高层建筑结构及受力特点和结构概念设计Word下载.docx
《高层建筑结构及受力特点和结构概念设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高层建筑结构及受力特点和结构概念设计Word下载.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
在10m以上、随着高度的增加，风速受地面影响越小、风速加快，风压值增加，风速与地面高度的关系符合指数函数规律，也与地面粗糙度有关，地面愈租糙，风的阻力大，风速小。
《荷载规范》把地面粗糙度分为三类。
A类：
近海海面、海岸、湖岸、海岛及沙漠地区；
B类：
由野、乡村、丛林、斤陵及房屋比较稀疏的中、小城镇及大城市郊区
C类：
平均建筑高度15m以上、有密集建筑群的大城市市区。
荷载规范结出了风压高度变化系数，用以修正基本风压。
（3）风载体型系数
风载体型系数主要与建筑物的体型、尺寸等几何性质有关，高层建筑的体型变化大且复杂，一般都通过实测或风洞模拟试验得到。
当风流动经过建筑物时，对建筑物不同部位会产生不同效果，有压力，也右吸力，空气流功还会产生涡流，对建筑物局部有较大的压力或吸力。
风压在建筑物表面的分布是不均匀的。
下图给出风压沿房屋表面的分布图。
风压除与建筑物平面形状有关外，还与建筑物的高宽比有关，高宽比增大，μs增大。
矩形平面的高层建筑μs与风向角α有关,α为建筑表面法线与风作用方向的夹角，μs随α增大而减小。
但压力分布沿宽度趋于不均匀。
当α＝0度时，沿宽度均为压力，当α＝60度时，宽度两端各为压力和吸力，此时将对房屋产生扭矩。
μs还与建筑物的表面形态（有无阳台、遮阳板以及横、竖线条处理等）及建筑物的透气性有关，如表面有明显凹凸，其迎风面的体型系数比表面平整大，尤其当表面有竖线条处理时更为明显，一般增大6%—8％，建筑物的透气性越大，μs越小。
在建筑体积相同的情况下，合理选择体型．可有效降低风对结构的作用，一般情况下，十字形、Y形、六边形及圆型平面的μs小于矩形平面的μs，从而对于矩形平面，将角偶处进行适当的平滑处理，如改为圆角或截角，将减小μs值。
根据国内外风洞试验和有关规定，对高层建筑群体，须考虑风载体型系数的增大系数，即高层建筑群体之间相互干扰，会使风压分布增大，称为群楼效应。
（3）风振系数βz
风的作用是不规则的，风压随风速、风向的紊乱变化而不停改变。
除了看成静荷裁的稳定风压外，还有脉动风压使建筑物在平均侧移附近振动，脉动风压对建筑产生的动力效应与建筑物高度和刚度有关，对高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会使位移加大，设计时采用加大风载的办法来考虑这种动力效应，在风压值上乘以风振系数βz。
规范规定，建筑高度大于30m且高宽比大于1.5的高层建筑应考虑风振影响。
高层建筑的风振系数，按下式计算：
（2.3）
设计时应分别计算风载对建筑物的总体效应及局部效应。
总体效应是指作用在建筑物上的全部风荷载使结构产生的内力及位移，局部效应是指风载对建筑物某个局部产生的内力及变形。
1．总风载
计算总体效应时，采用各个表面承受风力的合力，迎风面积取垂直于风向的最大投影面
（2.4）
2．局部风裁
实际上风压在建筑物表面上是不均匀的，在验算墙板、女儿墙、窗破璃、玻璃幕墙、广告脾、挑檐、阳台等构件的承载力和连接件的强度时，应考虑局部风载的不利作用．可采用如下图所示的局部风荷载体型系数
2.1.3.地震作用
1.基本概念
地震作用是指地震波的作用产生的地面运动，通过房屋基础影响上部结构，使结构产生振动，由于是间接施加在结构上，应称为地震作用，而不称为荷载，结构的地震反应包括速度、加速度和位移反应。
水平传播的地震波使结构产生水平振动，而竖向传播的地震波使房屋产生竖向振动，设计中主要考虑水平地震作用、只有震中附近的高烈度区，或大跨度结构，才同时考虑竖向地震的作用。
地震作用和地面运动特性有关。
地面运动的最重要的特性是强度（由幅值大小表示）、频谱与持时。
强烈地震的加速度和速度幅值一般很大，但如果地震时间很短，对建筑物的影响可能不大；
而有时地面运动的加速度和速度幅值并不很大，而地震波的卓越周期（频谱分析中能量占主导地位的频率成分）与结构物基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。
因此称强度、频谱与持时为地震动三要素。
地面运动的特性除了与震源所在位置、深度、地震发生原因、传播距离等因素有关外，还与地震传播经过的区域和建筑物所在区域的场地土性质有密切关系。
建筑本身的动力特性是指建筑物的自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和结构的列度有关。
通常质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大，刚度小、周期长的建筑物位移较大。
特别是当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结内的地震反应加剧。
2.三水准抗震设计目标及一般计算原则
抗震规范中规定设防烈度为6度及6度以上的地区，建筑物必须进行抗震设计。
抗震设防的目标是按三个水准要求，“小震不坏，中震可修，大震不倒”
第一水准：
在小地震（众值烈度，50年超越概率为63．2％）结构应处于弹性状态，结构不损坏，不修理仍可继续使用。
第二水准：
在中震（设防烈度即一般采用基本烈度，50年超越概率为10％）作用下，允许结构某些部位达到或超过屈服极限（钢筋混凝土结构会产生裂缝），产生弹塑性变形，吸收并耗散地震能量，使结构保持稳定，经一般修理或不修理可继续使用。
第三水准：
在强震（罕遇烈度，50年超越概率为2％—3%）作用下，结构进入弹塑性大变形状态，部分产生破坏，结构不能倒塌，避免危及生命安全．即要求坏而不倒。
为达到三水准要求，抗震设计采用两阶段的设计方法。
第一阶段为设计阶段。
除了在确定结构方案和结构布置时应考虑抗震要求外，还要按设防烈度进行结构分折和地震内力计算及弹性位移计算，用极限状态方法设计截面配筋，并按延性要求采取相应的抗震措施，使之具有第二水准的变形能力，从而实现“小震水坏”和“中震可修”。
这一阶段设计对所有抗震设计的高层建筑都必须进行。
第二阶段是验算阶段。
对抗震要求较高的建筑结构（如甲类建筑），要用罕遇地震作用计算易损部位（薄弱层）的弹塑性侧移变形。
如果层间变形不超过允许值1／50，应采取措施提高薄弱层的承载能力，增加变形能力，加强抗震构造措施；
若变形超过允许值，应重新设计（修改第一阶段设计），使薄弱层的弹塑性位移不超过允许位移，满足大震不倒的要求。
高层建筑结构应按下列原则考虑地层作用：
（1）抗侧力结构正交布置时，可在结构两个主轴方向分别考虑水平地震；
有斜交抗侧力结构时，应分别考虑各斜交方向的水平地震作用。
（2）质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响。
（3）9度设防时应考虑竖向地震作用的不利组合。
3.地震作用的计算方法
确定地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法和时程分析方法（直接动力法）三大类。
反应谱方法是用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱；
再用加速度瓜谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；
然后按静力方法进行结构计算及设计的方法。
所以亦称似静力法，我国抗震规范规定，一般建筑可按此法确定等效地震力。
时程分析法是一种直接动力法，是在地基土上作用地震波后（按烈度、近震、远震和场地类别选用适当数量的实际地震记录或人工模拟的地面运动的加速度时程曲线），通过动力计算方法直接求得上部结构反应的一种方法。
单自由度体系周期与刚度的关系
2.1.4.温度和其它作用
在建筑结构的使用过程中，由于温度变化、材料收缩、混凝土徐变、基础沉降，地震等，都会在其上产生作用效应，如内力和变形。
1.温度—收缩缝
实际工程设计中，不必计算由温度产生的结构内力。
因为温度场的分布、收缩系数都难以精确确定，而且混凝土又不是完全弹性材料，理论计算与实际情况有较大的差异。
通常，高层建筑结构温度—收缩缝最大间距按规范确定。
目前，已建成的许多工程由于采取了一系列措施，并进行合理的施工，伸缩缝的间距已超出了有关规定限制。
例如广州白云宾馆（33层，现浇剪力墙，高115m）长度已达70m。
北京许多高层建筑结构的长期更大，如昆仑饭店达114m，京伦饭店达138m。
大量的经验及分析说明，多层建筑物的温差作用可以忽略不计；
但对30层以上的超高层建筑，必须考虑温度的影响。
减小温差的综合技术措施有
（1）直接阳光照射的屋面加厚隔热保温层，或设置架空通风屋面，避免屋面板温度变化过于激烈。
（2）合理选择结构形式，降低结构约束程度。
如将剪力墙结构的顶层改为框架
（3）合理布置分布钢筋，重视构造钢筋的作用。
（4）在温度变化影响较大的部位提高配筋率，如顶层、山墙及纵墙两端。
一般配筋率都大于0.3%，而最小配筋率要求是0.25%。
（5）提高混凝土的抗拉强度，对超长结构采用后浇带，或设伸缩缝。
每隔40m左右留后浇带，后浇带一般用高标号混凝土充填，后浇带填筑可以在主体混凝土浇筑后两个月顺序流水进行，有困难时至少也要一个月后浇筑。
后浇带须贯通结构整个横截面，应选择对结构受力影响最小的部位通过，不要在同一个平面内，因为曲折延伸可以避免全部钢筋在同一平面内搭接。
2.沉降缝
沉降缝用来划分层数相差很远、荷载相差很大的高层建筑部分，避免由于不均匀沉降而使结构产生损坏。
建筑结构各部分沉降差的处理大体有三种方法：
（1）放——设沉降缝，让各部分自由沉降；
（2）抗——采用刚性很大的基础，用基础本身的刚度来抵抗沉降差；
（3）调——在设计与施工中采取措施调整各部分的沉降，减少不均匀沉降，从而降低由此产生的结构内力。
高层建筑主楼与裙房之间层数与荷载都相差很远，一般在具有下列条件之一时才能不设沉降缝
（1）采用端承桩，桩尖直至基岩，建筑物各部分之间沉降差很小
（2）地基条件较好，沉降计算可靠
在情况
（2）时，由于地基好，计算沉降量有把握，可以采取措施控制沉降，如先施工主楼，后施工裙房。
上述两种情况下，主楼与裙房之间留后浇带，等沉降稳定后再浇筑后浇带。
3.防震缝
在有抗震设防要求时，各结构单元之间必须留有足够宽度。
考虑到相邻结构单元有相向振动可能，所以缝宽不应小于相邻单元位移之各（按较低的结构单元顶部标高处的位移计算）
除了设置温度—收缩缝和沉降缝之外，在下列情况下，不要单独设置防震缝。
（1）各部分结构刚度相差很远；
（2）各部分质量相有效期很远；
（3）各部分有较大的错层；
高低层之间不要采用主楼设牛腿，低层屋面或楼面梁搁在母腿上的做法。
凡是要设缝，就要分得彻底，凡是不设缝，就要连接牢固，绝不能将结构单元之间设计得似分不分，似连不连，“藕断丝连”。
2.2.高层建筑结构的受力特点和工作特点
2.2.1.考虑高层建筑结构的整体工作性能
楼面在其平面内的刚度为无穷大。
竖向荷载大致按受荷面积分配，但水平荷载主要按抗推刚度分配。
按受荷面积分配时：
1/6;
1/3;
1/6.
按协同工作分配时：
4/10;
1/10;
4/10
2.2.2.水平作用对高层建筑结构的影响占主导地位
2.2.3.高层建筑结构刚度大、延性差、易损坏
设计时要注意提高其延性，如强柱弱梁，强剪比弯，强节点比构件，强压弱拉。
2.2.4.考虑结构的薄弱层
进行结构薄弱层验算，满足大震不倒的要求。
2.3.高层建筑结构体系和结构布置
2.3.1.高层建筑结构布置的原则
（1）平面布置简单、规则、对齐、对称，宜采用方形、矩形、圆形、Y形、A形等有利于抵抗水平荷载特别是水平地震作用的建筑平面，平面中若有突出部位，其突出长度上宜减少，凹角处宜采取加强措施。
（2）力求结构的刚心、质心尽可能地和水平外力合力的作用线重台，减少偏心，否则应考虑其不利影响，有时甚至要付出很高的代价。
（3）控制结构的高宽比。
高层建筑的高宽比不宜超过的限值。
（4）沿竖向结构刚度和质量分布均匀，不要发生过大的突变．尽量避免夹层、错层和抽柱等现象。
否则对结构的受力极为不利。
（5）合理地设置变形缝
2.3.2.高层建筑结构体系
（一）框架结构体系
1．柱网布置
在一般情况下应根据使用要求和建筑平面确定框架结构的柱网布置，在考虑层高因素后
初步确定梁和柱截面型式和尺寸。
各种情况下的框架结构柱网布置举例见下图
在高层建筑中梁柱必须做成刚接。
其柱网尺寸在6—8m间较为经济、合理。
柱网可布置成横向框架承重、纵向框架承重和纵横向框架混合承重方案，
2．楼面、屋面层
高层建筑结构设计中应有“楼（层）面层在自身平面内的抗弯刚度为无限大的假定”这就要求其楼（屋）面层除按承受竖向荷裁作用时满足设计要求外，还应保持一定的整体刚度。
当房屋高度超过50m时，应采用现浇楼面其厚度不应小于100mm，房屋高度不超过50m时，除现浇楼面外，还可采用装配整体式楼盖，也对采用与框架梁或剪力墙有可靠连接的预制大楼板楼面。
屋面、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层应采用现浇楼面结构。
（二）剪力墙结构体系
1．剪力墙结构的平面布置
（1）剪力墙应双向或多向布置，宜拉通对直，纵横墙体交叉（以形成T形、工形）等组合截面。
不可布置成不利于抗震设计的鱼骨形，和发生“十字头”
（2）较长的剪力墙可用楼板（无连梁）或弱的连梁分为若干个独立墙段。
每个独立墙段可以是实体墙、整体小开口墙、联肢墙或壁式框架。
每个独立墙段的总高度与长度之比不宜小于2。
2．剪力墙的竖向布置
（1）剪力墙沿坚向应贯通全高，墙厚宜逐步减少、避免刚度突变，造成应力集中。
（2）剪力墙的门窗洞宜上下对齐、成列布首。
形成明确的墙肢和连梁，不宜采用错洞墙
洞口设置应避免墙肢刚度相差悬殊。
（3）墙肢截面高度与厚度之比不宜小于3。
（三）框架—剪力墙结构体系
1．剪力墙的平面布置
（1）地震设防区剪力墙应沿房屋的纵横两个方向布置。
（2）剪力墙宜对称布置在建筑物的端部附近，布置在平面形状变化处（如楼梯间、电梯井）以及恒载大的地方。
剪力墙越靠近端部越能增加结构整体的抗扭转能力。
必须注意将剪力墙的位置调整到抗侧刚度中心尽量和质心接近，以减少地震作用时产生的扭转。
（3）纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内。
房屋纵向较长时，不宜集中在两端布置，否则宜留施工后浇带以减少温度、收缩应力的影响。
（4）当剪力墙墙肢截面宽度过大，可用门窗口或施工洞形成联肢墙。
（5）剪力场布置不宜过分集中，每道剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力的40％。
2．剪力墙的间距
为保证框架—剪力墙结构体系协同式作，剪力墙的间距不能过大。
3．剪力墙的数量
归根结底，剪力墙的数量应由计算决定。
在框架—剪体系中整个建筑物的侧移是否满足要求，很大程度上决定于剪力筋的数量，应最后通过总体侧移的计算来确定其数量（包括截而尺寸）。
但进行初步设计时可利用简赂的估算法定出剪力墙的数量，当在结构计算后不符合要求时、应调整其数量后再重新进行计算。
横向剪力墙数量可采用“壁率”估算，即其涵义为楼层中每单位建筑面积内含有横向剪力墙的长度，其值以5—l2为宜，随结构高度不同作相应调整。
〔四〕底层大空间剪力墙结构布置
1.底层应设落地剪力墙和（或）落地简体*在平面为长矩形的建筑（板式建筑）中，落地横向剪力墙的数目与全部横向剪力墙数日之比，非抗震设汁时不宜少于30％；
需要抗震设防时不宜少于50％。
2．底层落地剪力墙和简体应加厚．并可提高混凝土强度等级以补偿底层的刚度。
上下层刚度比宜接近于l。
非抗震设计时γ个应大于3；
需要抗震设防时，γ不应大于2。
Gi、Gi+1—第j层、第i十l层的混凝土剪切变形模量；
Ai、Ai+1—第i层、第i十l层的折算抗剪截面面积，
Aw—在所计算的力向上，剪力墙有效截面面积；
Ac—全部柱截面面积；
Hi、hi+1第i层、第i十1层层高。
3．落地剪力墙和简体的洞口宜布置在墙体的中部。
4．框支剪力墙结构框支梁上的一层墙体内不宜设边门洞，不得在中柱上方设门洞
5.落地剪力墙的间距L应符合以下规定：
非抗震设计：
L≤B，L≤36m；
抗震设计：
6、7度时，L≤2.5B，L≤30m；
8度时，L≤2B;
L≤24m；
2.4.高层建筑结构的概念设计
1.避免地面变形的直接危害；
选择有利地段
2.减少地震能量输入；
薄的场地覆盖层、坚实的场地土、错开卓越周期。
3.削减地震反应；
提高结构在阻尼、采用高延性构件、附设耗能装置
4.有利的房屋体形；
平面简单、立面均匀变化、合适的房屋高度、不大的房屋高宽比、足够的基础埋深、变形缝的合理设置。
5.合理的结构布置；
结构力求对称、结构竖向等强、屋顶小塔楼的合理设计
6.恰当的结构材料；
7.多道抗震防线；
如框架—剪力墙、框—撑体系、筒体—框架体系、筒中筒体系
8.抗侧力体系的优化；
足够的抗推刚度、结构超定定次数要多、优良的屈服机制、优良的耐震构件和耗能构件
9.控制结构变形；
10.刚度、承载力和延性的匹配；
11.确保结构的整体性；
结构应具有连续性、构件间连接可靠、提高竖向整体刚度
12.减轻自重
减小楼板厚度、尽量减薄墙体、应用高强混凝土、轻质材料的应用
13.妥善处理非结构部件
考虑填充墙的影响、玻璃幕墙的正确构造、外墙板的可靠连接
3.结构设计的一般原则
3.1.基本假定
1.弹性变形假定（用弹性方法分析结构，并考虑构件的弹塑性）
2.刚性楼板假定（diaphragm）
3.平面抗侧力假定（框架或剪力墙仅承受其平面内的内力）
3.2.荷载效应及地震作用效应的组合
高层建筑结构构件承载力应按下列公式验算：
1.无地震作用
（3.1）
ψQ、ψW、—分别为楼面活荷载和风荷载组合系数，当永久荷载效应起控制作用时，0.7，0；
当可变荷载效应起控制作用时，1.0，0.6；
或0.7，1.0；
对书库、档案库、通风机房和电梯机房，楼面活荷载组合系数取0.7的场合应取为0.9.
（1）承载力计算时：
A．永久荷载分项系数：
当其效应对结构不利时，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35，对可变荷载效应控制的组合应取1.2；
当其对结构有利时，取1.0；
B．其它分项系数取1.4
（2）位移计算时，式中各分项系数均应取1.0
2.有地震作用
（3.2）
承载力计算时，分项系数按表3.1取值；
位移计算时取1.0.
3.3.构件承载力计算、结构稳定验算和抗倾覆验算
3.3.1.构件承载力计算
无地震作用
有地震作用
γEK—构件承载力抗震调整系数，考虑到地震作用时间短、材料快速加载时承载力高，对不同的受力状态作相应的调整。
3.3.2.结构稳定验算和抗倾覆验算
1.结构稳定验算
主要控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构失稳倒塌。
对剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构
（3.5）
对框架结构
（i=1,2,…n）（3.6）
2.结构抗倾覆验算
主要考虑高层建筑高度较大，基底面积较小，在水平风荷载和地震作用下，产生较大的倾覆力矩。
（3.7）
Ms—稳定力矩，计算时，恒载取90%，楼面活荷载取50%
Mo—倾覆力矩，按风荷载或地震作用计算。
3.4.高层建筑结构的水平位移限值
在正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。
正常使用条件下的结构水平位移按规定的风荷载、地震作用和规定的弹性方法计算。
按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比△u/h宜符合以下规定
1.高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于下表的限值；
2.高度等于或大于250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于1/500；
3.高度在150～250m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h的限值按以上1和2的限值线性插入取用。
注：
楼层层间最大位移△u以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。
抗震设计时，楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。
3.5.罕遇地震作用下薄弱层抗震变形验算
为了达到大震不倒的目的
1下列结构应进行弹塑性变形验算：
1）7～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；
2）甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；
3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。
2下列结构宜进行弹塑性变形验算：
1）采用时程分析的房屋和竖向不规则类型的高层建筑物；
2）7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；
3）板柱-剪力墙结构。
楼层屈服强度系数为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。
ξy=按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力/按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力
结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式要求
对7、8、9度抗震设计的高层建筑，在罕遇地震作用下，薄弱层（部位）弹塑性变形的计算可采用以下方法：
1.不超过12层且层侧向刚度无变化的框架结构，采用以下简化方法
（1）结构薄弱层位置：
A．楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，取底层
B．楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，取该系
升级会员 