高層建筑結構設計

1、高層建筑結構設計,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,吳方伯 教授 電話： E-mail,湖南大學土木工程學院,高層建筑結構設計,2,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,緒論,一、本課程講授的主要內容,高層建筑的一般知識 高層建筑結構的體系與布置 高層建筑結構的荷載與設計要求 框架結構的計算 剪力墻的計算 框架剪力墻結構的內力和位移計算 扭轉近似計算,高層建筑結構設計,3,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、本課程的學習重點,以現(xiàn)行鋼筋混凝土

2、高層建筑結構設計規(guī)范、規(guī)程為重點，介紹高層鋼筋混凝土結構的設計原理與方法 ; 能夠進行高層鋼筋混凝土結構，特別是高層框架結構、高層剪力墻結構和高層框架剪力墻結構的設計,高層建筑結構設計,4,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,三、本課程的學習方式,課堂講授與自學相結合 講課與作業(yè)相結合,四、主要參考文獻,1.建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009-2012） 2.高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(JGJ 3-2010) 3.建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2010) 4.混凝土結構設計規(guī)范（GB 50010-2010） 5.現(xiàn)行地基與樁基設計規(guī)范 6

3、.趙西安，現(xiàn)代高層建筑結構設計，1999年 7.沈蒲生，高層建筑結構設計，2006 8.傅學怡，實用高層建筑結構設計，2010年,高層建筑結構設計,5,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,第一章 高層建筑的一般知識,高層建筑結構設計,6,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,一、高層建筑的定義（世界各國無統(tǒng)一的定義,表1-1 一部分國家和組織對高層建筑起始高度的規(guī)定,高層建筑結構設計,7,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,二、發(fā)展高層建筑的意義,

4、圖1-1 世界人口變化圖,節(jié)約用地 節(jié)省城市基礎設施費用 改善城市市容,高層建筑結構設計,8,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,金茂大廈 Jinmao Building,竣工日期】：1999年3月18日 【占地面積】：2.3公頃 【建筑面積】：29萬平方米 【建筑層數】：地上88層， 地下3層 【建筑高度】：420.5米 【結構形式】：鋼筋混凝土結構,三、典型工程（已建成,高層建筑結構設計,9,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,上海環(huán)球金融中心 Shanghai World Financia

5、l Center,竣工日期】 ： 2008年8月29日 【用地面積】 ： 30,000 m2 【占地面積】 ： 14,400 m2 【建筑面積】 ： 381,600 m2 【建筑層數】 ： 地上101層、 地下3層 【建筑高度】 ： 492米 【結構形式】 ： 鋼筋混凝土結構 （SRC結構）、 鋼結構（S結構,高層建筑結構設計,10,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,臺北101 TAIPEI 101,竣工日期】 ：2003年10月。 【建筑層數】 ：地上101層、 地下5層 。 【建筑高度】 ：508米 。 【結構形式】 ：鋼筋混凝土結構 新

6、型的巨型結構,高層建筑結構設計,11,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,吉隆坡石油雙塔 The Petronas Twin Towers,開工時間】：1993年12月27日 【竣工時間】：1996年2月13日 【占地面積】：40公頃 【建筑面積】：28.95萬平方米 【建筑高度】：452米 【建筑層數】：88層,高層建筑結構設計,12,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,廣州塔（小蠻腰） Canton Tower,竣工時間】：2009年9月 【占地面積】：17.546萬平方米 【建筑面積】：1

7、1.4054萬平方米 【建筑高度】：塔身主體454米， 天線桅桿156米， 總高度610米。 【建筑層數】：108層， 最細處在66層 【結構形式】：鋼筋混凝土結構,高層建筑結構設計,13,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,迪拜塔 Burj Dubai,開工時間】：2004年9月21日 【竣工時間】：2010年1月4日 【建筑面積】：344,000萬平方米 【建筑高度】：總高度828米。 當前世界第一高樓。 【建筑層數】：162層 【結構形式】：鋼筋混凝土結構,高層建筑結構設計,14,高層建筑結構設計Design of Tall Buildi

8、ng structures,四、典型工程（未建成,上海中心大廈 Shanghai Center Tower,開工時間】：2008年11月29日 【竣工時間】：2015年投入使用 【建筑高度】：結構高度580米 總高度632米 【建筑層數】：127層 【結構形式】：鋼筋混凝土核心筒 -外框架結構,高層建筑結構設計,15,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,深圳證券交易所營運中心 Shenzhen International Trade Center,深圳證券交易所營運中心營運中心占地面積3.91萬平方米，建筑總高度245.8米，建設規(guī)模約26.7

9、萬平方米，其中地上部分約為18.3萬平方米，地下部分約為8.4萬平方米。 深圳證券交易所營運中心營運中心大樓外觀為立柱形，大廈底座被抬升至30多米形成一個巨大的“漂浮平臺”，平臺的“腰部”由一條鮮亮的紅色光帶“纏繞”，整體造型猶如一個漂亮的燭臺,高層建筑結構設計,16,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,深圳平安國際金融中心 PingAn International Finance Center,平安國際金融中心”共115層，18層為裙房，用作商業(yè)，8115層是辦公區(qū)。帶外伸臂的混合結構。本工程于2011年11月15日動工，工期45年，計劃于2

10、016年3月竣工。 設計高度為塔頂646米，屋面588米，該中心將成為深圳市標志性建筑物,高層建筑結構設計,17,高層建筑結構設計Design of Tall Building structures,九龍倉長沙國際金融中心 Changsha International Finance Center,九龍倉”位于長沙市五一商圈和中央商務核心區(qū)。 最高塔樓設計高度510米，建成后將成為湖南第一高樓，長沙市的新地標。項目計劃于2016年全部建成,高層建筑結構設計,18,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,第二章 結構體系及布置,高層建筑結構設計,19

11、,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-1 引言,一、高層建筑結構的受力特點,當建筑物高度增加時，水平荷載（風荷載及地震作用）對結構起的作用將愈來愈大。除了結構內力將明顯加大外，結構側向位移增加更快。圖2-1是結構內力（N，M）、位移（）與高度的關系，彎矩和位移都成指數曲線上升,內 力 或 位 移,f (H4,M=f (H2,N=f (H,H,圖2-1 結構內力、位移與高度的關系,高層建筑結構設計,20,二、高層建筑結構設計的一般規(guī)定,高層建筑結構設計應注重概念設計，重視結構選型與平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風好且經濟的結構體系，加

12、強構造措施。在抗震設計中，應保證結構的整體性能，使整個結構具有必要的承載力、剛度和延性。結構應滿足下列規(guī)定,應具有必要的承載力、剛度和變形能力； 應避免因局部破壞而導致整個結構破壞； 對可能的薄弱部位要采取加強措施； 結構選型與布置合理，避免局部突變和扭轉； 宜具有多道抗震防線,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,21,三、高層建筑結構體系,多層和高層建筑抗側力體系在不斷的發(fā)展和改進，建筑高度也不斷增高。 現(xiàn)在，多層和高層建筑結構體系大約可分為四大類型,框架結構； 剪力墻結構； 框架剪力墻結構； 筒體結構。 各有不同的適用的高

13、度和優(yōu)缺點,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,22,2-2 常用結構體系,框架、剪力墻、框架-剪力墻結構體系是多層及高層建筑中傳統(tǒng)的、廣為應用的抗側力體系； 在高度較大的高層建筑中，利用結構空間作用，又發(fā)展了：框架-筒體結構、框筒結構、筒中筒結構及多筒結構等多種抗側力很好的結構體系,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,23,一、框架結構 梁、柱、板構成,當采用梁、柱組成的結構體系作為建筑豎向承重結構，并同承受水平荷載時，稱其為框架結構體系,1、結構特點： 建

14、筑平面布置靈活； 可形成大空間； 施工簡便，較經濟； 抗側剛度小，側移大； 對支座不均勻沉降敏感； 宜用于15層以下，最大 適用高度70m,圖2-2 框架結構示例,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,24,2、類別: 整體式框架整體現(xiàn)澆； 裝配式框架構件預制； 裝配整體式框架部分現(xiàn)澆、部分預制（采用疊合梁）。 3、承重分類： 橫向框架承重； 縱向框架承重； 縱橫向框架承重,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,25,二、剪力墻結構剪力墻、梁、板構成,利用建筑物的

15、墻體作為豎向承重和抵抗側力的結構，稱為剪力墻結構體系,結構特點： 抗側剛度大； 整體性、抗震性好； 平面布置不靈活。 最大適用高度150-180m,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,圖2-3 剪力墻結構示例,高層建筑結構設計,26,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,三、框架-剪力墻結構,結構特點： 剪力墻承受大部分水平荷載， 框架主要承受豎向荷載。 一般用于140-170m,圖2-4 框架-剪力墻結構示例,高層建筑結構設計,27,高層建筑結構設計Design of Tall Building

16、 Structures,四、筒體結構,1、框架-核心筒結構,結構特點： 類似框架-剪力墻結構。 最大適用高度160-220m,圖2-5 框架-核心筒結構示例,高層建筑結構設計,28,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2、筒中筒結構,結構特點： 剛度大、空間整體性好。 最大適用高度200-300m,圖2-6 筒中筒結構示例,高層建筑結構設計,29,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、多筒體結構,圖2-7 多筒體結構示例,當建筑物高度大，受到的水平荷載較大，筒中筒結構的強度和剛度不能滿足要求時

17、，可以采用多重筒結構。 即：在建筑平面內也布置多個筒體，形成如圖2-7所示的多筒體結構,高層建筑結構設計,30,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,五、其他結構,結構特點： 分兩級結構，第二級為一般框架，只承受豎向荷載，并將其傳遞給第一級。第一級結構承受全部水平荷載和豎向荷載。 適用于超高層建筑,圖2-8 新的豎向承重結構體系,巨型框架結構、巨型桁架結構、懸掛結構等,高層建筑結構設計,31,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-3 結構布置,1、柱網、層高按300mm進級，一般3m、3.3m、

18、3.6m、3.9m、4.2m等。 2、主體結構不應采用鉸接。 3、抗震不宜采用單跨框架。 4、填充墻宜用輕質墻，抗震設計如采用砌體填充墻應符合如下要求: （1）上、下層剛度不宜變化過大; （2）減小抗側移剛度偏心； （3）避免形成短柱。 5、抗震不應采用砌體墻與框架梁混合承重。 6、抗震框架結構少量剪力墻位置產生較大剛度偏心時，宜將剪力墻減 薄，開豎縫等措施減小剪力墻的作用,一、框架結構,高層建筑結構設計,32,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,1、非抗震時宜雙向布置剪力墻，抗震時避免單向布置剪力墻，抗側移 剛度不宜過大。 2、不應采用全短肢

19、剪力墻（h/b8）結構，其中，h為剪力墻墻肢截面高 度，b為剪力墻墻肢截面厚度。 3、剪力墻門窗洞口宜上下對齊，成列布置，形成明確的墻肢和連梁。 4、H/B應大于2，防止地震力太大和受剪破壞，其中，H為剪力墻高 度，B為剪力墻寬度,二、剪力墻結構,高層建筑結構設計,33,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,1、剪力墻布置力求對稱、均勻。 2、各層剛度中心位置力求一致。 3、剪力墻盡可能離開房屋重心，提高抗扭能力。 4、沿高度剛度不宜發(fā)生突變，避免產生局部擺動。 5、盡可能增加剪力墻承擔的豎向荷載，從而可以減少鋼筋的用量。 6、每道剪力墻承擔的水

20、平剪力不宜超過總水平剪力的40,三、框架剪力墻結構,高層建筑結構設計,34,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-4 變形縫的設置,1、伸縮縫,減小溫度變化和混凝土收縮對結構的影響而設置的縫，縫寬 t5cm,表2-1 伸縮縫最大間距,采用后澆帶可適當放寬伸縮縫間距：后澆帶每3040m一道，帶寬8001000mm；鋼筋采用搭接，宜在2個月后澆筑,高層建筑結構設計,35,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、防震縫,避免地震附加力對結構的影響而設置的縫，縫寬按規(guī)范要求設置。 防震縫最小縫寬應符合

21、下列規(guī)定： （1）框架房屋，高度不超過15m 的部分，可取70mm；高度超過15m的部分，6度、7度、8度、9度相應每增加5m、4m、3m、2m，宜加寬20mm。 （2）框架-剪力墻結構房屋可按第一項規(guī)定的70%采用，剪力墻結構房屋可按第一項規(guī)定的50%采用，但二者均不宜小于70mm,2、沉降縫,避免不均勻沉降對結構的影響而設置的縫，縫寬t5cm。 沉降縫不但上部結構要斷開，基礎也要斷開,高層建筑結構設計,36,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-5 結構高寬比控制,結構高寬比應控制在相應的范圍內，保證抗側移剛度和抗傾覆能力,表2-2 A級

22、高度鋼筋混凝土高層建筑適用的最大高寬比,高層建筑結構設計,37,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-6 結構平面和豎向布置原則,二、豎向布置,體型規(guī)則、均勻、避免過大的外挑和內收；側移剛度下大上小，逐漸均勻變化,一、平面布置,結構平面應盡量設計成規(guī)則、對稱而簡單的平面形狀，盡量減少因形狀不規(guī)則產生結構扭轉的可能性,高層建筑結構設計,38,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-7 樓蓋結構,1、房屋高度超過50m時宜采用現(xiàn)澆樓蓋； 2、高度不超過50m時，8、9度抗震設計的框架-剪力墻結構宜

23、采用現(xiàn)澆樓蓋，6、7度抗震設計的框架或剪力墻結構可采用裝配式樓蓋。 3、樓蓋結構型式：普通肋形樓蓋、無梁樓蓋、組合式樓蓋等,高層建筑結構設計,39,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2-8 高層建筑的地基基礎設計,高層建筑地基基礎的設計應該因地制宜，主要取決于具體工程及所在地的工程地質狀況和施工條件。 一、具有共性的三個必須遵循的設計原則： 1、適宜的地基（樁基）剛度，保證高層建筑的穩(wěn)定和嵌固； 2、地基（樁基）的承載力控制，避免高層建筑在重力荷載、水平荷載等作用下發(fā)生地基破壞（主要是剪切破壞）。 3、重力荷載合力中心與基礎（樁基）平面形心的

24、重合，保證高層建筑的穩(wěn)定和抗傾覆,高層建筑結構設計,40,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、基礎型式及選擇,1、柱下獨立基礎 適用：層數不多、土質較好的框架結構,2、交叉梁基礎 雙向為條形基礎 適用：層數不多、層數不多、土質一般的框架、剪力墻、框架剪 力墻結構,圖2-9 交叉梁基礎,高層建筑結構設計,41,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、片筏基礎 適用：層數不多土質較弱或層數較多土質較好時用,圖2-10 帶墩基的片筏基礎,圖2-11 梁板式片筏基礎,高層建筑結構設計,42,高層建筑

25、結構設計Design of Tall Building Structures,4、箱形基礎 適用：層數較多、土質較弱的高層建筑,圖2-12 箱形梁基礎剖面圖,高層建筑結構設計,43,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,5、樁基礎 適用：地基持力層較深時采用,圖2-13 樁基礎,圖2-14 樁筏基礎,圖2-15 樁箱基礎,6、復合基礎 適用：層數較多或土質較弱時采用,高層建筑結構設計,44,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,第三章 高層建筑的荷載及設計要求,高層建筑結構設計,45,高層建筑結構設

26、計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構主要承受豎向荷載和水平荷載,與多層建筑結構有所不同，高層建筑結構： 1）豎向荷載效應遠大于多層建筑結構； 2）水平荷載的影響顯著增加，成為其設計的主要因素； 3）對高層建筑結構尚應考慮豎向地震的作用,高層建筑結構設計,46,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3-1 豎向荷載,二、樓面活荷載,見表3-1,一、恒載,為結構自重，裝飾層重等。 結構自重=構件設計尺寸材料單位體積自重,高層建筑結構設計,47,高層建筑結構設計Design of Tall Buildin

27、g Structures,表3-1 民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、 頻遇值和準永久值系數,高層建筑結構設計,48,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,49,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,高層建筑結構設計,50,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,四、雪荷載,式中： Sk雪荷載標準值； r屋面積雪分布系數； S0基本雪壓,三、屋面均布活荷載,上人的平屋頂 2.0 kN/m2 不上人的平屋頂 0.5 kN/m2 直升

28、機的等效均布荷載為 5 kN/m2,長沙,圖3-1 屋面積雪分布系數,3-1,高層建筑結構設計,51,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3-2 風荷載,式中： 高度z處建筑物表面單位面積上的風載標準值； 風載體形系數； 風壓高度變化系數； 基本風壓值； 風振系數,3-2,高層建筑結構設計,52,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,一、基本風壓值,長沙,一般高層建筑最大風壓重現(xiàn)期為50年； 特別重要或對風荷載比較敏感的高層建筑，按100年重現(xiàn)期的風壓值采用。當沒有100年一遇的風壓資料時，也可近

29、似將50年一遇的基本風壓值乘以增大系數1.1采用。 對風荷載比較敏感的建筑（H60m）,承載力設計時應按基本風壓的1.1倍采用,高層建筑結構設計,53,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、風壓高度變化系數,風壓高度系數為某類地表上空高度處的風壓與基本風壓的比值，該系數取決于地面粗糙程度指數,表3-2 地面粗糙度分類,高層建筑結構設計,54,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,表3-3 風壓高度變化系數,高層建筑結構設計,55,高層建筑結構設計Design of Tall Building S

30、tructures,續(xù)表3-3,高層建筑結構設計,56,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,三、風荷載體型系數,風荷載體型系數主要與建筑物的體型和尺度有關，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關。一般采用相似原理，在邊界層風洞內對擬建的建筑物模型進行測試,房屋和構筑物與表中的體型類同時，可按表規(guī)定取用； 房屋和構筑物與表中的體型類不同時，可參考有關資料采用； 房屋和構筑物與表中的體型類不同且無參考資料可借鑒時，宜由風洞試驗確定； 對重要且體型復雜的房屋和構筑物，應由風洞試驗確定,建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-2012）表8.3.1列出39項不同類型的

31、建筑物和各類結構的體型系數，當建筑物與表中列出的體型類同時可參考應用,高層建筑結構設計,57,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,例：矩形截面,高層建筑結構設計,58,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,四、風振系數,式中：g 峰值因子，可取2.5； I1010m高度名義湍流，對應A、B、C和D類地面粗糙度， 可分別取0.12、0.14、0.23和0.39； R 脈動風荷載的共振分量因子； Bz 脈動風荷載的背景分量因子,高層建筑結構設計,59,高層建筑結構設計Design of Tall Bu

32、ilding Structures,注意： 房屋高度大于200m時，宜采用風洞實驗來確定建筑物的風荷載； 房屋高度大于150m，有下列情況之一時，宜采用風洞實驗來確定建筑物的風荷載： 平面形狀不規(guī)則，立面形狀復雜； 立面開洞或連體建筑； 周圍地形和環(huán)境較復雜,五、風洞試驗,高層建筑結構設計,60,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3-3 地震作用,地震作用由于地面運動引起房屋的結構反應稱為地震。 我國是一個多地震的國家，地震災害的面積占國土面積的一半以上。660個城市中，位于地震區(qū)的占74.5%；118 個百萬以上的大城市中，有85.7%位于

33、地震區(qū)，2/3的基本烈度為度及度以上,高層建筑結構設計,61,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,一、建筑抗震設防分類和設防標準,表3-4,高層建筑結構設計,62,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、三水準設防目標和兩階段設計方法,注：括號內數值分別用于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū),表3-5,高層建筑結構設計,63,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,圖3-2 框架結構破壞程度與 房間側移的對應關系,圖3-3 三個水準烈度

34、的頻率 和對應關系,1.55度,1度,不倒,可修,不壞,眾值 烈度,基本 烈度,大震 烈度,高層建筑結構設計,64,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,三、設計地震分組,分組的目的：體現(xiàn)震級于與震中距的影響。 分組：分第一組、第二組和第三組三個組。 湖南省縣級及縣級以上設防城鎮(zhèn)，設計地震分組均為第一組,高層建筑結構設計,65,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,四、特征周期值 （s,表3-6,高層建筑結構設計,66,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structur

35、es,五、基本地震加速度,表3-7,湖南?。?常德市抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值0.15g； 岳陽、岳陽縣、汨羅、湘陰、臨澧、澧縣、津市、桃源、安鄉(xiāng)、漢壽抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g; 長沙、益陽、張家界等抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g,高層建筑結構設計,67,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,六、設計反映譜曲線,m,k,單質點體系運動方程為,式中: m，c，k 質量、阻尼系數和剛度系數； , , 質點的位移、速度、加速度； 地面運動加速度,圖3-4,3-3-1,高層建筑結構設計,68,高

36、層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,如地面運動 已知，便可求出質點的位移、速度、加速度反應，反應的最大值分別為 ， ， 。 有了質點最大加速度反應 后，由牛頓定律可得最大慣性力為,式中：m，G 單質點體系的質量及重量； g， k 重力加速度及地震系數； 為動力系數； 地震影響系數,3-3-2,高層建筑結構設計,69,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,注： 小于0時，取0 ； 小于0.55時，取0.55,3-3-3,3-3-4,3-3-5,圖3-5 地震影響系數曲線,高層建筑結構設計,70,高層建

37、筑結構設計Design of Tall Building Structures,七、等效地震荷載計算方法,1、水平地震作用計算 （1）底部剪力法： 當結構高度小于40m，沿高度方向質量及剛度分布比較的均勻，并以剪切變形為主的高層建筑，可采用底部剪力法計算等效地震荷載。 采用底部剪力法時，各樓層可僅取一個自由度，結構的水平地震作用標準值按下列公式計算,高層建筑結構設計,71,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,式中： 相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數值； 結構等效總重力荷載， 對單質點體系應取總重力荷載代表值的85%； 頂部附加地震作用系

38、數，多層鋼筋混凝土和鋼結構房屋可 按表3-8采用，多層內框架磚房可采用0.2，其他房屋可采用0,3-3-6,3-3-7,3-3-8,圖3-6,高層建筑結構設計,72,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,表3-8 計算式,高層建筑結構設計,73,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,結構基本自振周期 可按下式計算,式中： 計算結構基本自振周期用的結構頂點假想位移（m)， 即假想把集中在各層樓面處的重力荷載代表值作為水平荷 載算得的頂點位移； 結構基本自振周期考慮非承重磚墻影響的折減系數,框架結構 框

39、剪結構 剪力墻結構,3-3-9,高層建筑結構設計,74,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,求建筑的重力荷載時，各荷載的組合值系數按表3-9采用,表3-9,高層建筑結構設計,75,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2)振型分解反應譜法 適應范圍除底部剪力法以外的所有建筑，宜采用振型分解法。 計算方法n個自由度體系有n個基本振型，如,圖3-7,高層建筑結構設計,76,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,A.第j振型i質點的水平地震作用的標準值,式

40、中： 相應于第j振型周期 的地震影響系數； j振型i質點的水平相對位移； 振型的參與系數,3-3-10,3-3-11,高層建筑結構設計,77,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,B.水平地震作用效應（內力和位移）計算,水平地震作用效應先根據各振型的地震作用分別計算，然后再 采用平方和的平方根方法（SRSS法）計算,一般情況下可只取前23個振型，當基本自振周期大于1.5秒或房 屋高寬比大于5時，振型個數應適當增加。 為計算各振型所用的自振周期也應按 考慮 建筑結構估計水平地震作用扭轉影響時，應按規(guī)定計算其地震作 用和作用效應,3-3-12,高層建

41、筑結構設計,78,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3)時程分析法,反應譜法的缺陷： 設計反應譜主要依據的是加速度反應譜，未反映速度與位移及持續(xù)時間影響。 是建立在彈性動力分析的基礎上，未考慮彈塑性性能的影響。 高層建筑是多質點體系，而反應譜曲線是從單質點體系得到的。 反應譜方法得到的地震過程中的最大慣性力值，不能得到地震過程中的變形及破壞過程，無法確定某些薄弱部位的各種危險狀態(tài),高層建筑結構設計,79,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,注： 特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和表3-10所列高度范

42、圍內高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值,表3-10,高層建筑結構設計,80,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,時程分析法又稱直接動力法，解動力方程式多自由度體系在地面運動作用下的振動方程式為,3-3-13,圖3-8,高層建筑結構設計,81,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,注： 采用時程分析法計算時： 宜輸入本地區(qū)在設防烈度時記錄到的地震波進行分析；當缺少本地區(qū)達設防烈度的地震記錄時，宜按烈度、近震、遠震和場

43、地類別，選用不少于二組的實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線計算。 彈性時程分析時，每條時程曲線求得的底部剪力不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%時，至少應按80%取用多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80,高層建筑結構設計,82,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2、豎向地震作用計算,1）需進行豎向地震作用計算的范圍： 9度設防時; 水平長懸臂構件和大跨度結構。 （2）豎向地震作用計算： 結構總豎向地震計算的標準值按下式計算,圖3-9結構豎向地震作用計算圖形,3-3-14,高層建筑結構設

44、計,83,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,質點的豎向地震作用標準值,注：各樓層的豎向地震作用效應按各構件承受的重力荷載代表值 比例分配,式中： 結構總豎向地震作用標準值； 豎向地震影響系數的最大值,3-3-15,3-3-16,3-3-17,高層建筑結構設計,84,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、水平長懸臂構件和大跨度結構豎向地震作用,水平長懸臂構件和大跨度結構考慮豎向地震作用時，豎向地震作用的標準值在8 度和9度設防時，可分別取該結構及所承受重力荷載代表值的10%和20%進行計算。

45、設計基本地震加速度為0.3g時，可取該結構、構件重力荷載代表值的15,高層建筑結構設計,85,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,八、地震作用考慮原則,一般情況下，應允許在結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作 用計算，有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15時，應 分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。 質量與剛度分布明顯不對稱、不均勻的結構，應計算雙向水 平地震作用下的扭轉影響；其它情況，應計算單向水平地震作用 下的扭轉影響； 8度、9度抗震設計時，高層建筑中的大跨度和長懸臂結構應 考慮豎向地震作用； 9度抗震設計設計時應計算豎向地震作用,

46、高層建筑結構設計,86,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,注：計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。各層質心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式計算,式中： 第i層質心偏移值(m)，各層質心偏移方向相同； 第i層垂直于地震作用方向的建筑物總長度(m,3-3-18,高層建筑結構設計,87,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3-4 荷載組合及設計要求,1、無地震作用,一、 荷載組合,式中,永久荷載分項系數，一般取 ； 對由永久荷載效應控制的組合，取 ； 當其效應對結構有利時，取,分別為樓面活荷

47、載組合值系數和風荷載組合值系數; 當永久荷載效應起控制作用時分別取0.7和0.0； 當可變荷載效應起控制作用時分別取1.0和0.6或0.7和1.0,3-4-1,高層建筑結構設計,88,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2、有地震作用,1. 進行承載力計算時，分項系數按表3-11取值。 當重力荷載效應對結構承載力有利時， 取 ， 風荷載組合值系數取 2. 進行位移計算時，全部分項系數取,3-4-2,高層建筑結構設計,89,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,表3-11 作用分項系數,注：表中“”

48、號表示該項作用不考慮,高層建筑結構設計,90,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,1、承載力計算公式,二、 設計要求,非抗震 抗 震,式中,結構重要性系數； 作用效應組合設計值，按非抗震與抗震兩種情況分別采用； 結構構件承載力設計值，按非抗震與抗震兩種情況分別采用； 承載力抗震調整系數，按表3-12采用,3-4-3,3-4-4,高層建筑結構設計,91,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,表3-12 承載力抗震調整系數,當僅考慮豎向地震作用組合時，各類結構桿件的承載力抗震調整系數均取為1,高層建筑

49、結構設計,92,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,式中 C變形、裂縫等限值,2、正常使用極限狀態(tài),3-4-5,高層建筑結構設計,93,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、位移驗算和舒適度要求,1）層間位移,要求結構具有足夠的剛度，避免產生過大的位移影響結構的承載力、穩(wěn)定性和使用要求,限制層間位移的主要目的： 保證主體結構處于彈性狀態(tài)； 保證填充墻、隔墻完好,3-4-6,高層建筑結構設計,94,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,表3-13

50、層間位移限值,高度不大于150m的高層建筑， 不宜大于表3-13限值,高度等于或大于250 m的高層建筑，不宜大于1/500,高度在150m250m之間的高層建筑，按上述限值插值,高層建筑結構設計,95,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2）舒適度要求,頂點最大加速度,表3-14 頂點最大加速度限值,3-4-7,高層建筑結構設計,96,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,第四章 框架結構計算,高層建筑結構設計,97,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structu

51、res,本章主要內容,4.1 近似計算法 4.2 矩陣位移法計算,高層建筑結構設計,98,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,4-1 近似計算法,一、分層法,假定： 1、不考慮側移影響； 2、不考慮上、下層荷載的相互影響； 3、假定上、下柱遠端為固端，柱子線剛度取0.9i，傳遞系數取1/3,底層取1/2,圖 5-1,圖 4-1 計算簡圖,計算時梁上活載可滿布，但跨中彎矩乘以1.11.2的系數,高層建筑結構設計,99,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、D值法,1、D值法要解決的問題,反彎點位

52、置,柱中剪力分配,同一層各柱子側移相同,圖 4-2 D值法,2、假定,式中 ：Vij 每根柱子上分配的剪力； Vi i層總剪力； Diji層j柱的側移剛度,高層建筑結構設計,100,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、D值的計算,式中 : 與梁柱剛度比有關的系數，可查表,圖 4-3 反彎點位置,4、反彎點位置,式中 ：y0標準反彎點（不考慮層高,上、下 層梁的線剛度不同）； y1上、下層梁的線剛度不同時的修正； y2、y3分別為上、下層層高不同時的修正,高層建筑結構設計,101,高層建筑結構設計Design of Tall Building

53、 Structures,4-2 矩陣位移法計算,一、結構剛度矩陣,圖 4-4 座標系,式中 ： 單元座標系； 結構座標系； 總剛矩陣,二、位移法的基本方程,式中 ： 節(jié)點位移矩陣， 節(jié)點荷載矩陣， 總剛矩陣,高層建筑結構設計,102,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,三、邊界條件處理和基本方程求解,1、邊界條件,固支,不動鉸支,可動鉸支,已知位移支座,圖 4-5,高層建筑結構設計,103,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2、求解方程,解：1. 位移矩陣,例：如圖所示結構,2. 總剛矩陣,3

54、. 荷載矩陣,4. 由 ，有12個方程，6個位移 未知量，6個荷載未知量，可求解,圖 4-6,高層建筑結構設計,104,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,第五章 剪力墻的計算,高層建筑結構設計,105,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,本章主要內容,5.1 計算方法 5.2 整體墻、小開口整體墻的計算 5.3 雙肢墻的計算 5.4 壁式框架的計算 5.5 剪力墻截面設計,高層建筑結構設計,106,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,5-1 計

55、算方法,一、假定,1、剪力墻平面外剛度可不考慮， 縱橫剪力墻可分別考慮； 2、樓板平面內抗彎剛度無限大； 3、各片剪力墻按等效抗彎剛度分配剪力,圖 5-1,高層建筑結構設計,107,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,二、受力特點,1、整體墻和小開口整體墻,整體墻,小開口整體墻,可按整體懸臂墻計算，符合平截面定， 正應力為直線分布，如圖5-2所示,大體符合平截面假定,圖 5-2 整體墻,圖 5-3 小開口整體墻,圖 5-4 小開口整體墻,5-1,高層建筑結構設計,108,高層建筑結構設計Design of Tall Building Struc

56、tures,2、雙肢和多肢剪力墻,與小開口整體墻類似，如圖5-5所示,3、壁式框架,受力特點近似于框架結構，如圖5-6所示,圖 5-5 雙肢墻,圖 5-6 壁式框架,高層建筑結構設計,109,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,5-2 整體墻、小開口整體墻的計算,1、應力計算,當剪力墻孔洞面積與墻面面積之比不大于0.15且孔洞凈距及孔洞至墻邊距離大于孔洞長邊時，可作為整截面懸臂構件按平截面假定計算截面應力分布,一、整體墻,圖 5-7,5-2-1,5-2-2,高層建筑結構設計,110,高層建筑結構設計Design of Tall Building

57、 Structures,2、頂點位移,要考慮洞口對截面面積及剛度的削弱影響,1）小洞口整體墻的折算截面面積為,式中：A剪力墻截面毛面積； Aop 剪力墻面洞口面積； Af 剪力墻面總面積,111,5-2-3,5-2-4,圖 5-8,高層建筑結構設計,111,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3）頂點位移,5-2-5,5-2-6,5-2-7,高層建筑結構設計,112,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,5-2-8,5-2-9,5-2-10,5-2-11,5-2-12,5-2-13,三種荷載下Ec

58、Ieq分別為,高層建筑結構設計,113,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,1、適用條件,1,二、小開口整體墻,2） 墻肢不出現(xiàn)反彎點,2、判別條件,1,2） ，不出現(xiàn)反彎點,式中： 整體系數（ 值越大，剛度越大,扣去墻肢慣性矩后剪力墻的慣性矩,由 和層數n查表,當不滿足條件（1）時按雙肢或多肢墻計算； 當不滿足條件（2）時按壁式框架計算,5-2-14,5-2-15,高層建筑結構設計,114,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、計算公式,1）內力計算,墻肢彎矩,墻肢軸力,式中： Ai 、Ii

59、第i墻肢的截面面積和慣性矩； yi第i墻肢的重心至組合截面重心的距離,墻肢剪力,式中： 水平荷載產生的剪力,5-2-16,5-2-17,5-2-18,高層建筑結構設計,115,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2）位移計算,式中： 等效抗彎剛度,考慮到開孔后剛度的削弱，應將計算結果乘1.20。因此，小開口整 體墻的頂點位移可按下式計算,5-2-19,5-2-20,5-2-21,高層建筑結構設計,116,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,5-3 雙肢墻的計算（,1、基本假定,1）沿豎向墻肢和連

60、梁的剛度不變，層高不變，如有變 化取各層平均值； （2）連梁的反彎點在跨中，不考慮連梁的軸向變形，連 梁的作用可由均勻分布的豎向彈性薄板來代替； （3）各墻肢變形曲線相同，各層位移和轉角相同,高層建筑結構設計,117,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,2、計算簡圖,1,1,1,1,高層建筑結構設計,118,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,圖5-9 雙肢墻計算簡圖及基本體系,高層建筑結構設計,119,高層建筑結構設計Design of Tall Building Structures,3、微