9.豎向分體系的初步設(shè)計

5豎向分體系的初步設(shè)計

6延性結(jié)構(gòu)與延性構(gòu)件的設(shè)計概念

7高層建筑根底設(shè)計的內(nèi)在潛力高層建筑概念設(shè)計15.1引言高層建筑的總體結(jié)構(gòu)水平分體系豎向分體系樓、屋蓋主要有：剪力墻（包括桁架式墻或稱支撐框架）結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)和梁柱框架結(jié)構(gòu)5豎向分體系的初步設(shè)計2豎向承重單體與水平抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元包括：框架〔普通，巨型〕、剪力墻〔筒體〕、支撐；從傳遞豎向和水平荷載來講，高層建筑的豎向分體系主要有〔框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、框-剪、框-筒等〕；水平分體系可通過抗彎，抗剪來承受和傳遞豎向荷載，同時又通過橫隔板作用，將水平荷載傳給豎向分體系；

豎向分體系3水平分體系通過與豎向分體系及其構(gòu)件有機地連接，形成共同作用的結(jié)構(gòu)總體系；要求在方案設(shè)計和初步設(shè)計階段綜合考慮豎向分體系和水平分體系的最正確搭配組合。只有這樣才能充分兩者各自的最大潛力，并經(jīng)濟、有效地共同工作；4在方案和初步設(shè)計階段，設(shè)計人員必須通過概念近似計算來初步確定該結(jié)構(gòu)分體系及其構(gòu)件的尺寸大小，并驗證設(shè)計的可行性。而且，概念性近似計算也是不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)總體布置方案的一種簡潔有效的手段，不但為計算機整體分析建立了原始數(shù)據(jù)，也為判斷計算機輸出結(jié)果的正確與否提供了可靠的依據(jù)。同時也是設(shè)計人員不斷充實自身設(shè)計經(jīng)驗、概念和提高判斷能力的一個必不可少的過程；

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豎向分體系65.2剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻可分為鋼筋混凝土實心墻和桁架式剪力墻〔或稱框支撐框架〕。剪力墻可以有效地抵抗墻體平面內(nèi)的水平荷載，但對于抵抗垂直于墻面的水平荷載是極其微弱的〔平面內(nèi)剛度大，平面外剛度小〕；在建筑物中，剪力墻宜在兩個正交方向都各自對稱居中布置，這樣不但對抵抗水平力和抗扭有利，而且對減小溫度、徐變和收縮的影響也有較好的效應(yīng)；剪力墻的變形：彎曲型為主同時也包含剪切型成份；

豎向分體系7建筑物中各片墻所承擔(dān)的剪力，在墻的高度比小于或等于2~3時〔按抗側(cè)剛度D更合理〕，水平荷載可按各墻截面面積的比例來進行分配；對于高寬比等于或大于4~5的剪力墻時，那么需要按各墻截面慣性矩的比例來進行分配〔抗等效抗彎剛度更合理〕；

豎向分體系8整體墻近似計算方法當(dāng)墻上無洞口或開洞較小時，可按整體墻計算。整體墻是懸臂墻，為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力及位移按材料力學(xué)方法即可計算。如有小洞口，截面慣性矩取有洞口截面與無洞口截面慣性矩的加權(quán)平均值，整體墻剛度取，截面折算慣性矩及折算面積計算公式為：

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豎向分體系105.3筒體結(jié)構(gòu)井筒結(jié)構(gòu)常用來作為豎向交通運輸和效勞設(shè)施的通道，同時也是結(jié)構(gòu)總體系中抗側(cè)力的主要構(gòu)件。從整體來講，筒體是一種三維結(jié)構(gòu)，在各個方向都有比較大的剛度和承載力；筒中筒在超高層建筑中是一種比較常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)設(shè)計概念是，外筒的截面寬大，可以非常有效地抵抗傾覆力矩；與外筒相比內(nèi)筒相當(dāng)細長，其抵抗傾覆力矩并不是很有效；

豎向分體系11在初步設(shè)計設(shè)計階段當(dāng)筒體側(cè)面的孔洞面積小于30%時，對其自身的剛度和強度影響不大，但在初步設(shè)計時可以忽略；當(dāng)筒體的孔洞面積大于50%~60%時，特別是將筒體作為外墻時，其結(jié)構(gòu)受力性能更接近框筒〔密柱框梁〕，其自身的強度和剛度都會有相對較大的降低，此時，即使是初步設(shè)計也不得不考慮孔洞的影響；

豎向分體系12當(dāng)筒體的高寬比小于3時，主要表現(xiàn)為剛性抗剪筒體，抗彎不會成為這種矮筒的控制因素；當(dāng)筒體的高寬比為3~6時，剪力將不起主要控制作用，而由抗彎來決定其設(shè)計；高寬比大于或等于7，那么屬于柔性筒，必須通過水平分體系和其他抗側(cè)力構(gòu)件連成整體，共同作用；

豎向分體系13筒體屬三維結(jié)構(gòu)，各向剛度和承載力較二維結(jié)構(gòu)大；在初步設(shè)計時仍需要注意對于框筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)其作為一個豎向懸臂結(jié)構(gòu)側(cè)向彎曲變形時，框架的局部彎曲會在柱間形成剪力滯后現(xiàn)象；

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豎向分體系16筒中筒外筒：截面寬度大但開洞多抗傾覆力矩，抗剪內(nèi)筒：截面寬度小但開洞少抗傾覆能力較小，抗剪能力較強水平聯(lián)系（樓面結(jié)構(gòu)）：使內(nèi)筒與外筒連接，共同受力，協(xié)同工作

豎向分體系175.4框架結(jié)構(gòu)

既能抵抗豎向荷載又能抵抗水平荷載的框架體系是建筑物設(shè)計中用得最早，也是最廣泛的一種典型的結(jié)構(gòu)模式。與剪力墻體系相比，框架結(jié)構(gòu)更便于在建筑物的內(nèi)墻和外墻上開大面積的孔洞，以充分滿足建筑空間功能的要求?？蚣艿恼w剛度往往不如剪力墻結(jié)構(gòu)，但與剪力墻相比，框架具有更大的延性。特別是鋼框架高層建筑的延性耗能能力要比鋼筋混凝土框架大，相應(yīng)的地震震害要少；

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合理設(shè)計的框架延性好，變形能力及耗能能力強；延性框架設(shè)計要點：強柱弱梁；強剪弱彎；強核芯區(qū)、強錨固；局部加強；限制柱軸壓比，加強柱箍筋對混凝土的約束；

豎向分體系215.4.1鋼梁-混凝土柱組合框架結(jié)構(gòu)在上個世紀(jì)80年代初，美國率先在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及后續(xù)開展的鋼骨混凝土〔SRC〕復(fù)合式框架結(jié)構(gòu)的根底上，成功地開發(fā)研制了一種充分利用和發(fā)揮鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件各自在抗彎或抗壓強度、剛度、延性及建筑功能適用性方面優(yōu)勢的新型組合式框架結(jié)構(gòu)體系，即由鋼筋混凝土柱和鋼梁組成的RCS組合框架結(jié)構(gòu)體系〔CompositeRCSMomentFramesSystem〕，并已成功地應(yīng)用在中、高層建筑中。

豎向分體系22同期日本的RCS組合框架結(jié)構(gòu)稍晚于美國，主要是因為受當(dāng)時日本AIJ〔ArchitecturalInstituteofJapan〕鋼骨標(biāo)準(zhǔn)〔SRCStandard〕條文的阻礙。

豎向分體系23例如，AIJ對SRC柱的鋼骨截面抗彎強度作了如下的強制性規(guī)定〔1975年〕〔1987年〕

其中為A節(jié)點SRC柱的鋼骨抗彎強度，為A節(jié)點SRC梁的鋼骨抗彎強度。

豎向分體系24對于鋼筋混凝土柱與鋼梁組合節(jié)點來講，其，那么該條文嚴(yán)格地禁止了RCS組合框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。一直到20世紀(jì)80年代末，日本學(xué)者和AIJ逐漸認識到RCS組合框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，且已研制開發(fā)出假設(shè)干能滿足鋼梁和鋼筋混凝土柱之間復(fù)雜內(nèi)力傳遞的梁柱節(jié)點構(gòu)造，這才使RCS組合框架結(jié)構(gòu)在日本得以重視和開展；

豎向分體系251.不同的設(shè)計思想、節(jié)點構(gòu)造和施工方法美國RCS組合框架結(jié)構(gòu)被視為傳統(tǒng)的中、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的一種延伸?！不炷辆植咳〈撝硟?yōu)點：對承受大軸壓力來講，鋼筋混凝土柱要比鋼柱相對經(jīng)濟得多，并能增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小側(cè)向位移；免除了梁柱節(jié)點的現(xiàn)場焊接工作量；縮短了施工工期等；

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豎向分體系27梁柱節(jié)點構(gòu)造處理：

不同的設(shè)計思想，梁、

柱節(jié)點處理措施不同。美國梁貫穿〔ThroughBeam〕式梁柱節(jié)點處增設(shè)補強構(gòu)件：面承板〔FaceBearingPlateorFBP〕或剪力釘；

豎向分體系28日本柱貫穿〔ThroughColumn〕式〔鋼梁不應(yīng)整體連續(xù)穿過柱〕鋼梁只是連接在鋼筋混凝土節(jié)點區(qū)域的周邊柱面鋼板〔CoverPlate〕上。梁、柱節(jié)點的處理

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豎向分體系35施工方法美國工程界所采用的施工方法有點類似于鋼結(jié)構(gòu)，特點是采用一種小截面的型鋼作為架立鋼柱〔SteelErectionColumn〕。從概念設(shè)計來分析，該架立鋼柱截面很小，又居于鋼筋混凝土柱的截面中央，故其對鋼筋混凝土柱的抗彎強度和側(cè)向剛度的奉獻小到可以忽略不記。但從承受軸壓力的角度來分析，它能起到鋼筋混凝土柱的芯筋作用，對提高RC柱核心區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變能力，延緩核心區(qū)混凝土壓酥，提高延性功能是有一定幫助的。

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日本工程界的施工方法大體分為兩種：一種是現(xiàn)場預(yù)制法；另一種是工廠預(yù)制法。

豎向分體系372.RCS組合框架的抗震性能研究RCS組合框架抗震性能需重點掌握的幾點：不同破壞模式對RCS組合框架抗震性能的影響；不同的節(jié)點構(gòu)造、混凝土強度等級及柱軸向荷載RCS組合節(jié)點的彈塑性滯回特征的影響；RCS組合框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時的最正確延性節(jié)點破壞式的選擇等；

豎向分體系38RCS組合試件的根本破壞模式試驗說明，根本破壞模式分下述幾種：節(jié)點外梁塑性鉸〔Beamhinging〕破壞；梁柱節(jié)點破壞〔jointfailure〕〔兩種〕；梁-節(jié)點混合破壞〔Beam-Jointfailure〕；柱破壞〔Columnfailure〕；

豎向分體系39其中梁柱節(jié)點破壞又可分為節(jié)點區(qū)域的剪切破壞〔JointPanelshearfailure〕及節(jié)點混凝土承壓破壞〔Jointbearingfailure〕模式;

豎向分體系405種破壞模式在反復(fù)荷載作用下的

力-位移關(guān)系滯回曲線

豎向分體系41圖中，為延性比〔DuctilityRatio〕，其中為在梁端量測所得的位移，是根據(jù)ATC-24準(zhǔn)那么提出的方法用力-位移關(guān)系曲線計算所得的屈服位移，即彈性極限變形；滯回曲線：飽滿，所包面積大那么耗能強，延性好；否那么應(yīng)防止；

豎向分體系423.抗震設(shè)計的破壞控制模式由于節(jié)點外〔或柱面外〕梁塑性鉸破壞模式的滯回線最飽滿，具有極高的延性和耗能能力，且震后修復(fù)簡便，本錢低，故勢必成為RCS組合框架結(jié)構(gòu)設(shè)計首選的延性節(jié)點破壞模式；

豎向分體系抗震設(shè)計延性節(jié)點破壞模式的選擇43

節(jié)點區(qū)域剪切破壞或梁塑性鉸和節(jié)點剪切混合破壞模式也具有很高的延性和耗能能力，但由于受傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中嚴(yán)格禁止節(jié)點剪切破壞的習(xí)慣影響，在RCS組合框架設(shè)計中很少將節(jié)點剪切破壞作為延性節(jié)點破壞模式。柱和節(jié)點承壓破壞不允許作為抗震設(shè)計的破壞控制模式；445.5抗側(cè)力構(gòu)件的變形近似計算在方案設(shè)計和初步階段，由結(jié)構(gòu)工程工程師來估算該建筑物的側(cè)向變形大小是一個十分重要的環(huán)節(jié)。其必要性有兩方面的原因：標(biāo)準(zhǔn)要求限制建筑物的水平位移，如樓層層間最大位移與層高之比的限值等。如果建筑物在側(cè)向荷載作用下有很大的變形，在搖晃和振動下可能會引起損壞，其中還包括效應(yīng)；

豎向分體系45墻、筒和框架的總位移都可以通過近似計算來取得。在每種情況中，都認為房屋的側(cè)向變形來源于兩局部：一局部是由傾覆力矩〔所形成的軸力〕產(chǎn)生的，而另一局部是水平和垂直剪力〔所引起的局部彎曲〕產(chǎn)生的；

豎向分體系46側(cè)移太大可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞或不滿足規(guī)范穩(wěn)定性驗算要求；高層結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生的主要原因：水平荷載〔豎向荷載的不均，不均勻沉降等〕水平荷載→層剪力→抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)的剪力〔一般按抗側(cè)剛度分配〕

豎向分體系47將建筑物中抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向變形特性歸納成5種情況情況1：矮實心墻〔〕的剪切變形多于彎曲變形〔如以下圖〕；〔彎曲變形較小〕

豎向分體系48情況2：高實心墻或筒主要是彎曲變形〔如以下圖〕；〔剪切變形較小〕

豎向分體系49情況3：高墻開許多門洞或窗洞后，就成為由連梁連接的兩個細長墻肢。由連梁變形形成的偏移常常比墻本身的變形形成的偏移大。作為近似計算，可只計算由連梁變形引起的偏移〔如以下圖〕；〔連梁彎曲，剪切變形，墻肢彎曲與剪切變形〕

豎向分體系50情況4：規(guī)那么剛架的變形是由柱彎曲和梁彎曲引起的剪切變形〔如以下圖〕；〔柱軸向變形引起的彎曲型變形較小〕

豎向分體系51情況5：桁架的變形主要由桿件的伸長或縮短造成的〔如以下圖〕；

豎向分體系52在這5種情況中，墻、筒和框架的總位移都可以通過近似計算來取得。在每種情況中，都認為房屋的側(cè)向變形來源于兩局部：一局部是由傾覆力矩〔所形成的軸力〕產(chǎn)生的，而另一局部是水平和垂直剪力〔所引起