多層及高層房屋結構

建筑鋼結構設計第四章多層及高層房屋鋼結構目錄多、高層房屋結構的組成1樓蓋的布置方案和設計3柱和支撐的設計4結構的分析和設計計算24.1多、高層房屋結構的組成4.1.1多高層房屋結構的類別在多、高層建筑中，側向荷載效應的影響處于突出地位，抗側力結構體系的確定和設計極其關鍵。主要結構體系有：框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、框架—筒體結構、筒體結構（筒中筒、束筒體系）。結構側向位移模式：剪切型和彎曲型。4.1多、高層房屋結構的組成一、框架結構體系指沿房屋的縱向和橫向，均采用框架作為承重和抵抗側力的主要構件所形成的結構體系。優(yōu)點：建筑平面布置靈活；各部分剛度比較均勻；延性較大，自振周期較長。但側移剛度相對較小，房屋高度不宜過高側向為剪切變形模式?？蚣芙Y構組成：由梁、柱、節(jié)點及基礎組成，節(jié)點構造十分重要。4.1多、高層房屋結構的組成二、框架—剪力墻結構體系指在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻作為抗側力結構所組成的結構體系。優(yōu)點：結構具有較大的剛度；平面布置靈活、使用方便。分為：鋼筋砼剪力墻、鋼筋砼帶縫剪力墻和鋼板剪力墻。剪力墻4.1多、高層房屋結構的組成上海明天廣場60層，238m，最高的框架—剪力墻結構，98年建成?？蚣埽袅Y構適用范圍：15～25層，高寬比H/B不宜大于4-54.1多、高層房屋結構的組成三、框架—支撐結構體系指由豎向或橫向布置的支撐桁架結構和框架構成。特點：框架與支撐系統(tǒng)協(xié)同工作，豎向支撐桁架起剪力墻作用，承擔大部分水平剪力。

根據(jù)房屋高度及其所受水平力的不同，筒體體系可以布置成核心筒結構、框筒結構、筒中筒結構、框架-核心筒結構、成束筒結構和多重筒結構等形式。4.1多、高層房屋結構的組成四、框架—核心筒結構體系將框架—支撐結構體系中的各片豎向支撐沿核心區(qū)的周邊布置或?qū)⒖蚣堋袅Y構設置于內(nèi)筒的四周，形成封閉的核心筒體，外圍鋼框架柱形成框架體系。

特點：核心筒承擔全部或大部分水平力及扭轉(zhuǎn)力。它的空間受力性能，在水平力作用下具有更大的抗側剛度和承載力，并具有很好的抗扭剛度。應用于層數(shù)較多的高層建筑中。剪力滯后造成角柱的軸力過大，兩個措施：控制框筒平面的長寬比加大框筒梁和柱的線剛度之比

適用的建筑高度可超過90層框筒結構1.框架形成的筒體結構，內(nèi)筒及其它豎向構件主要承受側向荷載，外層框架主要承受豎向荷載

剛性樓面結構作為框筒的橫隔

補充：框筒結構在水平荷載作用下，腹板承擔絕大部分剪力而翼緣框架承擔絕大部分彎矩，它們之間通過框筒束聯(lián)系，如果角柱很弱，則達不到上述效果。角柱處軸向變形為最大，離角柱越遠的各柱軸向變形為最小，這種現(xiàn)象稱為剪力滯后。如忽略剪力滯效應的影響，就會低估箱梁腹板和翼板交接處的撓度和應力，從而導致不安全。在框剪結構中，形成筒體的構面內(nèi)存在的剪切變形，即為剪力滯后。簡單的說，墻體上開洞形成的空腹筒體又稱框筒，開洞以后，由于橫梁變形使剪力傳遞存在滯后現(xiàn)象，使柱中正應力分布呈拋物線狀，稱為剪力滯后現(xiàn)象。

剪力滯后（ShearLag）措施：1、采取“密柱深梁”，2、在單筒內(nèi)加“隔壁”，也就是化單筒為筒束，可明顯減小剪力后滯顯現(xiàn)。3、筒體截面接近正多邊型，或圓型，剪滯現(xiàn)象就弱些。4.1多、高層房屋結構的組成五、筒體結構體系由內(nèi)外兩個筒體，或多個筒體結構組合而成，共同抵抗水平力。（筒中筒、束筒體系）特點：內(nèi)、外框筒通過各層樓蓋的聯(lián)系，共同承擔在風、地震等水平荷載作用下，整個結構的水平剪力和傾覆力矩。減緩框筒結構的剪力滯后效應密柱深梁或鋼筋混凝土內(nèi)筒2、紐約世界貿(mào)易中心大樓(WorldTradeCenterTowers)1972年建造，110層，高402m，鋼結構紐約世界貿(mào)易中心：大樓于1966年開工，歷時7年，1973年竣工以后，以411米的高度作為110層的摩天巨人而載入史冊。它是由5幢建筑物組成的綜合體。其主樓呈雙塔形，塔柱邊寬63.5米。大樓采用鋼結構，用鋼7萬8千噸，樓的外圍有密置的鋼柱，墻面由鋁板和玻璃窗組成，有“世界之窗”之稱。世界貿(mào)易中心（WorldTradeCenter，1973年—2001年9月11日）在紐約曼哈頓島西南端，為美國紐約的地標之一，西臨哈德遜河。2001年9月11日發(fā)生的9·11事件中倒塌。由兩座并立的塔式摩天樓、4幢7層辦公樓和1幢22層的旅館組成，建于1962—1976年。業(yè)主是紐約州和新澤西州的港務局。設計人是美籍日裔建筑師M·雅馬薩基（MinoruYamasaki，日本名為山崎實）。世界貿(mào)易中心曾為世界上最高的雙塔，紐約市的標志性建筑，也曾是世界上最高的建筑物之一。

2001年9月11日，被恐怖分子劫持的兩架飛機先后撞向世貿(mào)中心的雙塔樓，由于撞擊引起大火，雙塔樓在間隔幾十分鐘內(nèi)相繼倒塌。

撞機倒塌瞬間六、束筒結構

由各筒體之間共用筒壁的一束筒狀結構組成(減緩框筒結構的剪力滯后效應)

可較靈活地組成平面形式鋼筋混凝土筒體(常作為內(nèi)筒出現(xiàn))

可將各筒體在不同的高度中止密柱深梁的鋼結構筒體筒體110層，高443米，于1973年竣工，鋼結構3、美國西爾斯大廈4.1多、高層房屋結構的組成適用高度

JGJ99-98)依據(jù)地震設防烈度劃分：其他形式：芯筒體系(懸掛結構)：設置一些帽桁架和腰桁架的水平桁架加支撐的外圍框架作為框筒大廈高310m，70層，平面尺寸52m×52m；樓頂傾斜，整個建筑像一個富有變化的多面體。結構采用4角12層高的巨形鋼柱支撐，斜撐采用鋼—混凝土，室內(nèi)無一根柱子。香港中國銀行大廈工程實例

1、世僑中心

世僑中心處于鷺江道與小學路交會處，項目占地面積3648.71平方米，建筑總高度112.6米，地下室4層，以“國際·現(xiàn)代·智慧·低碳”為特色，旨在打造城市地標性5A甲級寫字樓。

塔樓的抗側力體系采用筒中筒結構，即外圍的蜂窩形鋼網(wǎng)格筒與內(nèi)部鋼框架支撐筒為全鋼結構體系，結構延性好，重量輕。該項目是思明區(qū)重點工程。項目預計2014年5月6日投入使用，“但我們有信心提前完成”。

非抗震設防的多層(12層)鋼結構房屋形式：純采用框架結構或斜撐(或剪力墻)體系

斜撐體系梁和柱的連接都可做成鉸支即柔性連接

抗震設防的多高層鋼結構房屋形式：中心支撐體系，不超過12層偏心支撐體系，超過12層4.1多、高層房屋結構的組成4.1.2結構布置提要一、平面布置建筑平面及體型宜簡單、規(guī)則。平面布置，應力求使結構的抗側力剛度中心與水平荷載合力中心重合，以減小結構受扭轉(zhuǎn)的影響。結構平面布置不宜使鋼柱截面尺寸過大，鋼板厚度不宜超過100mm。剛度中心是在不考慮扭轉(zhuǎn)情況下各抗側力單元層剪力的合力中心，是指結構抗側力構件的中心。二、

結構布置提要光滑曲線構成的凸平面形式：風載體型系數(shù)小

平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心；

平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長。采用中心對稱或雙軸對稱的平面形式：減小或避免在風荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動平面尺寸關系：平面不規(guī)則結構

結構平面形狀有凹角，凹角的伸出部分在一個方向的尺度，超過該方向建筑總尺寸的25%；樓面不連續(xù)或剛度突變，包括開洞面積超過該層總面積的50%；抗水平力構件既不平行又不對稱于側力體系的兩個互相垂直的主軸。

一般不宜設置防震縫（高層建筑宜調(diào)整平面形狀和結構布置，采取構造措施和施工措施，盡量不設縫或少設縫；需要設縫時，必須保證必要的縫寬以防止震害。）

4.1多、高層房屋結構的組成結構豎向布置

1.結構各層的抗側力剛度中心與水平合力中心接近重合;2.各層的剛度中心應接近在同一豎直線上;3.高寬比（GB50011）豎向布置的不規(guī)則結構

樓層剛度小于其相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低超過50%；相鄰樓層質(zhì)量之比超過1.5(建筑為輕屋蓋時，頂層除外)；立面收進尺寸的比例為L1/L<0.75(圖4.7)；豎向抗側力構件不連續(xù)；任一樓層抗側力構件的總受剪承載力，小于其相鄰上層的80%。4.1多、高層房屋結構的組成基礎

宜設地下室抗震設防基礎埋深宜一致,不宜采用局部地下室基礎埋深，天然地基不宜小于H/15，樁基時不宜小于H/20采用鋼筋混凝土剪力墻或框剪結構型式設置鋼骨(型鋼)混凝土的過渡層，一般為23層

4.1多、高層房屋結構的組成三、結構布置的其它要求宜采用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板；高層建筑基礎宜設置地下室。暴露在室外的鋼結構構件，應采取隔熱和防火措施，以減少溫度應力的影響。一、

樓蓋布置原則樓蓋結構作用直接承受豎向荷載并將其傳遞給豎向構件

;橫隔作用

方案選擇要求建筑設計(具有隔聲、防水防潮、防火、保溫隔熱等性能);較小自重;便于施工;足夠的整體強度和剛度。4.2樓蓋的布置方案和設計樓蓋結構組成：樓板和梁系樓板

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板、預制樓板、壓型鋼板組合樓板用于多、高層建筑的樓板

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板預制樓板壓型鋼板組合樓板衛(wèi)生間開洞較多處高度不大且無地震設防的建筑（較少采用）應與鋼梁可靠連接，且在板上澆注剛性面層預制樓板通過其底面四角的預埋件與鋼梁焊接

1）焊腳高度不應小于6mm2）焊縫長度不應小于80mm板縫的灌縫構造宜一律按抗震設防要求進行。必要時可在板縫間的梁上設抗剪件(如抗剪栓等)多用于工業(yè)建筑2.

梁系由主梁和次梁組成結構體系包含框架時，一般以框架梁為主梁，次梁以主梁為支承4.3樓蓋的布置方案和設計

4.3.1樓蓋布置原則和方案用于多、高層建筑的樓板有：現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，預制樓板以及壓型鋼板組合樓板等。梁系由主梁和次梁組成。結構一般以框架梁為主梁，主梁通常采用等間距設置。次梁以主梁為支承，可采取等跨等間距次梁或等跨不等間距次梁，間距小于主梁。4.3樓蓋的布置方案和設計

梁系的布置還要考慮：1.鋼梁的間距要與上覆樓板類型相協(xié)調(diào)；2.鋼梁將豎向抗側力構件連成整體，形成空間體系；3.豎向構件縱橫兩個方向均應有主梁與之相連，保證兩個方向長細比接近。4.外層豎向構件應具有較大的豎向荷載，滿足抗傾覆要求。梁系布置時考慮的因素鋼梁的間距要與上覆樓板類型相協(xié)調(diào)，盡量取樓板經(jīng)濟跨度以內(nèi)；（壓型鋼板組合樓板取2～3m）主梁應與豎向抗側力構件直接相連；（充分發(fā)揮整體空間作用）豎向構件縱橫兩個方向均應有主梁與之相連，以保證兩個方向的長細比不致相差懸殊；梁系布置應能使盡量多的樓面重力荷載份額傳遞到豎向構件；（如，設置斜向主梁）為減小樓蓋結構的高度，主次梁通常不采取疊接方式。主梁和次梁的連接宜采用簡支連接；（其傳遞荷載為次梁的梁端剪力，并考慮連接的偏心引起的附加彎矩，可不考慮主梁扭轉(zhuǎn)）必要時也可采用剛性連接。

主次梁連接（一）簡支連接實例主梁與次梁的鉸接連接主次梁連（二）剛性連接二、壓型鋼板組合樓蓋的設計

壓型鋼板混凝土組合樓板是將壓型鋼板鋪設在鋼梁上，在壓型鋼板和鋼梁翼緣板之間用圓柱頭焊釘進行穿透焊接，壓型鋼板即可作為澆筑混凝土時的永久性模板，也可作為混凝土板下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作。優(yōu)點：

（1）合理設計后，可不設施工專業(yè)的模板系統(tǒng)，加快施工進度（2）壓型鋼板的凹槽內(nèi)可鋪設管線，吊頂方便。（3）壓型鋼板便于運輸、堆放，安裝方便。（4）增強鋼梁側向穩(wěn)定性作用，在組合樓板中壓型鋼板可以作受拉鋼筋使用。

組合樓板中考慮混凝土樓板與鋼梁共同工作，同時鋼梁的剛度也有了提高，為保證壓型鋼板和混凝土疊合面之間的剪力傳遞，須在壓型鋼板上增加縱向波槽、壓痕或橫向抗剪鋼筋等。壓型鋼板組合樓板：這種組合體系是利用凹凸相間的壓型薄鋼板作襯板與現(xiàn)澆混凝土澆筑在一起而形成的鋼襯板組合樓板，既提高了樓板的強度和剛度，又加快了施工進度。近年來主要用于大空間、高層民用建筑和大跨度工業(yè)廠房中。依靠壓型鋼板上的壓痕，開的小洞或沖成的不閉合孔眼壓行鋼板與混凝土的的聯(lián)結方式1、布置方式：

組合樓板一般以板肋平行于主梁的方式布置于次梁上，不設次梁時以板肋垂直于主梁的方式布置于主梁上。鋼梁上翼緣通長設置抗剪連接件(宜采用栓釘，也可采用槽鋼、彎筋)傳遞水平剪力?？辜羲ㄡ?shù)牟贾?/p>

抗剪栓釘?shù)牟贾每辜羲ㄡ攭盒弯摪迮c抗剪栓釘?shù)倪B接壓型鋼板與抗剪栓釘?shù)倪B接2、栓釘受剪承載力設計值

位于連續(xù)梁中間支座上負彎矩段時，取折減系數(shù)0.9；位于懸臂梁負彎矩段時，取折減系數(shù)0.8說明：梁負彎矩區(qū)的焊接栓釘，周圍混凝土對其約束的程度不如受壓區(qū)，受剪承載力設計值應予折減混凝土板和梁翼緣之間有壓型鋼板時，Nvc還需要再折減：壓型鋼板肋與鋼梁平行時

壓型鋼板肋與鋼梁垂直時

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85.020ηhhhbnpps￡1.0-′=h組合樓板組合板非組合板考慮壓型鋼板對組合樓板承載力的貢獻一般形式組合梁壓型鋼板組合梁組合梁預制鋼筋混凝土板組合梁壓型鋼板組合樓板3、

組合樓板的設計組合樓板設計時的基本原則組合樓板的設計考慮兩個受力階段：1)施工階段:對作為澆注混凝土底模的壓型鋼板進行強度和變形驗算。2)使用階段:對于非組合板，壓型鋼板僅作為模板使用；驗算組合板在永久荷載和使用階段的可變荷載作用下的強度和變形。施工階段力學模型的說明強邊方向(順肋)弱邊方向?qū)嵸|(zhì)上是壓型鋼板的計算只考慮荷載沿強邊方向傳遞(單向板)

(因強邊方向的截面剛度遠大于弱邊方向)組合樓板使用階段的設計非組合板:按常規(guī)鋼筋混凝土樓板設計,應在壓型鋼板波槽內(nèi)設置鋼筋，并進行相應計算.組合板:

永久荷載+使用階段可變荷載變形驗算承載力驗算單向彎曲簡支板雙向彎曲板或單向彎曲板正截面抗彎承載力、抗沖剪承載力、斜截面抗剪承載力1、用于組合板的壓型鋼板凈厚度(不包括鍍鋅層或飾面層厚度)不應小于0.75mm，僅作模板的壓型鋼板厚度不小于0.5mm。4、組合梁和組合板的構造要求2、組合板在下列情況之一時應配置鋼筋：為組合板提供儲備承載力的附加抗拉鋼筋；在連續(xù)組合板或懸臂組合板的負彎矩區(qū)配置連續(xù)鋼筋；在集中荷載區(qū)段和孔洞周圍配置分布鋼筋；改善防火效果的受拉鋼筋；在壓型鋼板上翼緣焊接橫向鋼筋，應配置在剪跨區(qū)段內(nèi)，其間距宜為150300mm。4.3樓蓋的布置方案和設計

梁-柱連接節(jié)點方式4.3樓蓋的布置方案和設計

主-次梁連接節(jié)點方式4.3樓蓋的布置方案和設計

4.3.2壓型鋼板組合樓蓋的設計4.4柱和支撐的設計

4.4.1框架柱設計概要高層建筑中常用的柱截面形式有箱形、焊接工字形、