作用竖向荷载在柱中产生的柱力与层数成正比，均布水平荷载在结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比，倒三角形荷载侧弯矩与楼层总高度的三次方成正比，位移成四次方关系(侧移成主要控制指标)；竖向荷载为定，水平荷载不确定且随很多因素变化2.增大竖向构件侧向刚度是改善结构受力性能的重要措施6112112122331bhIc61612222122332bhIc8m1m625612811233bhIw当柱的抗侧移刚度不足时，利用截面高度数倍于柱的钢筋混凝土墙（剪力墙），可大幅度的提高房屋的抗侧移刚度。1m1m2m2m8m关于刚度的进一步探讨EEI3111214132422121EIEEI1335.1252.01212EIEEI1444508.42.5121EIEEI比较以上几种结构方案可以看出，尽管截面面积相同，合理改变结构形式可以大大提高刚度。如下图所示，设塔楼平面尺寸相同，边长均为5.2m，结构截面面积均为4m2。方案1：方案2：方案3：方案4：若将内部楼电梯间井筒或整个外墙做成筒状钢筋混凝土抗侧力构件（筒体），则可获得更加强大的抗侧移刚度。4.自重大，要求采用轻质墙体材料5.竖向构件的轴向变形不可忽视支座变形对连续梁弯矩影响；施工加载过程的影响;对构件剪力和侧移的影响6.有抗震要求，对结构的延性有更严格要求7.对风荷载更加敏感，且顶端在风荷载作用下有较大位移，对舒适度需要进行校核(限制结构顶点风振加速度值)2.4、高层建筑的优缺点2.5、高层建筑的水平位移和加速度限值1.层间弹性水平位移限值(高规规定)2.罕遇水平地震作用薄弱层层间位移限值3.结构风振加速度限值(舒适度要求)不舒服的程度无感觉有感扰人十分扰人不能忍受2/05.0sm建筑物的加速度22/5.0~/15.0smsm22/5.1~/5.0smsm2/5.1sm22/15.0~/05.0smsm对于高度不高且刚度较大的钢筋混凝土高层建筑，风振很小，不会使人们感觉不舒适，但对于高度较高（超过150m）的高层建筑结构，为保证在正常使用条件风振不至于扰人，应按下述要求进行舒适度验算。tot0SwmAa脉动影响系数。分别为脉动增大系数和、；）建筑物的总质量（）；建筑物的迎风面积（年的风压；重现期为风荷载体型系数；tm-10-tot20smA式中：顶点最大加速度计算住宅、公寓2/15.0sm2/25.0sm高度超过150m的高层建筑结构，按《荷载规范》规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax应满足:办公、旅馆2.7高层建筑的竖向结构体系1框架结构框架结构的优点：建筑平面布置灵活，可形成较大空间建筑，加隔墙后也可以形成小房间，建筑立面便于处理。框架结构缺点：框架结构侧向刚度较小，水平位移较大，因此，框架结构主要用在层数不多、水平荷载较小的情况，一般高度不超过60m。框架结构设计时，需在两个正交方向设置框架，抵抗各方向水平力；梁、柱需刚接；不宜采用单跨框架；柱沿竖向尺寸均匀变化；具有较大的塑性变形能力(延性)；不应出现混合承重结构；应重视填充墙对结构刚度的影响；填充墙与框架间要有可靠连接等。其位移曲线为剪切型。2剪力墙结构用钢筋混凝土墙体(也称抗震墙）承受竖向和抵抗侧向力的结构称剪力墙结构。由于其侧向刚度较大，故适用于10-50层建筑。剪力墙结构的优点：整体性好，抗侧刚度和承载力大，在水平力作用下侧向变形较小，合理设计的延性剪力墙具有较好的抗震性能。剪力墙结构的缺点：剪力墙间距小，平面布置不灵活，不能满足公共建筑使用要求，结构自重也较大。剪力墙结构设计时，由于剪力墙平面外刚度小，应双向布置剪力墙且刚度接近；剪力墙宜连续布置，避免刚度突变；剪力墙洞口布置规则，连梁应具有较好的延性性能；应采用工字形、L形和T形剪力墙；墙体宜封闭形成筒等。其位移曲线为弯曲型。剪力墙结构平面示意图对于必须在底部布置大空间的结构，可将剪力墙结构底部一层或几层取消部分剪力墙，代之以框架及其它转换结构（如厚板等转换层）构成部分框支剪力墙、部分落地剪力墙结构体系。这种结构体系由于刚度突变导致应力集中，震害调查表明此部位结构破坏严重，因此，底部被取消的剪力墙数量不应过多。底部大空间层数不宜过多(不能形成高位转换);落地剪力墙间距应加以控制(抗震设计时剪力墙间距与楼板宽度之比为2-2.5以内);加强过度层楼板的整体性和刚度。短肢剪力墙(截面高度与宽度之比5-8)抗震性能比普通剪力墙差，故宜控制短肢剪力墙数量。3框架－剪力墙结构(框架-筒体结构)框架和剪力墙共同承受竖向荷载和侧向力称为框架-剪力墙结构。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架-筒体结构。框架－剪力墙结构框架-剪力墙结构的优点：既可以使平面灵活布置、获得较大空间，又能得到较大的抗侧刚度和承载能力。筒体的承载力、侧向刚度和抗扭强度都较单片墙体大大提高，在建筑中通常将楼梯间、电梯井及管道井等位置设置为筒体。合理设置的框架-剪力墙结构可以形成多道抗震防线，在水平力作用下框架和剪力墙的变形曲线分别呈剪切型和弯曲型，组合在一起后层间位移沿建筑高度分布均匀。框架-剪力墙结构是一种较好的抗侧力体系。框-剪(框-筒)结构平面布置应注意以下两方面的问题：(1)剪力墙数量要合适，满足层间位移角限值的要求，底层剪力墙承担倾覆力矩不小于50%。(2)剪力墙的布置及间距框架－筒体结构两种形式剪力墙内筒（实腹筒）:由电梯间、楼梯间及设备管井组成，底端固定于基础顶面，呈竖向放置的薄壁悬臂梁。框筒（空腹筒）：由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗裙梁组成。4筒体结构由一个或多个筒体组成的结构称为筒体结构。1)框筒结构由腹板框架和翼缘框架构成理想筒体在水平力作用下截面保持平面，正应力沿腹板直线分布，沿翼缘正应力均匀分布；而框筒则不再保持平截面变形，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，翼缘框架柱的轴力也不是均匀分布，靠近角部的柱子轴力大，远离角部的柱子轴力小。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为“剪力滞后”。存在“剪力滞后”现象2)筒中筒结构用框筒作外筒，将楼梯间、管道井作内筒，形成筒中筒结构。筒中筒结构优点：抗倾覆及抗扭；内筒抗水平剪力，其适用高度更高。3)束筒结构两个或两个以上的框筒排列在一起，成为束筒结构。束筒结构具有较高的抗侧刚度和抗竖向变形能力，它缓解了剪力滞后，柱的轴力分布比较均匀。5框架-核心筒体结构周边稀疏柱框架、内部筒体形成框架-核心筒结构。在核心筒和框架柱之间设置刚度较大的水平伸臂构件，廹使框架柱受拉和受压，对核心筒形成反弯，增大结构抗倾覆能力。当楼层周边设置刚度大的环带构件时，形成结构加强层，结构加强层一般不多于3层。6其它结构型式其中巨型框架结构由巨型主框架和普通次框架构成，含主次框架组成的巨型框架结构和主次框架、核心筒组成的巨型框架核心筒结构。巨型结构建筑布置和建筑空间在不同楼层可以有所变化。2.8高层建筑的水平结构体系水平结构体系指楼盖系统。高层建筑结构中，楼盖整合各竖向构件协调变形，要求其刚度大、整体性好，一般采用现浇，并且尽量高度小、重量轻。转换层、加强层、地下室顶板等梁尺寸和刚度较大位置处楼板需作相应加强。2.9高层建筑结构布置原则1.平面布置原则：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平面布置，否则会产生过大的偏心，导致扭转过大。平面不规则类型不规则类型定义扭转不规则△emax≥1.2△ea凹凸不规则平面凹进尺寸＞该方向总尺寸的30%楼板局部不连续有效宽度典型宽度50%，开洞面积大于该楼层30%，避免较大错层2.竖向布置原则：竖向体型规则、均匀、避免过大的外挑和内收、避免错层和局部夹层。结构沿竖向抗侧移刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀连续，尽量减少突变。竖向不规则类型不规则类型定义侧向刚度不规则侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，除顶层外，局部收进尺寸大于相邻下层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上层的80%3.建筑高宽比A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比4.基础埋置深度高层建筑宜设地下室，天然地基或复合地基基础埋深取房屋高度的1/15，桩基取房屋高度的1/18。2.10高层建筑荷载高层建筑主要承受竖向荷载、风荷载和地震作用。1竖向荷载竖向荷载分为永久荷载（恒荷载）：结构及装饰材料自重、固定设备自重。可变荷载（活荷载）：楼面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载及施工检修荷载。恒荷载标准值可由《建筑结构荷载规范》GB50009提供的各种材料自重标准值及构件和装饰物等截面尺寸进行计算，固定设备自重由有关专业人员提供。活荷载标准值应按《建筑结构荷载规范》GB50009的有关规定采用。在计算高层建筑楼面活荷载引起的内力时，一般可不考虑楼面活荷载不利布置，因为高层建筑楼面活荷载标准值一般为2kN/m2，而高层建筑全部竖向荷载标准值一般为12～16kN/m2，楼面活荷载最不利布置对内力影响较小，为简化计算，可不考虑楼面活荷载不利布置，按活荷载满布进行计算，然后对梁跨中弯矩乘以1.1～1.3的放大系数。当楼面活荷载大于4kN/m2时，应考虑活荷不利布置。2风荷载1)定义及有关因素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引，这种作用称为风荷载。风荷载的大小主要与近地风的性质，风速和风向有关；和该建筑所在的地貌及周围土环境有关；同时和建筑物的高