高層建筑結構概念設計

1、高層建筑結構概念設計第1頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四 第1章 概述1.1 引言設計體制的問題：在建筑設計的方案階段，結構工程師一般不投入工作。某些結構工程師知識結構的問題：注重細節(jié)而忽視總體方案。當前結構設計模式的問題：規(guī)范一體化計算機結構設計程序 結構工程師對結構概念和結構體系不感興趣 ，工作缺乏創(chuàng)造性 限制和約束了業(yè)主所想要的空間形式和功能第2頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四1.2 幫助建筑師開拓空間形式與功能有一定復雜性的工程設計，在建筑方案設計階段，結構工程師的參與是項目設計所必要的知識投入。在此階段，需要結構工程師對結構體系的總

2、體認識，對結構受力和變形特性的整體概念，也需要關于結構設計的經(jīng)驗和判斷力。第3頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例1-1】 芝加哥第一國家銀行大樓業(yè)主向往在大樓整個底部有45層樓高的無柱大空間。結構工程師和建筑師首次慷慨和充分的滿主了銀行家夢寐以求的底部大空間。第4頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例1-2】西爾斯大廈110層、442m高，束筒結構（每個鋼框筒為22.86m22.86m523）結構平面圖見書中圖2-24優(yōu)越性使風荷載的分布趨于合理；滿足了想租用整層樓房，而面積又不太大的客戶要求；提供了523 范圍內無柱子的大空間；平均用鋼量1

3、59.5kg/ 第5頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四建筑結構的設計階段與反饋（書中圖1-4）分階段設計；視方案設計階段的建筑空間形式為總結構體系；重點突出總體系與主要分體系之間的最佳受力特征；在初步設計中重視運用近似計算來確認主要分體系和關鍵構件的截面尺寸（本書第4章、第5章講）；在設計的主要環(huán)節(jié)和各階段之間注重反饋及優(yōu)化。 方案設計階段創(chuàng)造 初步設計階段優(yōu)化改進 施工圖設計階段出成果第6頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例1-3】法蘭克福商業(yè)銀行大樓（61層）招標書中要求：在三角形的建筑平面內，必須有一邊是空中花園，而辦公區(qū)只能在另外兩側，

4、并且在每層辦公區(qū)的任何位置上，辦公人員抬頭就能看見空中花園。建筑師的最初想法：將三角形建筑的正面從下到上全部設計成空中花園，而將兩側面設計成辦公區(qū)，并在大樓的中央設置核心筒。共同合作（有結構工程師參加）的中標方案：在三角形大樓每一側都由6層辦公樓區(qū)后加插一個3層樓凈高的空中花園，大樓3個邊的空中花園按順時針方向往上盤旋錯層相接；取消核心筒，在建筑平面的3個角區(qū)設置角筒作為豎向交通通道。角筒錯層空腹桁架結構體系。初步設計階段的優(yōu)化：8層辦公樓區(qū)加插一個4層樓凈高的空中花園，以改進整體剛度和凈使用面積與總建筑面積的比率。書中圖1-9 結構工程師對設計的態(tài)度及其效果第7頁，共83頁，2022年，5月

5、20日，20點18分，星期四1.3 承載力、剛度、延性為主導的結構概念設計 因而，高層建筑結構的抗側力問題突出水平作用效應結構底部傾覆力矩與其高度的平方成正比結構頂部側移與其高度的4次方成正比第8頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四 過大的側移 對結構造成危害， 影響正常使用過明顯的擺動居住者感覺不舒服抗風要求結構具有一定大的剛度第9頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四抗震結構的剛度不宜過大（剛度大，自振周期小，地震作用大）。理想的抗震、抗風結構： 1、應具有一定大的剛度和必要的承載力，以抵御風荷載和多遇地震； 2、具有多道抗震防線，在結構局部屈服后

6、剛度降低，自振周期增大，地震作用減??； 3、具有足夠的延性耗能能力和良好的變形能力以抵御罕遇地震。第10頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例1-4】尼加拉瓜美洲銀行 由美籍學者林同炎教授于1963年設計，18層、61m高，首開多道防線、剛柔結合的概念設計思想于工程實例之先河。 柔性筒H/b7 4個邊長為4.6m的L形柔性筒（其H/b=13.3）通過每層的連梁組成一個11.6m11.6的正方形核心筒（其H/b5），連梁中部開較大的孔洞。 第11頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四在風荷載和多遇地震下，核心筒具有足夠的剛度和承載力；在罕遇地震下，作為

7、第一道防線的連梁屈服出現(xiàn)塑性鉸，4個L形柔性筒作為獨立的抗震單元，結構剛度降低，自振周期增大，阻尼增加，地震作用減小，結構仍具有預期的受力性能。震后情況：連梁剪切破壞，墻體未見裂縫。 動力分析見書中表1-1。 與尼加拉瓜美洲銀行相距不遠的尼加拉瓜中央銀行（平面布置見書中圖2-7）在此次地震中破壞慘重。第12頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四馬那瓜中央銀行大廈試問：那一幢破壞嚴重呢？馬那瓜美洲銀行大廈第13頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四尚需重視的一些基本原則 1、變復雜為簡單，即使結構的受力與傳力途徑越簡單、越直接明確越好。 2、重視上部結構與

8、其支承結構（構件）整體共同作用。如框支剪力墻的轉換梁及鋼砼高層建筑的箱基與伐基。 3、能夠有效增大高層建筑抗側力能力、而毋需增加更多成本的若干理念。 4、注意豎向構件在建筑物自重作用下的壓縮變形問題。第14頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四1.4 結構設計沒有唯一解 全面、完整的理解規(guī)范在英國規(guī)范前言的最后一行告示：“遵守英國規(guī)范本身，并不意味給予豁免責任。”美國橋梁設計規(guī)范中也明確指出：“本規(guī)范無法取代設計人員所應具有的專業(yè)教育和工程判斷的訓練，所以僅在規(guī)范中規(guī)定了為保證公共安全的最低要求?！毙枰?、完整的理解規(guī)范的兩個例子。第15頁，共83頁，2022年，5月20

9、日，20點18分，星期四【例1-5】關于柱的軸壓比軸壓比的定義： 軸壓比限值的實質是柱子截面在大小偏心受壓界限破壞狀態(tài)下的軸壓比。抗震規(guī)范中所涉及到的影響軸壓比限值的因素： 結構類型、抗震等級、剪跨比、箍筋形式、柱中是否設芯柱。第16頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四影響軸壓比限值的因素還有： 柱周邊縱向鋼筋的配筋率（成正比）； 縱向鋼筋的強度（成反比）； 柱截面形式（我國現(xiàn)行規(guī)范針對矩形截面柱，圓形截面柱的延性好于矩形截面柱）； 砼強度等級（成反比）?？煽紤]適當上調軸壓比限值的情況： 1、考慮 的余值適當提高軸壓比限值； 2、圓形截面可提高510%; 可以進行上調的理

10、由： 1、實際情況； 2、軸壓比限值的規(guī)定為抗震規(guī)范中的非強制性條文第17頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例1-6】關于部分框支抗震墻結構（帶轉換層的高層建筑結構、底部大空間剪力墻結構）規(guī)定條文的對象由于功能要求，一些高層的轉換層設在610層，而“高規(guī)”的相應條文針對的是8度不超過3層、7度不超過5層為部分框支剪力墻的情況，當有高位轉換層而照套規(guī)范條文時，將導致轉換層下部結構偏于不安全。本書也有此方面的論述。第18頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四1.5 運用正確的判斷力把握設計 對待結構設計軟件的態(tài)度【例1-7】在某31層帶轉換層的高層建筑

11、結構（轉換層位于第6層）的分析計算中，各軟件的表現(xiàn)。TBSA程序：將上部框支剪力墻假設為一根薄壁桿件和轉換梁構成點變形協(xié)調，與實際受力情況差別太大，故取跨度為8.7m的轉換梁的截面高度為1.6m竟使梁嚴重超筋。SATWE程序：配筋量偏大且轉換梁內無軸向拉力。若按此配筋，將導致配筋量大且轉換梁跨中附近有可能開裂。平面有限元程序：較符合實際受力情況，配筋量總體上少于SATWE的計算結構。第19頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四在設計顧問有限公司，只能用計算機進行分項荷載的內力分析，其結果經(jīng)上機工程師自校后交項目工程師校審，工程師再用手算進行最不利荷載組合的內力計算和構件截面

12、配筋計算，然后項目工程師終審，再用CAD出圖。我國目前結構設計存在的主要問題：1、盲目信賴和依靠一體化計算機結構設計程序；2、一次性圖形輸入而無復校；3、設計軟件自身存在缺陷；4、尤其是在趕任務時，設計管理與校審制度不嚴。第20頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四第2章 高層建筑結構體系及工程實例梁板水平構件（樓、屋蓋體系，水平分體系） 墻 柱斜撐豎向構件水平構件豎向構件豎向分體系抗側力體系豎向荷載 水平構件 豎向構件 基礎 地基水平荷載 抗側力體系 基礎 地基第21頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四抗側力體系框架剪力墻框架剪力墻或框架筒體框架核心

13、筒框架核心筒伸臂筒中筒束筒巨型框架脊骨結構第22頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.1 框架結構地震區(qū)的框架應設計成延性框架；體型復雜的框架應采用加強措施，并應注意在復雜中尋求規(guī)則（書中圖2-1）；我國最高的鋼砼框架結構為北京的長城飯店，18層，82.85m；由于框架結構的抗側剛度較小，結構高度增加將導致柱子截面過大，按我國高規(guī)、高鋼規(guī)給出的最大適用高度較經(jīng)濟合理。第23頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.2 剪力墻結構現(xiàn)澆剪力墻結構的整體性較好，抗側剛度和承載力大，延性剪力墻抗震性能好（剪力墻的延性不及框架）。剪力墻結構體系中，樓、屋蓋一般

14、不設梁，因而剪力墻的間距不能很大（38m），建筑空間受到限制，適用于住宅、旅館建筑。剪力墻結構墻密集，結構剛度大，基本自振周期小，地震作用大，高度很大的剪力墻結構并不經(jīng)濟。第24頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.3 框架剪力墻（筒體）和框架支撐結構框架剪力墻結構兼有框架結構布置靈活、延性好和剪力墻結構剛度大、承載力高的優(yōu)點；框架的變形為剪切型，剪力墻的變形為彎曲型，兩者協(xié)同工作，總變形為彎剪型，使層間變形沿高度表現(xiàn)均勻；框架剪力墻結構為雙重抗側力體系，剪力墻為第一道抗震防線，框架為第二道抗震防線，結構具有多道抗震防線?？蚣芗袅Y構注意區(qū)別框筒與框筒框架剪力墻結構框

15、架筒體結構第25頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四當高度增至4050層時，多采用框架筒體結構，此時建筑多為塔式。在框架剪力墻結構中，要注意剪力墻的合理數(shù)量。在本結構中，要特別注意剪力墻布置，以免造成較大的偏心?？蚣苤谓Y構主要用于鋼結構，支撐為桁架，桿件軸向受力，可充分發(fā)揮材料的性能。支撐有中心支撐和偏心支撐，抗震結構多采用偏心支撐，并將水平桿件端部處理成耗能梁段。第26頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.4 框架核心筒結構、框架核心筒伸 臂結構框架核心筒結構：框架布置在周邊，筒體布置在中間。其受力與變形特點與框架剪力墻（筒體）結構相同，但高規(guī)

16、將其歸入筒體體系。 框架柱的間距可達9m，外框架與核心筒之間的距離可達10m以上，故可獲得較大的使用空間。當建筑高度較大時，可在沿高度的適當位置設置伸臂，用于加強核心筒與框架的連接，則成為框架核心筒伸臂結構。 采用框架核心筒伸臂結構的有名建筑頗多，如上海金茂大廈、深圳地王大廈及馬來西亞雙塔等。第27頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.5 筒中筒結構外筒的高寬比小，為剪切型變形；內筒的高寬比大，為彎曲型變形。故筒中筒結構也為雙重抗側力體系。值得注意的問題：外筒的剪力滯后現(xiàn)象（書中圖2-19）；樓板的厚度（太薄，不能保證足夠的平面內剛度；太厚，結構自重過大）。筒中筒適用于

17、50層以上的建筑，為20世紀6080年代高層建筑的主要體系，并影響了當時高層建筑的審美觀念當時提出“樸素即為美?！蓖仓型餐馔玻嚎蛲不蜩旒芡矁韧玻簩嵏雇驳?8頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.6 束筒結構束筒結構：兩個或兩個以上的框筒緊靠在一起成“束”狀排列。束筒中，增加了框筒的角柱數(shù)量，可明顯的減少剪力滯后。還可以通過束筒組成較為復雜的建筑平面（書中圖2-25）和建筑造型。著名的采用束筒體系的建筑有芝加哥的西爾斯大廈以及被毀于“9.11”事件的紐約世界貿易中心。我國目前尚未見束筒結構的高層建筑，相關規(guī)范對此也無明確規(guī)定。第29頁，共83頁，2022年，5月20日，2

18、0點18分，星期四2.7 巨型框架結構巨型框架和束筒均可歸為多筒結構。豎向荷載次結構巨型梁巨型柱基礎體系地基水平作用 巨型框架基礎體系地基第30頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四臺北101大樓（101層，屋頂高448m，塔桅頂高508m）采用巨型框架核心筒結構體系。在26層及以下周邊設置8根大箱形鋼柱和12根小箱形鋼柱，從27層開始只剩8根大箱形鋼柱；內筒由16根箱形柱與斜撐形成桁架筒；大致每8層設置1層樓高的巨型梁。為滿主舒適度要求，在8792層之間設置懸掛式重力擺錘；為減小屋頂尖塔的鞭梢效應，在498505m之間設置兩組阻尼塊。第31頁，共83頁，2022年，5月2

19、0日，20點18分，星期四2.8 結構體系的適用范圍書中表2.2列出了各鋼筋砼結構體系的適宜高度范圍。而“抗震規(guī)范”和“混凝土高規(guī)”中適用最大高度是指：規(guī)范或規(guī)程中各項規(guī)定所適用的房屋高度。當所用的結構體系的高度超出規(guī)范或規(guī)程中適用最大高度時，應進行超限審查并采用相應的措施。規(guī)范或規(guī)程中有關高寬比限制的條文是一個經(jīng)驗性的參考規(guī)定，符合高寬比限制要求的建筑比較容易滿足位移限制條件，如能滿足層間位移限值及其他條件，對高寬比可適當放寬。第32頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四2.9 高層建筑抗側力結構體系的發(fā)展和應用結構體系框架剪力墻框架剪力墻（筒體）框架核心筒框架核心筒伸臂

20、框筒實腹筒桁架筒筒中筒束筒多筒巨型結構脊骨結構材料鋼鋼筋砼組合構件混合結構第33頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四1、單種抗側力體系發(fā)展到雙（多）重抗側力體系2、由平面結構向空間結構發(fā)展3、平面桁架與空間桁架的應用4、抗側力結構趨向周邊布置5、創(chuàng)造巨型結構和脊骨結構6、組合構件和混合結構的應用7、高強、輕質材料的應用8、消能減震結構的發(fā)展9、主動控制結構第34頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四第3章 抗側力結構受力、變形特性概念 3.1 雙重抗側力體系的受力和變形性能 單種抗側力體系（靜定或延性差） 一道抗震防線 單種抗側力體系（超靜定且延性較好

21、） 多道抗震防線 雙（多）重抗側力體系第35頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四雙重抗側力體系的特點由兩種受力和變形性能不同的超靜定抗側力結構組成，每種抗側力結構都是具有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接而協(xié)調工作。在地震作用下，當其中一種抗側力結構有所損傷時，另一種抗側力體系能夠承受較大的地震作用，它能夠與損傷的抗側力結構共同或單獨抵抗后期地震。 第36頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.1.1 框架剪力墻（筒體）結構在水平作用下，框架呈剪切型變形，剪力墻呈彎曲型變形，二者協(xié)調工作，整體結構呈彎剪型變形。在上部，框架

22、幫剪力墻；在下部，剪力墻幫框架。需注意，即使是在分布水平荷載作用下，結構頂部框架受正剪力，剪力墻受負剪力。影響框架剪力墻結構變形曲線形狀和框架與剪力墻間內力分配比例的重要參數(shù)是剛度特征值 ， 反映二者的相對剛度。 當 12.4時，二者的相對剛度較為適度。當然，同樣剛度和數(shù)量的剪力墻的布置也需要符合要求。第37頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4種情況 （1）當框架承擔的剪力不小于基底剪力的20或框架最大層剪力的1.5倍（取二者中的較小值）時，可按框架剪力墻結構設計。（2）當剪力墻承擔的基本振型傾覆力矩小于總傾覆力矩的50時，仍屬框架剪力墻結構，但框架部分的抗震等級按純框

23、架結構確定，最大適用高度可比框架結構適當增加。（3）當框架承擔的剪力達不到(1)中的要求時，不考慮框架的作用，按剪力墻結構設計。（4）當結構中的剪力墻數(shù)量很少時，應按框架結構設計，但需要注意剪力墻對框架上部的不利影響。 （1）、（2）為雙重抗側力體系； （3）、（4）為非雙重抗側力體系。第38頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四筒中筒與框架核心筒書中表31為筒中筒結構與框架核心筒結構（無樓板大梁）抗側剛度比較，可見，筒中筒結構的抗側剛度是框架核心筒抗側剛度的3倍以上。書表中32為筒中筒結構與框架核心筒結構（無樓板大梁）內力分配比較：在筒中筒結構中，實腹筒分配72.6%的基

24、底剪力，周邊框架分配66.0的傾覆力矩；而在框架核心筒中，周邊框架分配的基底剪力和傾覆力矩均較小。筒中筒結構無疑屬雙重抗側力體系；而對于框架核心筒結構，需將外框架抵抗的剪力調整增大到0.2 與1.5 的較小值。增加框架核心筒結構抗側剛度的有效方法是設連接外柱與內筒的大梁，但將降低房間的凈高。第39頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.1.3 混合的框架核心筒結構我國“高規(guī)”的混合結構：鋼框架鋼筋砼筒體、鋼骨砼柱鋼筋砼筒體，此外還有鋼管砼柱鋼筋砼筒體?！案咭?guī)”對其提出了外框架承擔的剪力不能小于0.25 與1.8 較小值的規(guī)定，以保證其為雙重抗側力體系。書中圖3-10為鋼框

25、架鋼筋砼核心筒典型結構剪力分配及調整分析。如各層剪力均按0.25 取值，上部各層增加太多而沒有必要；如層剪力均取1.8 ，設計剪力有可能不到總剪力的10。因此，書中建議：第40頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四（1）8度區(qū)，各層框架的層剪力取0.25 ， 為該層的層剪力。（2）6度區(qū)和非地震區(qū)，可以按非雙重抗側力體系設計，內筒按承擔100的層剪力設計，外框架可取0.10.15 。（3）對于鋼框架鋼筋砼核心筒結構，由于：周邊鋼框架的抗側、抗扭剛度小；鋼框架與鋼筋砼內筒之間徐變性能的差別，當高度很大時，產生明顯的豎向變形差，故應注意建筑高度不能太大。（4）當剪力調整的幅度較

26、大，需增大鋼柱截面而導致不經(jīng)濟時，可采用鋼骨砼土或鋼管砼柱框架。（5）當建筑較高或抗震設防烈度較高時，可采用鋼骨砼核心筒，以改善內筒的延性。第41頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.2框架核心筒結構與板柱筒體結構的區(qū)別在受力與變形性能上： 框架核心筒為雙重抗側力體系； 板柱剪力墻（筒體）中的板柱結構屬弱框架，板柱剪力墻（筒體）為非雙重抗側力體系。在形式上： 板柱筒體結構中無梁樓蓋的面積較大，無梁柱較多； 而框架核心筒結構中的無梁柱少（書中圖311b中只有4根），也可能沒有無梁柱（如書中圖35b）。第42頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.3

27、框架核心筒伸臂結構受力和變形性能框架核心筒伸臂結構：在框架核心筒結構中的某一層或幾層設置連接內筒與外柱的伸臂，以增強結構的抗側剛度。伸臂使外柱產生更大的內力而使內筒彎矩減少，增強了結構的剛度（書中圖313）。伸臂相當于有梁板體系框架核心筒中的梁集中設置在結構的一層或幾層，但設置伸臂梁在其所在層附近引起豎向構件的內力突變。而在有梁板體系框架核心筒中，設置伸臂的作用并不明顯。第43頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四設伸臂的優(yōu)點：增大框架中間柱軸力、增加剛度減少側移、減少內筒彎矩 設伸臂的缺點：伸臂所在層的上下相鄰層的柱子內力突變，柱易出現(xiàn)塑性鉸 非地震區(qū)利大于弊；地震區(qū)，須

28、慎重考慮 第44頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4 加強層的概念 1、伸臂加強構件 2、環(huán)向構件 3、腰桁架和帽桁架 加強層：以上三種加強構件的一種或一種以 上所在的層位。第45頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4.1 伸臂設置的位置和數(shù)量（1）當只設一道伸臂時，最佳位置在距底部固定端以上（0.600.67）H之間。（2）設兩道伸臂的效果優(yōu)于一道伸臂，如果一道設置在0.7H以上，則另一道應設置在0.5H處。（3） 多道伸臂可沿高度均勻設置，設置多道伸臂時，會進一步減小位移，但位移減小量并不與伸臂數(shù)量成正比；設置的伸臂多于4道時，減少側移

29、的效果基本穩(wěn)定，但可降低內力突變。 第46頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4.2 設置伸臂的效果和概念（1）在筒中筒結構中，伸臂的作用與密柱深梁的空間作用重復，設置伸臂的作用較小，反而引起柱子內力突變，因此一般不設伸臂。（2）在框架核心筒結構中，當為非地震區(qū)或烈度不高的地震區(qū)，用設置伸臂減小風荷載下的位移是較好的方案選擇；在中等或強烈度區(qū)，如層間位移滿足要求，則不設伸臂，如不滿足要求，應慎重選擇伸臂的剛度和數(shù)量。（3）設置伸臂的方案：設置一道剛度不太大的伸臂；設置數(shù)道剛度不大的伸臂；每層設置剛度較大的樓板大梁。以上方案應根據(jù)具體情況經(jīng)方案比較確定。第47頁，共83

30、頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4.3 伸臂的結構形式和連接伸臂的結構形式：實腹梁、桁架、空腹桁架，通常一層高?？紤]建筑和施工因素 放在設備層或避難層 布置通道 便于安裝 以鋼桁架為優(yōu) 考慮到施工中外柱與內筒的豎向變形差，伸臂應一端固接于豎向構件；另一端與豎向構件臨時固定或采用橢圓孔連接，整個結構施工完成后再固定。第48頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4.4 環(huán)向構件環(huán)向構件：沿結構周圍布置一層樓（或兩層樓）高的桁架，一般高層結構布置一道，如果結構很高，也可布置兩道或三道。環(huán)向構件常與伸臂或腰桁架集中于加強層，而加強層又與設備層、避難層結合在一

31、起，需要對外開敞，故環(huán)向構件多采用桁架。環(huán)向構件的基本作用是協(xié)調沿周圍豎向構件的變形，減小豎向變形差。對于框筒，環(huán)向桁架可減少剪力滯后現(xiàn)象，因此在筒中筒和束筒結構中，通常設置環(huán)向桁架而不設伸臂。在框架核心筒結構中，其減少側移的作用不如伸臂直接，通常不設環(huán)向桁架（也有設置的情況，如書中圖319a）。在框架核心筒伸臂結構中，環(huán)向桁架常與伸臂結合以使柱子軸力均勻，且可減少伸臂的剛度。第49頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.4.5 帽桁架和腰桁架為設置在內筒與外柱之間的剛度很大的桁架，其主要作用是減少內筒與外柱之間的豎向變形差。在3040層的結構中，一般在頂層設置一道桁架，

32、稱其為帽桁架；當結構高度很大時，也可同時在中間某層設置，稱其為腰桁架。帽桁架、腰桁架和伸臂的形式以及布置方式都相同，但主要作用不同，設計時，可考慮將二者相結合。第50頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.5 筒中筒與框架核心筒、框架核心筒 伸臂結構設計概念的比較 書中表36對筒中筒結構與框架核心筒結構的設計要點進行了比較。筒中筒結構的抗側、抗扭剛度很大，但對其結構布置限制得較嚴格。而框架核心筒結構的布置限制得相對寬松，寬松并不意味著好把握，因此，對框架核心筒結構的設計中應注意的一些問題予以總結：第51頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四 （1）框架

33、核心筒外框架各構件的截面不宜過小，以保證外框架承受剪力的能力，而使框架核心筒成為雙重抗側力體系。對采用混合結構的框架鋼筋砼核心筒結構，當非抗震和6度抗震時，可采用鋼框架并按單筒結構設計；當為中等烈度和高烈度時，外框架采用鋼骨砼或鋼管砼柱較容易達到雙重抗側力體系的要求。 （2）框架核心筒結構的設計應注意提高其抗扭能力（抗扭剛度和抗扭承載力）。 （3）為保證框架核心筒中核心筒的延性，核心筒可以開洞，并按強墻弱梁的原則設計墻肢，增加墻肢截面約束邊緣構件的設置范圍。在對核心筒延性要求較高的情況下，可在核心筒縱橫相交處設置豎向鋼骨，在樓板標高處設置鋼骨暗梁，在連梁中設置配筋交叉斜撐或采用鋼連梁、鋼骨連梁

34、。第52頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四（4）框架核心筒結構的樓板內可以布置大梁，也可不布置大梁，但周邊柱與梁必須剛接成框架。（5）框架核心筒伸臂結構中，要求伸臂在平面上對稱布置，一般情況下兩個方向同時布置，但有時也可只有一個方向布置伸臂。（6）伸臂必須與同方向的剪力墻對齊（即布置在兩個方向剪力墻的交匯處），以便剪力墻承受伸臂傳來的彎矩和剪力。伸臂宜布置在減小位移有效的樓層，并與設備層、避難層等結合。第53頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.6框架和框筒結構的轉接層（柱位的變化）上下柱在同一平面內：實腹梁、桁架、拱 上下柱不在同一平面內：實腹

35、梁、桁架、斜撐 轉換第54頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.7 底部大空間剪力墻結構的設計概念和轉 換層底部大空間剪力墻結構 落地剪力墻框支剪力墻 框支柱 框支墻 上部墻體轉換層（取一層剪力墻高度，內力傳遞范圍不局限于這一層) 壓應力分布區(qū)（拱）拉桿（托梁） 按承載力：弱層、薄弱層 按剛度：柔層、軟弱層薄弱層 框支剪力墻的框支層為軟弱層，在大地震中破壞嚴重。第55頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四3.7.2 底部大空間剪力墻結構的設計概念（1）加強框支層剛度（詳見“高規(guī)”附錄E）。（2）提高框支層構件的承載力，避免出現(xiàn)薄弱層（詳見“高規(guī)”第1

36、0.2條）。3.7.3 轉換構件托梁截面高度較小時采用框支柱上一部分剪力墻（加厚） 截面高度較大時（重量不宜過大，墻體破壞機制） 箱形結構厚板 空腹桁架（優(yōu)先考慮） 書中95頁的實例值得一看。第56頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四關于剪力墻結構的高位轉換屬超限高層結構，應進行超限審查。 結構布置：加強轉換層以下結構剛度； 減小轉換層上部結構的重量和剛度結構分析：屬復雜結構，應采用不少于兩個不 同的力學模型并選用相應的計算軟 件進行多遇地震作用下的分析，還 應進行罕遇地震下的彈塑性變形分 析； 不要忽視高振型的影響。注意優(yōu)化調整 第57頁，共83頁，2022年，5月20

37、日，20點18分，星期四3.8短肢剪力墻較多的剪力墻結構的設計概念短肢剪力墻：hw/bw=58注意區(qū)別下列情況：（1）連梁的跨高比不大的聯(lián)肢墻中的短墻肢不屬于短肢剪力墻；（2）L形截面或T形截面中一個方向的墻hw/bw8時，也不屬于短肢剪力墻。 當短肢剪力墻較多時（其承受豎向荷載的面積達到樓層面積的4050以上），結構潛在危險有兩方面：當井筒出現(xiàn)問題后，短肢剪力墻可能隨之破壞；當短肢剪力墻進入彈塑性階段，若其抵抗豎向荷載的能力失效且其承載面積較大時，有可能引起樓板連續(xù)倒塌。 短肢剪力墻的加強措施：書中第100頁。 第58頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四第4章 樓蓋體系

38、的方案選擇與整體初步設計4-1概述 樓蓋體系（水平結構分體系）的基本作用垂直方向：抗彎構件（承受樓、屋 面荷載）水平方向：隔板作用（連接豎向構 件）高層建筑結構樓蓋體系設計 需側重考慮的 問題 樓、屋面梁的高度樓蓋體系的自重 抗傾覆力矩問題 大跨度時用鋼桁架而不用實腹梁 第59頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四平板（無梁樓板）體系梁板體系主次梁體系雙向密肋或井字梁體系空間桁架體系水平分體系的分類 第60頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4.2 平板體系 對于層數(shù)較多的高層建筑，在既可以采用平板體系也可以采用梁板體系的情況下，應優(yōu)先考慮采用平板體系

39、。如一幢40層的高層建筑，在獲得相同樓層凈高的條件下，采用平板體系可較采用梁板體系的總高度降低12m左右，這可以明顯降低水平作用對結構的影響，或可以再增建34個樓層?？傊?jīng)濟效益顯著。平板體系的適用跨度和板厚 平板類型鋼筋砼平板預應力砼平板跨度（m）4.57.27.213.5跨高比303645需設平托板的跨度（m）610.5第61頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四【例41】預應力砼平板的初步設計荷載平衡法：由林同炎教授于1963年提出，其基本思路是用預應力產生的等效荷載部分或全部平衡構件或結構所受的豎向荷載。預應力引起的等效荷載第62頁，共83頁，2022年，5月20

40、日，20點18分，星期四本例平衡平板的全部恒荷載，即取 則 每m寬板帶需3255/9362（kN） 每m寬板帶需1860級無粘結預應力筋的根數(shù)：第63頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四無粘結預應力的布置形式（a）75布置在柱上板帶，25布置在跨中板帶；（b）一向為帶狀集中布置，另一向均布；（c）雙向均集中通過柱子布置；（d）一向按圖（a）布筋，另一向均勻布筋第64頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4.3梁板體系單向板梁樓蓋書中表41分析了不同跨度長寬比的四邊支承板雙向受力狀況，提出當跨度長寬比大于或等于1.5的梁板結構可按單向板梁設計（與砼規(guī)范有

41、出入）。提出當L2/L11.5時，在豎向構件已滿足設計要求的情況下可取消短跨梁，有舊金山灣區(qū)坎那雷停車場實例。對連續(xù)多跨的等柱間距的框架梁，在豎向均布荷載作用下的最大正彎矩出現(xiàn)在邊跨，最大負彎矩位于第一內柱的梁端，而邊柱內側梁端的負彎矩最小。從占用結構空間高度小和有較好的延性的角度出發(fā)，可采用寬扁梁。 第65頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四雙向板梁樓蓋初步設計時可假設每個方向的梁大約承擔該方向總彎矩的2/3，而該方向的跨中2/3板帶約承擔總彎矩的1/3。還應該注意梁和板的剛度比對內彎矩的影響：隨著K的減小，跨中板帶的負彎矩會隨之減小，而正彎矩則會隨之增大；同時，邊緣板

42、帶的正、負彎矩也都從剛性邊支承情況下的零彎矩值迅速加大。 梁截面寬度 梁截面高度 板的凈跨 板厚 第66頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四現(xiàn)澆梁板共同作用的設計概念1、彈性受力分析時框架梁的合理截面形式 此問題在規(guī)范和設計軟件中已有所考慮。2、梁端負彎矩鋼筋的合理分布 在設計時，一般不考慮框架梁翼緣板內與梁肋平行的上、下層鋼筋共同參與梁正截面抗彎承載力的作用。這樣不僅多用鋼筋，也容易形成“強梁弱柱”現(xiàn)象。美國ACI318規(guī)范規(guī)定：應將計算所需的負彎矩受拉鋼筋的一部分配置在梁的有效翼緣寬度或框架梁跨度的1/10梁側寬度范圍內。第67頁，共83頁，2022年，5月20日，2

43、0點18分，星期四4.4 主次梁體系主次梁體系的優(yōu)點： （1）樓蓋平均折算厚度小，重量輕（與雙向密肋體系相當）。 （2）開間大：經(jīng)濟適用跨度（912）m（13.518）m；若有一個方向具有滿足抗彎和抗扭條件的邊梁，與其正交方向的跨度可以做到2136m。 （3）承載力高。 （4）采用主次梁樓蓋體系的框架結構整體剛度大。 （5）結構受力清楚。第68頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四柱網(wǎng)宜設計成矩形，以短跨為主梁，長跨為次梁，主、次梁跨度比取0.650.70，這樣易做到梁底平齊，以保證樓蓋的結構高度為最小。在次梁方向與柱子相連的框架梁采用次梁的截面尺寸即可。4.4.1 柱網(wǎng)與

44、主、次梁的合理布局第69頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4.4.2 邊跨的合理設計前已敘及，在豎向荷載作用下，多跨框架的邊框架梁的內力最大，若改變這種狀況，可采取如下方法： 1、有意識的將邊跨的跨度設計成比內跨的跨度小1520； 2、如果要求必須連續(xù)等跨，可在邊跨兩端增設一定長度的懸臂以減小邊跨跨內的正彎距，懸臂的理論最優(yōu)長度為0.4L。第70頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4.4.3 單向密肋主次梁體的一種特殊形式單向密肋樓蓋的應用實例（書中圖419）。一個方向的跨度可以達2136m甚至更大。如建筑空間允許，可將單向密肋樓板設計成預制寬緣單

45、T板（書中圖420）。要求邊支承梁具有較大抗彎和抗扭剛度，梁寬可采用包柱式。建議在邊支承框架梁的截面核心區(qū)內施加不小于0.9N/mm2的有效預應力。第71頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四4.5 雙向密肋體系本書中的雙向密肋體系：整個樓蓋體系的梁截面高度相同，整個樓蓋作為雙向密肋體系。 經(jīng)濟適用跨度：鋼筋砼雙向密肋，912m； 預應力砼雙向密肋，1221m。雙向密肋體系的優(yōu)點： 1、其經(jīng)濟適用跨度在四種樓蓋體系（平板體系、梁板體系、主次梁體系與雙向密肋體系）中最大。 2、平均砼折算厚度最小。 3、結構本身美觀性好，可不吊頂。 第72頁，共83頁，2022年，5月20日，20點18分，星期四設計要點： 1、柱網(wǎng)開間最好接近方形； 2、當每跨在單向被分隔成5格或以上時，雙向密肋樓