建筑混凝土結構—高層建筑結構特點和剖析設計

1、建筑混凝土結構高層建筑結構特點和剖析設計一、概述1. 高層建筑的定義多層與高層建筑的界限各國定義不一。我國曾將8層以上的民用建筑或高度超過22m的工業(yè)建筑定義為高層建筑高層建筑混凝土結構技術規(guī)程將10層和10層以上的民用建筑定義為高層建筑。這是由是否設電梯、建筑物的防火等級以及傳統(tǒng)歷史的影響所確定的。一、概述2. 高層建筑的分類*鋼結構高層建筑：自重輕、強度高、延性好、施工快，但用鋼量大、造價高、防火性能較差按結構材料分*混凝土結構高層建筑：造價低、耐火性能好、結構剛度大，但自重較大*鋼-混凝土組合結構：兼有兩者的優(yōu)點，克服了兩者的缺點。一、概述2. 高層建筑的分類按結構材料分1998年的統(tǒng)計

2、結果,括號內的數據為2009年的統(tǒng)計結果一、概述2. 高層建筑的分類按結構承重體系*框架結構*剪力墻結構*框架-剪力墻結構*筒體結構*巨型框架結構*懸掛結構二、高層建筑結構體系1. 框架結構*在地震設防區(qū)層數相應減少*常用于綜合辦公樓、旅館、醫(yī)院、學校、商店等建筑*在非地震區(qū)可做到15層，最高可做到20層組成和適用范圍*由梁和柱組成的空間結構體系二、高層建筑結構體系1. 框架結構變形特征*在水平荷載作用下，表現出剛度小、水平側移大的特點，水平側移呈剪切型。*例如，在地震設防烈度為8度，IV類場地的情況下，框架結構一般只能做到56層二、高層建筑結構體系2. 剪力墻結構組成*利用房屋墻體作為豎向承

3、重和抗側力結構的體系稱為剪力墻結構*剪力墻上可開洞口，洞口越大，越接近于框架二、高層建筑結構體系2. 剪力墻結構變形特征和應用范圍*水平荷載作用下，剪力墻似一懸臂薄片，比框架具有更大的抗側剛度，且在水平荷載下的側移呈彎曲型*剪力墻結構可用于較高的房屋中（100m以上）*剪力墻可用來分隔房間，樓板的跨度即為剪力墻的間距，一般為38m，適合于有小房間的住宅、旅館等高層建筑二、高層建筑結構體系2. 剪力墻結構框支剪力墻二、高層建筑結構體系3. 框架-剪力墻結構組成*由框架和剪力墻共同承受豎向和水平荷載的結構體系稱為框架-剪力墻結構體系。在整個結構體系中，剪力墻負擔決大部分的水平荷載，框架以負擔豎向荷

4、載為主，分工合理，物盡其用二、高層建筑結構體系3. 框架-剪力墻結構變形特征和應用范圍*水平荷載作用下，框架和剪力墻協(xié)調工作，使房屋各層變形趨于均勻，在水平荷載下的側移呈彎剪型*剪力墻克服了框架抗側剛度低的缺點，框架彌補了剪力墻結構布置不靈活的不足。因此，普遍應用于賓館和辦公樓等公用建筑中。*框架-剪力墻結構體系一般用于25層以下為宜，最高不超過35層。但若布置合理，也可更高。二、高層建筑結構體系4. 筒體結構組成和變形特征*將剪力墻集中到房屋的內部或外部形成封閉的筒體，以此來承受房屋大部分或全部豎向荷載和水平荷載所組成的結構體系稱為筒體結構體系*分實腹筒體和空腹筒體兩類*變形呈彎剪型二、高層

5、建筑結構體系4. 筒體結構框架-筒體結構將框架-剪力墻結構中的剪力墻相對集中組成封閉的筒體，豎向荷載主要由框架和筒體共同承擔，水平荷載主要由筒體承擔框架-筒體結構框架-筒體結構的受力性能類似于框架-剪力墻結構，水平荷載下的側移曲線呈彎剪型，但前者的剛度遠大于后者。框架-筒體結構常用于50層左右的高層建筑中，最高可建到100層二、高層建筑結構體系4. 筒體結構框架-筒體結構框架-筒體結構有框架-實腹筒體結構和框架-空腹筒體結構兩種形式。實腹筒一般位于框架之內框架-核心筒結構將空腹筒布置在房屋的外圍，框架布置在房屋的中部形成的框架-筒體結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構框架-實腹筒體結構二、高

6、層建筑結構體系4. 筒體結構框架-實腹筒體結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構框架-實腹筒體結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構框架-空腹筒體結構由于空腹筒體的密排立柱之間的距離較小，建筑底部如何設大的入口？二、高層建筑結構體系4. 筒體結構框架-空腹筒體結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構筒中筒結構*將實腹筒體置于建筑物的內部，空腹筒體作為建筑物的外框，利用樓板將二者連為一體，共同承受豎向荷載和水平荷載的結構承重體系筒中筒結構*筒中筒結構水平荷載下的側移曲線呈彎剪型，但抗側剛度大于框架-筒體結構。*筒體具有很大的抗側能力和抗扭能力，筒中筒結構廣泛應用于65層左右的公用建筑中。建筑底部設

7、大開口的方法同框架-剪力墻結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構筒中筒結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構組合筒體結構*將幾個筒體組合成一個整體，共同承擔豎向和水平荷載的結構承重體系組合筒體結構*常用于75層左右的高層建筑中二、高層建筑結構體系4. 筒體結構其他筒體結構二、高層建筑結構體系4. 筒體結構其他筒體結構三、結構布置的原則1. 選擇合理的結構體系豎向承重結構體系根據房屋的用途、各種結構體系的特點和適用范圍進行選擇：*框架結構*剪力墻結構*框架-剪力墻結構*筒體結構三、結構布置的原則1. 選擇合理的結構體系樓板結構體系*平板結構體系：單向板和雙向板常用于剪力墻結構和筒體結構；板柱結構

8、體系可采用無梁樓蓋。一般非預應力板的跨度不宜超過6m，預應力平板的跨度不超過9m。*密肋樓蓋：密肋樓蓋多用于跨度較大而梁高受到限制的情況，筒體結構角區(qū)部也常用密肋樓蓋?，F澆混凝土密肋樓蓋的跨度不宜超過9m，預應力混凝土密肋樓蓋的跨度不超過12m。三、結構布置的原則1. 選擇合理的結構體系樓板結構體系*肋梁樓蓋：是高層建筑中應用最為廣泛的樓蓋形式。當樓蓋的高度受到限制時，可以考慮采用扁寬梁。*在下列情況下應考慮采用現澆樓蓋：1）建筑物高度超過50m；2）抗震設防烈度為9度時；3）屋面；4）平面十分復雜，樓面不規(guī)則，有較多洞口；5）上下層剛度變化較大時，如底層大空間結構的過渡層樓板。三、結構布置的

9、原則2. 結構平面布置*平面宜選風壓較小的形狀，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓的影響。一般地，圓形或橢圓形平面可比矩形平面減少風荷20%40%。平面形狀*平面應盡量規(guī)整、均勻對稱，使得結構單元的總體剛度中心與單元的幾何中心（風載作用位置）、質心（地震作用位置）相重合三、結構布置的原則2. 結構平面布置平面尺寸*平面總長度L不宜過長，避免兩端振動不一致而使建筑破壞。*各種平面對相關尺寸的要求：L/B、L/Bmax、l/b、l/b見教材表5-3三、結構布置的原則3. 結構豎向布置*高層建筑的高寬比不宜過大，應滿足教材表5-4的要求。如不能滿足表5-4所示的要求或房屋的高度超過150m，則要對房屋進行

10、抗傾覆和整體穩(wěn)定性驗算。*沿豎向結構的剛度和強度宜均勻、連續(xù)、不突然變化三、結構布置的原則4. 抗震縫、沉降縫和伸縮縫的布置當結構不同部位荷載差異較大地基土壓縮性有顯著差異沉降縫當平面形狀復雜、高度方向有高差、質量分布不均勻抗震縫（教材表5-5）當房屋過長或過寬時伸縮縫（教材表5-6）四、荷載與作用1. 豎向荷載一般豎向荷載*豎向荷載包括：結構自重、使用活載（一般以樓面等效均布荷載的形式表達）、雪荷載、屋面積灰荷載和檢修荷載等。*計算豎向荷載下的結構內力時，一般可不考慮活荷載的不利布置，按滿布計算?；詈奢d較大時，可把按滿布荷載計算的梁跨中彎矩乘以的放大系數。按建筑結構荷載規(guī)范計算，規(guī)范中未規(guī)定

11、的樓面活荷載可按教材表5-7采用四、荷載與作用1. 豎向荷載當建筑頂部設置直升飛機停機坪時，直升飛機的荷載可按下式計算：直升飛機荷載對具有液壓輪胎起落架的直升飛機，動力系數可取直升飛機的重量,小型直升飛機的重量約為15kN20kN直升飛機的荷載，分布在輪子的作用范圍內，一般按2m2m四、荷載與作用1. 豎向荷載當沒有機型技術資料時，局部荷載標準值可按下表計算：直升飛機荷載四、荷載與作用1. 豎向荷載按上述局部荷載算出的平臺的內力不能小于按等效均布荷載5kN/m2求出的平臺內力直升飛機荷載四、荷載與作用2. 水平荷載風荷載的計算方法在第三章“單層廠房排架結構”中已作過介紹，但是高層建筑風荷載的計

12、算還有下列一些特點：風荷載*基本風壓w0應根據建筑結構荷載規(guī)范（GB50009）”全國基本風壓分布圖”中的數值采用，對于特別重要和有特殊要求的高層建筑可乘以1.1;*高層建筑的體形和平面尺寸變化較多，一般情況體形系數按高層建筑混凝土結構技術規(guī)程選用，當房屋的高度大于200m時應進行風洞試驗以確定其風荷載。四、荷載與作用2. 水平荷載風荷載*高度大于30m且高寬比大于的高層建筑要考慮風振系數z脈動增大系數，按表5-8確定脈動影響系數，風壓高度變化系數，按表5-9確定第i層標高建筑物總高度*應考慮相鄰建筑間的狹縫效應的影響,具體參見高層建筑混凝土結構技術規(guī)程四、荷載與作用3. 荷載效應組合所考慮的

13、荷載和作用種類設計要求豎向荷載風荷載水平地震作用豎向地震作用非抗震設計抗震設計68度9度或水平長懸臂8度、9度只有當建筑物高度超過60m時，才同時考慮風與地震產生的效應。四、荷載與作用3. 荷載效應組合非抗震設計時永久荷載分項系數：可變荷載控制時，取為；永久荷載控制時，取為；其效應對結構有利時，取為可變荷載分項系數，一般取為組合系數：永久荷載控制時，取為和；可變荷載控制時，取為和或和1.0 ；對書庫、檔案庫、儲藏室、通風機房和電梯機房，取為四、荷載與作用3. 荷載效應組合抗震設計時風載組合系數，取為五、剪力墻結構的設計1. 剪力墻結構的布置*應雙向布置宜拉通對直，避免一個方向剛度很大而另一方向

14、剛度較小*較長的剪力墻可用樓板或弱的連梁分為若干個獨立墻段，每個獨立墻段的總高度與長度之比不宜小于2 *剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明顯的墻肢和連梁，不宜采用錯洞墻。洞口設置應避免墻肢剛度相差懸殊。墻肢截面長度與厚度之比不宜小于3 一般剪力墻結構五、剪力墻結構的設計1. 剪力墻結構的布置*多層大空間剪力墻結構的底層應設落地剪力墻或筒體，在平面為長矩形的建筑中，落地橫向剪力墻的數目與全部橫向剪力墻數目之比非抗震設計時不宜少于30；抗震設防不宜少于50 框支剪力墻結構*底層落地剪力墻和筒體應加厚，并可提高混凝土強度等級以補償底層的剛度。落地剪力墻和筒體的洞口宜布置在墻體的中部 *落地

15、剪力墻的間距l(xiāng)應符合以下規(guī)定：非抗震設計：l3B, l36m 抗震設計：6度、7度時，lB, l30m 8度時，l2B, l24m樓面寬度*框支剪力墻結構框支梁上的一層墻體不宜設邊門洞，不得在中柱上方設門洞 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析各剪力墻間外荷載的分配主要是水平荷載假定樓板的平面內剛度為無窮大，各剪力墻承擔的荷在載與其剛度成正比五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析*作為整截面懸臂構件，按平截面假定計算截面應力分布。同樣用材料力學的方法求位移，只是對有洞口的剪力墻應考慮洞口對位移的增大影響。整截面剪力墻的內力和位移計算不開洞或雖有洞口但孔洞面積與墻面面積之比不大

16、于五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析整體小開口剪力墻的內力和位移計算孔洞面積雖超過墻面面積的16%，但總體來說洞口仍很小接近于整截面剪力墻，墻肢洞口高度方向沒有反彎點出現；截面受力后基本上保持為平面，正應力大體按直線分布，各墻肢中僅有少量的局部彎矩 只要作一些修正，就能利用材料力學的有關公式來進行整體小開口剪力墻的內力和側移計算 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析Ij、Aj組合形心yj墻肢整體小開口剪力墻的內力和位移計算孔洞面積雖超過墻面面積的16%，但總體來說洞口仍很小墻肢彎矩外荷載在計算截面所產生的彎矩整個剪力墻截面對組合形心的慣性矩第j墻肢的截面慣性矩墻肢軸力第j

17、墻肢截面重心至組合截面重心的距離第j墻肢的截面積五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析整體小開口剪力墻的內力和位移計算孔洞面積雖超過墻面面積的16%，但總體來說洞口仍很小Ij、Aj組合形心yj墻肢墻肢剪力外荷載在計算截面所產生的總剪力五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析整體小開口剪力墻的內力和位移計算孔洞面積雖超過墻面面積的16%，但總體來說洞口仍很小Ij、Aj組合形心yj墻肢剪力墻的頂點位移洞口削弱使墻體位移增大而引入的增大系數墻肢截面積之和剪應力分布不均勻系數，矩形截面，T形截面等效剛度五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算開洞面積較大截

18、面的正應力已不成直線分布；墻肢的彎矩圖除在連系梁處有突變外，個別地方還出現了反彎點，此類剪力墻稱為聯肢剪力墻。當開有一排洞口時稱為雙肢剪力墻（簡稱雙肢墻）。開有多排洞口時稱為多肢剪力墻（簡稱多肢墻） 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算以雙肢墻為例將僅在樓層標高處才有的有限連接點（連系梁和墻肢的連接點）看成是在整個高度上連續(xù)分布的無限個連接點，并作如下假定： *忽略連系梁的軸向變形對墻肢水平位移的影響*各墻肢的變形曲線相似 *各連系梁的反彎點位于該梁的跨度中央 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算以雙肢墻為例沿連梁的反彎點

19、處切斷先研究切開處的相容關系五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算切開處的相容關系切開處由于連系梁的彎曲與剪切變形使切口兩邊產生的相對位移為： 連系梁的分布剪力連系梁的截面慣性矩連系梁計算跨度的一半，a=a0+d/4層高連系梁考慮剪切變形的截面慣性矩五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算切開處的相容關系外荷載作用下墻肢產生彎曲和剪切變形，由此引起的連系梁切口兩邊的相對位移 由于墻肢彎曲變形產生的轉角由于墻肢剪切變形產生的轉角墻肢軸線距離的一半五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算切開處的相容關

20、系由于墻肢軸向變形在連系梁切口兩邊產生的相對位移是五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算切開處的相容關系(總位移為0)五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析聯肢剪力墻的內力和位移計算對相容方程微分兩次，并引入1、2和外荷載的關系，得出微分方程：聯肢墻的整體系數，反映了連系梁剛度與墻肢剛度的比值，對雙肢墻有求解微分方程可求得約束彎矩m(x)，從而求得分布剪力q(x)。于是，便可進行墻體的內力和位移計算分析 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析*可將剪力墻視作帶剛域的所謂壁式框架來進行計算 大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算當剪力墻的洞口尺

21、寸很大且連系梁的線剛度接近墻肢的線剛度時，墻肢的彎矩圖除在連系梁處有突變外，幾乎所有的連系梁之間的墻肢都有反彎點出現,節(jié)點剛度大，連梁剪切變形不容忽視。 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算*壁式框架亦可采用D值法進行內力和位移計算，其原理和步驟同普通框架，只是由于剛域的存在以及剪切變形的影響，要對D值和反彎點位置進行一些修正。*求得修正后的D值和反彎點的位置即可采用第四章中類似的方法進行結構分析五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算剛域長度bca1a2db1db2dc1dc2c1c2hb若按上式

22、計算出的剛域長度為負值時，則取為0 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算柱的抗側剛度albll=l-（a+b）llEI剛域應用虛功原理可以推出帶剛域的桿單元的線剛度為： 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算柱的抗側剛度albll=l-（a+b）llEI剛域參照第四章推導得： 層高見教材表5-12五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析柱下端剛域長度與柱高之比 大開口剪力墻（壁式框架）的內力和位移計算柱的抗側剛度hihihc=Eic/hiyhi第四章中定義一般框架的反彎點高度如下式： 上式作

23、一修正得帶剛域柱的反彎點高度 無剛域部分柱長度與柱總高度之比 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析剪力墻分類的實用判別法將聯肢墻的整體系數擴展到多肢墻則有：軸向變形系數，34肢時取，57肢時取為0.85 ，8肢以上時取為孔洞列數反映了連梁和墻肢相對剛度的比值,但單靠該指標還不能確定剪力墻的類型幾乎相同,但剪力墻的類型不同五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻結構的受力分析剪力墻分類的實用判別法引入新的指標剪力墻對組合截面形心的慣性矩 當10，且IA/I時，為整體小開口剪力墻；當10，且IA/I時，為壁式框架；當1.010，且IA/I時，為聯肢墻。 見教材中表5-13五、剪力墻結構的設計2.

24、 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻的配筋形式五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻墻肢的承載力*剪力墻墻肢的正截面承載力分別按偏心受壓或偏心受拉構件進行計算。在集中荷載作用處，尚應進行局部受壓承載力計算。*偏心受壓時，剪力墻墻肢斜截面受剪承載力的設計公式為： 計算剪跨比，=M/Vh0， 取T形I形截面腹板的面積五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻墻肢的承載力*偏心受拉時，剪力墻墻肢斜截面受剪承載力的設計公式為： *剪力墻受剪截面的尺寸應符合下列條件： 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求聯系梁的承載力*剪力墻洞口連系梁正截面可按受彎構件

25、正截面承載力進行計算。 *當連系梁的跨高比大于時，其斜截面受剪承載力的設計公式為： *連系梁的斜截面的尺寸應滿足下列條件： *對跨高比不大于的連系梁，其斜截面的控制條件和承載力的計算方法及構造要求應按專門標準采用。 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻的構造要求材料和截面尺寸*鋼筋混凝土剪力墻的混凝土強度等級不宜低于C20 *墻中的分布鋼筋和箍筋一般采用HPB235級鋼筋，其它鋼筋可用HRB335鋼筋 *鋼筋混凝土剪力墻的厚度不應小于140mm，同時不應小于樓層高度的1/25 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻的構造要求墻肢縱向受力鋼筋*鋼筋混凝土

26、剪力墻按正截面承載力計算集中配置于墻水平截面兩端的縱向受力鋼筋，應位于由箍筋或水平分布鋼筋和拉筋約束的邊緣構件（暗柱）內。 *當按正截面計算不需要配置縱向受力鋼筋時，應在墻水平截面兩端各設置不少于兩根、直徑不小于12mm的豎向構造鋼筋 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求分布鋼筋*鋼筋混凝土剪力墻的水平或豎向分布鋼筋的配筋率sh和sv（ sh、sv分別為豎向和水平分布鋼筋的間距）不應小于。重要部位的剪力墻，其水平和豎向分布鋼筋的配筋率宜適當提高。剪力墻中溫度、收縮應力較大的部位，水平分布鋼筋的配筋率宜適當提高。 *水平和豎向分布鋼筋的直徑不應小于8mm，間距不應大于300mm

27、*承受垂直于墻面的荷載的墻（如地下室）以及厚度大于160mm的重要部位的剪力墻應配置雙排分布鋼筋網。 五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求分布鋼筋五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求分布鋼筋五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻洞口處的處理五、剪力墻結構的設計2. 剪力墻的截面設計與構造要求剪力墻聯系梁的構造六、框架-剪力墻結構設計要點1.框架-剪力墻的結構布置*框架-剪力墻結構應設計為雙向抗側力體系，主體結構不應采用鉸接 *需要抗震設防的框架-剪力墻結構，剪力墻宜雙向布置 *橫向剪力墻宜均勻對稱設置在建筑物的端部附近、樓電梯間、平面形狀變化

28、處及恒載較大的地方 *橫向剪力墻的間距宜滿足教材表513的要求，當剪力墻之間樓面有較大的開洞時，剪力墻的間距應適當減小 六、框架-剪力墻結構設計要點1.框架-剪力墻的結構布置*縱向剪力墻宜布置在單元的中間區(qū)段內，房屋縱向較長時，不宜集中在兩端布置縱向剪力墻 *縱橫向剪力墻宜布置成L型，T型和口字形等 *當剪力墻肢截面長度大于8m時，可用門窗洞口或施工洞形成聯肢墻 *剪力墻的布置不宜過分集中，每道剪力墻承受的水平力不宜超過總水平力40 *剪力墻宜貫通建筑物全高，厚度隨高度逐漸減薄，避免剛度突然變化六、框架-剪力墻結構設計要點1.框架-剪力墻的結構布置*框架剪力墻結構中的樓面結構是框架和剪力墻能協(xié)同工作的基礎，應優(yōu)先采用現澆樓面 *高度不超過50m的框架剪力墻結構若采用裝配式樓面，6、7度抗震設防時，宜每層設現澆面層；8、9度設防時，應每層設現澆面層。面層的厚度不小于40mm，混凝土強度不低于C20，且雙向配置46、200mm300mm的鋼筋網。預制