第二章高層建筑結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

第2章高層建筑結(jié)構(gòu)體系

與結(jié)構(gòu)布置概述結(jié)構(gòu)布置原則樓蓋結(jié)構(gòu)布置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置水平位移限值和舒適度要求結(jié)構(gòu)布置實(shí)例2.1概述高層建筑結(jié)構(gòu)型式配筋砌體結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、韌性大、抗震性能好、易于加工，能縮短現(xiàn)場(chǎng)施工工期，施工方便。缺點(diǎn)：用鋼量大，造價(jià)很高，耐火性能差。深圳地王大廈(81層，383.95m)北京京廣中心(56層，208m)前紐約世界貿(mào)易中心撞機(jī)倒塌瞬間倒塌后優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)較低，材料來源豐富，可塑性好，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系；可節(jié)省鋼材，承載能力較高，可獲得較好的抗震性能。缺點(diǎn)：構(gòu)件斷面大，占據(jù)面積大，自重大廣東國際大廈(63層，200.18m)底層柱尺寸已達(dá)1.8*2.2m

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗拉性能以及混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓性能進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)延性缺點(diǎn)：造價(jià)高，設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜類型(1)用鋼材加強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件鋼骨鋼筋混凝土構(gòu)件鋼管鋼筋混凝土構(gòu)件

組合結(jié)構(gòu)鋼骨鋼筋混凝土構(gòu)件

鋼骨鋼筋混凝土構(gòu)件

(2)部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)，部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（或部分采用鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）上海希爾頓飯店（鋼筋混凝土筒體，鋼框架）香港中國銀行(鋼骨鋼筋混凝土角柱，橫梁及斜撐為鋼結(jié)構(gòu))高層建筑常見的結(jié)構(gòu)體系框架結(jié)構(gòu)體系剪力墻結(jié)構(gòu)體系框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系筒體結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和主要工作。高層建筑的基本的抗側(cè)力單元框架剪力墻筒體2.1.1

框架結(jié)構(gòu)體系框架是由梁和柱剛結(jié)而成的平面結(jié)構(gòu)體系。如果整幢結(jié)構(gòu)都由框架作為抗側(cè)向力單元，就稱為框架結(jié)構(gòu)體系。整體變形呈“剪切型”水平力作用下變形框架結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向變形優(yōu)點(diǎn)：①建筑平面布置靈活，分隔方便；②整體性、抗震性能好，設(shè)計(jì)合理時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力；③外墻采用輕質(zhì)填充材料時(shí)，結(jié)構(gòu)自重小。缺點(diǎn)：側(cè)向剛度小，抵抗側(cè)向變形能力差。正是這一點(diǎn)，限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

柱網(wǎng)尺寸：

一般柱網(wǎng)為4-9m，與樓蓋結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)材料有關(guān)。

框架布置：

框架只在其只身平面內(nèi)承受水平荷載，要正交布置。

梁柱截面尺寸變化及連接：

梁與柱之間連接要采用剛接，梁截面尺寸一般不變，柱截面尺寸可以采用漸變的原則從下至上逐漸減小。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意問題框架結(jié)構(gòu)為桿系結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度較小，不適宜建造過高的建筑物；框架結(jié)構(gòu)在水平側(cè)向荷載作用下的變形主要由柱的彎曲構(gòu)成，整體變形呈“剪切型”；在設(shè)計(jì)中盡量采用輕質(zhì)填充墻體，墻體布置盡量對(duì)稱，且避免短柱的產(chǎn)生。2.1.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系用實(shí)心的鋼筋混凝土墻片作為抗側(cè)力單元，同時(shí)由墻片承擔(dān)豎向荷載，稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。墻體同時(shí)也作為維護(hù)及房間分割構(gòu)件。整體變形呈“彎曲型”。優(yōu)點(diǎn)：①整體性好、剛度大，抵抗側(cè)向變形能力強(qiáng)；②抗震性能較好，設(shè)計(jì)合理時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力。因而剪力墻結(jié)構(gòu)適宜的建造高度比框架結(jié)構(gòu)要高。缺點(diǎn)：受樓板跨度的限制（一般為3～8m），剪力墻間距不能太大，建筑平面布置不夠靈活。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

開間尺寸：

一般軸網(wǎng)為3-8m，與樓蓋結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。

剪力墻布置：

剪力墻只在其只身平面內(nèi)承受水平荷載，布置上要求在兩個(gè)主軸方向正交布置；豎向布置要連續(xù)漸變。

同一方向布置的剪力墻抗側(cè)移剛度盡量均勻，避免受力集中；墻肢截面宜簡單規(guī)則，墻兩端盡量與另一方向墻連接，增加結(jié)構(gòu)的抗扭能力。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意問題剪力墻結(jié)構(gòu)為高截面薄壁懸臂桿件，側(cè)向剛度較大，適宜建造較高的建筑物；剪力墻結(jié)構(gòu)在水平側(cè)向荷載作用下的變形主要由墻的彎曲構(gòu)成，整體變形呈“彎曲型”；過長的剪力墻可以通過開設(shè)結(jié)構(gòu)洞口設(shè)計(jì)成為連梁連接的墻肢較短的聯(lián)肢墻，對(duì)于高度不是很大的住宅可以采用截面高寬比為5-8的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。特殊剪力墻結(jié)構(gòu)體系（1）框支剪力墻結(jié)構(gòu)把剪力墻結(jié)構(gòu)底層墻做成框架柱來解決平面布置不靈活問題。缺點(diǎn)是，上下剛度有突變，在地震作用下底層柱會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)力及塑性變形，使結(jié)構(gòu)破壞，在地震區(qū)不允許單獨(dú)采用。（2）底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)部分剪力墻框支，部分剪力墻來解決平面布置不靈活。避免了框支剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)2.1.3框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)形式具備了純框架結(jié)構(gòu)和純剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了純框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度小和純剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置不夠靈活的缺點(diǎn)，在水平側(cè)向荷載作用下，整體變形呈“彎剪型”?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)框架－剪力墻結(jié)構(gòu)2.1.4筒體結(jié)構(gòu)體系將剪力墻結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)圍合成箱形，形成一個(gè)豎向布置的空間剛度很大的薄壁筒體；也可由密柱框架或壁式框架圍合成空間整體受力的框筒，形成具有較好抗風(fēng)和抗震性能的筒體結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)筒的布置、組成和數(shù)量等可分為框架—筒體結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、成束筒結(jié)構(gòu)體系。深圳國際貿(mào)易中心廣州國際大廈多筒結(jié)構(gòu)體系成束筒2.1.5

巨型結(jié)構(gòu)體系巨型結(jié)構(gòu)由多級(jí)結(jié)構(gòu)組成，一般有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)。2.2結(jié)構(gòu)布置原則抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)布置原則房屋適用高度和高寬比結(jié)構(gòu)平面布置原則結(jié)構(gòu)豎向布置原則設(shè)伸縮縫、沉降縫和防震縫的原則結(jié)構(gòu)截面尺寸初估2.2.1抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)布置原則選擇有利的場(chǎng)地保證地基基礎(chǔ)的承載力、剛度合理設(shè)置抗震縫應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑多道抗震設(shè)防能力合理選擇結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度2.2.1抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)布置原則結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的結(jié)構(gòu)承載力節(jié)點(diǎn)的承載力應(yīng)大于構(gòu)件的承載力結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的變形能力及耗能能力突出屋面的塔樓必須具有足夠的承載力和延性減輕結(jié)構(gòu)自重避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整體破壞2.2.2房屋適用高度和高寬比不同的結(jié)構(gòu)形式有不同的抗側(cè)移剛度，因而適用不同高度的房屋。鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的最大適用高度和高寬比分為A級(jí)和B級(jí)。B級(jí)高度可較A級(jí)高度適當(dāng)放寬，其結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)、有關(guān)的計(jì)算和構(gòu)造措施應(yīng)相應(yīng)加嚴(yán)，并應(yīng)符合規(guī)范的規(guī)定。

◆A級(jí)高度的高層建筑是指常規(guī)的、一般的建筑；

◆B級(jí)高度的高層建筑是指較高的、設(shè)計(jì)上有更加嚴(yán)格要求的建筑。2.2.2.1

房屋適用高度A級(jí)高度鋼筋混凝土乙、丙類高層建筑的最大適用高度（m）注：1.框架-核心筒結(jié)構(gòu)指周邊稀柱框架與核心筒組成的結(jié)構(gòu)；2.部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；3.9度抗震設(shè)防、超過表內(nèi)高度的房屋，應(yīng)進(jìn)行專門研究，采取必要的加強(qiáng)措施。2.2.2.1房屋適用高度B級(jí)高度鋼筋混凝土乙、丙類高層建筑的最大適用高度（m）注：1.部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；2.平面和豎向均不規(guī)則的建筑或位于Ⅳ類場(chǎng)地的建筑，表中數(shù)值應(yīng)適當(dāng)降低；3.當(dāng)房屋高度超過表內(nèi)數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有可靠依據(jù)，采取有效的加強(qiáng)措施。2.2.2.2房屋適用高寬比建筑總高度與總寬度要保持合理的比列，才能使建筑體型美觀，又滿足抗風(fēng)抗震要求。一般將高層建筑的高寬比H／B限制在6以下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型高寬比H／B限制如表所示。2.2.2.2房屋適用高寬比鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比2.2.3結(jié)構(gòu)平面布置原則高層建筑結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡單、規(guī)則、對(duì)稱，剛度和承載力分布均勻，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面形狀。不規(guī)則類型定義扭轉(zhuǎn)不規(guī)則樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)一側(cè)凹進(jìn)的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30％樓板局部不連續(xù)樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，例如，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50％，或開洞面積大于該層樓面面積的30％，或較大的樓層錯(cuò)層。平面不規(guī)則類型設(shè)防烈度L/Bl/Bmaxl/bL’/Bmax6度、7度≤6.0≤0.35≤2.0≥1.08度、9度≤5.0≤0.3≤1.5≥1.0平面尺寸L、l、l’的限值2.2.3結(jié)構(gòu)平面布置原則

抗震設(shè)防的建筑結(jié)構(gòu)豎向布置應(yīng)使體型規(guī)則、均勻，避免有較大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸地減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度和承載力突變。豎向不規(guī)則的類型不規(guī)則類型定義側(cè)向剛度不規(guī)則該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70％，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80％；除頂層外，局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25％。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架等）向下傳遞。樓層承載力突變抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80％2.2.4結(jié)構(gòu)豎向布置原則

結(jié)構(gòu)沿豎向剛度突變的原因:結(jié)構(gòu)的豎向體系突變（1）建筑頂部內(nèi)收形成塔樓。

（2）樓層外挑內(nèi)收。結(jié)構(gòu)體系的變化

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)的底部大空間需要，底層或底部若干層剪力墻不落地，可能產(chǎn)生剛度突變。

（2）中部樓層部分剪力墻中斷。

（3）頂層設(shè)置空曠的大空間，取消部分剪力墻或內(nèi)柱。2.2.4結(jié)構(gòu)豎向布置原則當(dāng)結(jié)構(gòu)的軸線布置或者結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化時(shí)，要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，常見的有厚板轉(zhuǎn)換和箱形梁轉(zhuǎn)換。2.2.4結(jié)構(gòu)豎向布置原則2.2.5

設(shè)變形縫的原則

在建筑結(jié)構(gòu)總體布置中，為了消除：結(jié)構(gòu)不規(guī)則影響-----------可設(shè)置防震縫

收縮和溫度應(yīng)力影響-----可設(shè)置伸縮縫

不均勻沉降影響----------可設(shè)置沉降縫

將房屋分成若干結(jié)構(gòu)獨(dú)立的單元?？紤]到造價(jià)、功能、地震碰撞等因素，實(shí)際工程當(dāng)中一般盡量不設(shè)縫，而采取一些措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分。

防震縫：設(shè)縫時(shí)可使不規(guī)則結(jié)構(gòu)分割成若干個(gè)規(guī)則結(jié)構(gòu)?？p寬要留足，注意高低跨相鄰和不同結(jié)構(gòu)形式單元相鄰時(shí)的縫寬設(shè)置。

不設(shè)縫時(shí)可采取加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，防止結(jié)構(gòu)薄弱部位破壞等措施來減小結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響。伸縮縫：設(shè)縫時(shí)可減小平面過長（框：55M，剪：45M，框剪：50M）建筑結(jié)構(gòu)的混凝土收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂縫。

不設(shè)縫時(shí)可采?。╝：設(shè)后澆帶；b：加強(qiáng)頂層、底層、山墻和縱墻端開間的配筋率；c：頂層、外墻加強(qiáng)保溫措施；d：頂層局部設(shè)伸縮縫；e：采用低收縮水泥、添加膨脹劑；f：提高每層樓板的構(gòu)造配筋或采用部分預(yù)應(yīng)力。）措施減輕收縮和溫度影響。沉降縫：設(shè)縫時(shí)，對(duì)于建筑荷載或地基承載力差異過大的各單元建筑結(jié)構(gòu)可自由沉降，不會(huì)因沉降差而引起結(jié)構(gòu)的開裂或破壞。不設(shè)縫時(shí)，可采?。╝：土質(zhì)好時(shí)加大基礎(chǔ)剛度、土質(zhì)不好時(shí)采用樁基；b：對(duì)快速完成沉降的土質(zhì)可以采取設(shè)置后澆帶的方法；c：主調(diào)整施工順序。）等方法減輕對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。2.2.6截面尺寸的初估柱截面尺寸的初估梁截面尺寸的初估板截面尺寸的初估梁截面尺寸的初估梁的種類hb/l單跨梁1/8~1/12連續(xù)梁1/12~1/15扁梁1/2~1/18單向密肋梁1/18~1/22雙向密肋梁1/22~1/25懸臂梁1/6~1/8井字梁1/15~1/20框支墻托架1/5~1/7單跨預(yù)應(yīng)力梁1/12~1/18多跨預(yù)應(yīng)力梁1/18~1/20梁截面高度與跨度之比hb/l板截面尺寸的初估板的類型t/l單向板1/25~1/30單向連續(xù)板1/35~1/40雙向板（短邊）1/40~1/45懸挑板1/10~1/12樓梯平臺(tái)1/30無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力板1/40無柱帽無梁板（重載）1/30有柱帽無梁板（輕載）1/35樓板厚度與跨度之比t/l2.3樓蓋結(jié)構(gòu)布置樓（屋）蓋體系的作用承受豎向荷載連接抗側(cè)力構(gòu)件，承受其傳來的剪力和軸力選擇原則結(jié)構(gòu)整體性、面內(nèi)剛度結(jié)構(gòu)高度小、質(zhì)量輕建筑使用功能、裝飾要求、設(shè)備安裝、施工技術(shù)等常用樓蓋體系及其適用性現(xiàn)澆樓蓋肋梁樓蓋——普遍，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好；結(jié)構(gòu)高度大、不便管線安裝?寬扁梁（用于層高受限時(shí)）密肋樓蓋——省材料、自重輕、高度大、適用于大跨且梁高受限時(shí)、當(dāng)使用荷載較大時(shí)可有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好；不美觀、吊頂處理無梁樓蓋——適用于大跨且梁高受限、或升層法施工時(shí)；沖切問題非預(yù)應(yīng)力平板樓蓋——廣泛用于剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)、可降低層高、平整；跨度大時(shí)自重大、不經(jīng)濟(jì)?現(xiàn)澆非預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板樓蓋——適用于大跨且梁高受限時(shí)、平面布置靈活預(yù)制板樓蓋預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋——適用于高度50m以下時(shí)，但要求嚴(yán)格（縫內(nèi)設(shè)鋼筋、設(shè)現(xiàn)澆面層、加強(qiáng)板端連接）預(yù)應(yīng)力大樓板樓蓋——與房間同尺寸，雙向先張法預(yù)應(yīng)力筋；吊裝問題預(yù)應(yīng)力疊合板樓蓋預(yù)制RC薄板（50-60mm），上現(xiàn)澆RC。省模板、剛度大、整體性好組合樓蓋壓型鋼板上現(xiàn)澆RC。省模板、自重小、厚度??；用鋼量大常用樓蓋體系及其適用性2.4基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置基礎(chǔ)類型基礎(chǔ)選型原則基礎(chǔ)埋深基礎(chǔ)底板厚度2.4.1基礎(chǔ)類型鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)：當(dāng)高層建筑層數(shù)不多，地基土質(zhì)較好、上部結(jié)構(gòu)軸線間距較小且荷載不大時(shí)，可以采用鋼筋混凝土筏形基礎(chǔ)。箱形基礎(chǔ)：箱形基礎(chǔ)具有較大的結(jié)構(gòu)剛度和整體性，適用于上部荷載較大而地基土較軟弱的情況。樁基：樁基具有承載力可靠、沉降小的優(yōu)點(diǎn)，適用于軟弱地基土和可能液化的地基條件。有端承樁和摩擦樁之分。2.4.2基礎(chǔ)選型原則當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)均勻、承載力高而沉降量小時(shí)，可以采用天然地基和豎向剛度較小的基礎(chǔ)；反之，則應(yīng)采用人工地基或豎向剛度較大的整體式基礎(chǔ)。當(dāng)高層建筑基礎(chǔ)直接擱置于未風(fēng)化或微風(fēng)化的巖層上，或者層數(shù)較少的獨(dú)立裙房，可采用單獨(dú)基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)。采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)設(shè)置縱橫向的拉梁。當(dāng)采用樁基時(shí)，應(yīng)盡可能采用單根、單排大直徑樁或擴(kuò)底墩，使上部結(jié)構(gòu)的荷載直接由柱或墻體傳至樁頂，基礎(chǔ)底板因此可以做得較薄。2.4.3基礎(chǔ)埋深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)天然地基或復(fù)合地基H/12H/15樁基H/15（樁長不計(jì)）H/18基礎(chǔ)埋深基礎(chǔ)埋深：側(cè)向限制位移的土體深度，即由天然地面至箱基、筏基底板或樁承臺(tái)底的距離，樁長不計(jì)。2.4.4基礎(chǔ)底板厚度平均反力f（KN/㎡）受力狀況t/l150～200單向1/6～1/8