高层结构选型与结构布置

主要内容2.1高层建筑结构设计中的基本原则2.2高层建筑的结构选型2.3高层建筑的结构布置2.1高层建筑结构设计中的基本原则具有必要的承载力、刚度和变形能力避免因局部破坏而导致整个结构破坏；丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力对可能出现的薄弱部位采取加强措施结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布宜具有多道抗震防线基本要求：“简单、规则、均匀、对称”强调概念设计，不过分依赖计算结果2.2高层建筑的结构选型竖向承重结构选型（抗侧力体系）高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、框剪、筒体等，由它们可以组成多种结构体系。框架剪力墙筒体水平承重结构选型（楼板体系）单向板、双向板、井式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖基础结构选型独立基础、条形基础、筏形基础、箱型基础、桩基础带加强层的高层建筑结构框架-核心筒结构框架-剪力墙结构2.2.1框架结构体系定义：房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。横向主梁柱纵向连系梁注：由Ｌ形、Ｔ形、Ｚ形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构，截面各肢的肢高肢后比不大于4。我国最高的钢筋混凝土框架结构——北京长城饭店22层我国最高的钢框架结构——北京长富宫，22层，94米典型框架结构柱网平面布置典型框架结构剖面示意图框架结构特点平面布置灵活，可形成较大的使用空间施工简便，较经济抗侧刚度小，侧移大对支座不均匀沉降较为敏感框架结构分类按施工方法不同，框架结构可分为现浇式、装配式和装配整体式三种。在地震区，多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制的方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。框架结构受力变形特点1）水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形Us；2）由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩）形成框架结构的整体弯曲变形Ub；当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。框架侧向变形框架结构的侧移一般由两部分组成：2.2.2剪力墙结构体系定义：房屋竖向承重结构全部由剪力墙组成。剪力墙结构平面图典型剪力墙结构平面布置剪力墙结构特点抗侧刚度大，侧移小室内墙面平整平面布置不灵活结构自重大，地震作用大施工较麻烦，造价较高剪力墙侧向变形结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间（一般剪力墙间距3~8m）。剪力墙结构受力变形特点在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱；在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱。注：1）剪力墙结构属于刚性结构，对于高宽比较大的剪力墙，侧向变形呈弯曲型。2）剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。按照长宽比分类：Hw/bw3：异形柱；Hw/bw=3~5：小墙肢短肢剪力墙Hw/bw=5~8：短肢剪力墙Hw/bw8：普通剪力墙短肢剪力墙抗震性能较差，规范有具体规定限制其应用和增加抗震要求。框支剪力墙结构：1）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。2）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。3）布置原则：在底部大空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并将纵、横向墙围成筒体；另外，还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度，使上、下部侧向刚度差别尽量小。（上部可采用短肢剪力墙）短肢剪力墙结构：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。（在小高层中应用很广）定义：为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系。剪力墙剪力墙框架梁框架梁框架梁剪力墙剪力墙2.2.3框架剪力墙结构体系受力变形特点：框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。受力变形特点：注：在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而下逐层增大；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐层减小。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，其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。优点：兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于10～20层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置：与建筑功能相结合数量不宜过多，以满足位移限值为宜均匀对称，质量中心与刚度中心接近；外围布置，可以加强结构的抗扭作用定义：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筒体结构平面图2.2.4筒体结构体系常见的筒体结构体系筒中筒框架-核心筒框筒-框架多重筒成束筒多筒体筒体结构是空间结构，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。目前世界最高的100幢高层建筑约有2/3采用筒体结构。特点实腹筒、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。筒中筒结构一般用实腹筒做内筒，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。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。多筒结构－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。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。带加强层的高层建筑结构体系定义：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。2.2.5其他结构体系巨型框架利用筒体作为柱子，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。巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。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。小框架巨型梁巨型柱上海证券交易所2.2.6各种结构体系的最大适用高度和最大高宽比A级高度与B级高度对B级高度的高层建筑，采用更严格的计算和构造措施，且须通过抗震专项审查平面和竖向不规则结构及Ⅳ类场地土上的结构，最大适用高度应适当降低2.2.7水平承重结构选型（楼板体系）作用：承受楼屋面竖向荷载，传递水平力分类：普通钢筋混凝土肋梁楼盖（单向板、双向板、井式和密肋楼盖）无梁楼盖（有柱帽、无柱帽）组合楼盖（压型钢板—混凝土组合楼盖、钢梁—混凝土组合楼盖和网架楼盖）普通钢筋混凝土肋梁楼盖肋梁楼盖传力路径及梁板计算简图井式楼盖密肋楼盖无梁楼盖组合楼盖高层建筑楼面结构选型基础结构选型柱下独立基础交叉梁基础筏形基础箱形基础桩基础复合基础柱下独立基础梁板式筏形基础箱型基础桩基础2.3高层建筑的结构布置高层建筑结构的平面布置高层建筑结构的竖向布置高层建筑结构的变形缝设置平面布置规则性平面宜简单、规则平面长度不宜过长突出部分宜减小凹角部分应采取加强措施对称性核心筒位置要居中或对称抗震墙沿房屋周边布置（较大抗扭刚度和抗倾覆能力）建筑平面限制规范：平面不规则类型第一类：扭转不规则第二类：凹凸不规则第三类：楼板局部不连续竖向布置立面变化要均匀避免“柔弱”底层顶层大厅的改善立面变化要均匀规范：竖向不规则类型第一类：侧向刚度不规则第二类：竖向构件不连续第三类：楼层承载力突变思考题高层建筑结构设计的基本原则有哪些?高层建筑结构选型包括哪些内容?高层建筑竖向承重结构有哪些主要形式?各种竖向承重结构有哪些主要特点?如何选用?高层建筑水平承重结构有哪些主要形式?各有什么特点?什么是平面不规则结构和竖向不规则结构?何谓变形缝?如何设置?