第二章高層建筑結(jié)構(gòu)體系與布置原則（第1-5節(jié)）輔導(dǎo)資料

高層建筑結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)資料三主題：第二章高層建筑結(jié)構(gòu)體系與布置原則（第1—5節(jié)）學(xué)習(xí)時(shí)間：2015年4月13日--4月19日內(nèi)容：這周我們將學(xué)習(xí)第二章中的第1—5節(jié)，這部分主要介紹高層建筑各種常用的結(jié)構(gòu)體系，對(duì)每種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)作相應(yīng)的論述，下面整理出的框架供同學(xué)們學(xué)習(xí)，希望能夠幫助大家更好的學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。一、學(xué)習(xí)要求1、了解水平力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響；2、熟悉不同結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)及適用范圍。二、主要內(nèi)容高層建筑發(fā)展到今天，其結(jié)構(gòu)體系形式繁多，劃分的標(biāo)準(zhǔn)也多種多樣。從結(jié)構(gòu)工程師的觀點(diǎn)出發(fā)，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的分類標(biāo)準(zhǔn)通常依據(jù)其豎向承重單體和抗側(cè)力單元的類型來劃分。（一）框架結(jié)構(gòu)1、框架結(jié)構(gòu)的定義框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱等線型構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接在一起構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其基本的豎向承重單體和抗側(cè)力單元為梁、柱通過節(jié)點(diǎn)連接形成的框架。下圖1所示為一些常見框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置示意圖。（a）方形平面（b）魚形平面（c）圓形平面（d）矩形平面（e）內(nèi)廊式平面（f）T形平面（g）十字形平面圖1框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置圖2、框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移在水平荷載的作用下，框架結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，側(cè)移一般由以下兩部分組成：（1）由水平力所引起的傾覆力矩，使得框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的整體彎曲變形，即柱子的軸向拉伸和壓縮所引起的側(cè)移，如下圖2中綠色線所示變形；（2）由水平力所引起的樓層剪力，使得框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切變形，即框架整體受剪，層間梁、柱桿件發(fā)生彎曲而引起的水平位移，如下圖2中紅色線所示變形。圖2框架結(jié)構(gòu)側(cè)向位移示意圖框架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，側(cè)移主要表現(xiàn)為整體剪切變形，如下圖2中藍(lán)色線所示變形。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)房屋的層數(shù)不多時(shí)，其側(cè)移主要表現(xiàn)為整體剪切變形，整體彎曲變形的影響很小。3、框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部比較空曠而且建筑平面布置靈活，可以做成具有較大空間的會(huì)議室、餐廳、辦公室、實(shí)驗(yàn)室等，同時(shí)便于門窗的靈活布置，立面也可以處理得富于變化，可以滿足各種不同用途的建筑的需求。4、框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面較小，抗側(cè)剛度較小，在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的整體位移和層間位移都比較大，這對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是不利的，容易加重震害?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)力集中，受力非常復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。另外，由于框架結(jié)構(gòu)的受力特性和抗震性能的限制，使得他的適用高度受到限制，一般不宜超過60m。（二）剪力墻結(jié)構(gòu)1、剪力墻結(jié)構(gòu)的定義由墻體承受全部水平作用和豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系成為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。一般情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)均做成落地形式，但是由于建筑功能及其他方面的要求，部分剪力墻可能不能落地，如下圖3所示，即為此類部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。圖3部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)立面布置示意圖剪力墻結(jié)構(gòu)按照施工方法的不同，可以分為以下三種：（1）剪力墻全部現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)；（2）全部用預(yù)制墻板裝配而成的剪力墻結(jié)構(gòu)；（3）部分現(xiàn)澆、部分為預(yù)制裝配的剪力墻結(jié)構(gòu)。2、剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移在承受水平力作用時(shí)，剪力墻相當(dāng)于一根懸臂深梁，其水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，框架柱的變形以剪切變形為主，剪力墻的變形以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲性，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層的增高而增加。3、剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相比框架結(jié)構(gòu)來說，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，整體性好，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移和層間位移通常較小，經(jīng)過恰當(dāng)設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的用鋼量也較省。4、剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)由于剪力墻結(jié)構(gòu)中采用了一定數(shù)量的墻體用以承擔(dān)全部水平作用和豎向荷載，因此結(jié)構(gòu)的平面布置相對(duì)不靈活，結(jié)構(gòu)自重較大。（三）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)1、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的定義框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系是把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系，豎向荷載由框架和剪力墻等豎向承重單體共同承擔(dān)，水平荷載則主要由剪力墻這一具有較大剛度的抗側(cè)力單元來承擔(dān)。2、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移框架—剪力墻結(jié)構(gòu)很好的綜合了框架的剪切變形和剪力墻的彎曲變形的受力性能，它們的協(xié)同工作使各層層間變形趨于均勻，改善了純框架或者純剪力墻結(jié)構(gòu)中上部和下部樓層層間變形相差較大的缺點(diǎn)。其變形特征如下圖4所示。（a）計(jì)算簡圖（b）框架的變形（c）剪力墻的變形（d）框架剪力墻的變形圖4框架—剪力墻結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下協(xié)同工作時(shí)的變形特征總體說來，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎—剪型變形：（1）下部樓層：剪力墻位移較小，框架位移較大，剪力墻拉著框架，彎曲型變形。（2）上部樓層：剪力墻位移較大，框架位移較小，框架拉著剪力墻，剪切型變形。3、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系綜合了框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并在一定程度上規(guī)避了兩者的缺點(diǎn)，達(dá)到了揚(yáng)長避短的目的，使得建筑功能要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)得比較好。它既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又具有較大的剛度和較好的抗震能力。因此，在高層建筑用應(yīng)用非常廣泛，它與框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成了目前最常用的三大常規(guī)結(jié)構(gòu)。4、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向抗側(cè)力體系。關(guān)鍵應(yīng)該注意剪力墻的數(shù)量和位置。如果剪力墻布置數(shù)量多，則結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，側(cè)向變形小，布置難度大；如果剪力墻布置的數(shù)量少，則結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度小，側(cè)向變形大，對(duì)框架的抗震要求高。因此在進(jìn)行框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于剪力墻的布置，應(yīng)注意以下一些要求：（1）抗震設(shè)計(jì)時(shí)使各主軸方向側(cè)向剛度接近；（2）對(duì)稱布置；（3）貫穿建筑全高；（4）布在周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化處、豎向荷載變化處；（5）平面形狀凸凹較大時(shí)在突出部位的端部設(shè)置；（6）形成翼墻；（7）布置3片以上；（8）間距不宜過大；（9）不宜布置在長框架的兩端。（四）筒體結(jié)構(gòu)1、筒體結(jié)構(gòu)的定義由于筒體結(jié)構(gòu)單元受力性能的特殊性，通常將豎向承重單體和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元含筒體單元的結(jié)構(gòu)體系稱為筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)的基本特征是主要由一個(gè)或多個(gè)空間受力的豎向筒體承受水平力。筒體可以由剪力墻組成，也可以由密柱深梁構(gòu)成。2、筒體結(jié)構(gòu)的分類筒體結(jié)構(gòu)的類型很多，根據(jù)筒體的布置、組成和數(shù)量等，可以再分為：（1）框筒結(jié)構(gòu)：框筒結(jié)構(gòu)，如下圖5所示。筒體通常放在建筑外圍，由間距很密的柱子與截面很高的梁組成，筒體內(nèi)設(shè)置了一些柱子以減小樓板和梁的跨度，這些柱子僅用來承受豎向荷載，不考慮其承受水平荷載。圖5框筒結(jié)構(gòu)示意圖密柱深梁：實(shí)際是一個(gè)開了很多很多窗洞的筒體，靠空間受力特性來抵抗水平力。整體像一個(gè)懸臂筒體一樣，剛度和承載力很大。水平荷載下樓板只是一個(gè)剛性隔板，保證框筒的側(cè)向穩(wěn)定和剛度，有如竹子中的竹節(jié)，樓板中的板、梁按承受垂直荷載要求單體設(shè)計(jì)。（2）筒中筒結(jié)構(gòu):筒中筒結(jié)構(gòu)，如下圖6所示。一般用實(shí)腹筒做內(nèi)筒，框筒或桁架筒做外筒。內(nèi)筒可集中布置電梯、樓梯、豎向管道等。框筒的側(cè)向變形以剪切變形為主，內(nèi)筒一般以彎曲變形為主，二者通過樓板聯(lián)系，共同抵抗水平荷載，其協(xié)同工作原理與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)類似。圖6筒中筒結(jié)構(gòu)示意圖（3）桁架筒結(jié)構(gòu)：用稀柱、淺梁和支撐斜桿組成桁架，布置在建筑物周邊，形成桁架筒結(jié)構(gòu)。桁架筒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是柱距大，支撐斜桿橫跨建筑的一個(gè)面的邊長，豎向跨越幾個(gè)樓層，形成巨型桁架，4片桁架圍成桁架筒，形成整體懸臂結(jié)構(gòu)。剛度大，比框筒結(jié)構(gòu)更能充分利用材料。（4）多筒結(jié)構(gòu)—成束筒結(jié)構(gòu):成束筒是由若干單筒集成一體成束狀，形成空間剛度極大的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。自下而上逐漸減少筒體數(shù)量的處理手法，使高層建筑結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)合理。但這些逐漸減少的筒體結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)稱于建筑物的平面中心。（五）巨型結(jié)構(gòu)巨型結(jié)構(gòu)，如下圖7所示。利用筒體作為柱子，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨型梁相連，筒體和巨型梁即構(gòu)成巨型框架。巨型框架具有很大的承載能力和側(cè)向剛度。由于它可以看作是由兩級(jí)框架組成，第一級(jí)為巨型框架，是承載的主體；第二級(jí)是位于巨型框架單元內(nèi)的輔助框架（只承受豎向荷載），也起承載作用。因此，這種結(jié)構(gòu)是具有兩道抗震防線的抗震結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震性能。圖7巨型框架結(jié)構(gòu)示意圖典型習(xí)題（一）簡答題1．簡述框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻的布置原則。答：（1）抗震設(shè)計(jì)時(shí)使各主軸方向側(cè)向剛度接近；（2）對(duì)稱布置；（3）貫穿建筑全高；（4）布在周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化處、豎向