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1、高层建筑混凝土结构设计,第2章 高层建筑的结构方案,2,1、侧移成为控制指标,2.1 高层建筑结构的受力特点,3,台北101大楼,4,随着房屋高度（H）的增加，房屋的侧移以4次方的关系增大，因此，房屋的抗侧移刚度（EI）成为决定高层建筑结构方案应考虑的主要因素。,5,1m,1m,8m,1m,2m,2m,8m,2、增大刚度的有效措施,当柱的抗侧移刚度不足时，利用截面高度数倍于柱的钢筋混凝土墙（剪力墙），可大幅度的提高房屋的抗侧移刚度。,6,比较以上几种结构方案可以看出，尽管截面面积相同，合理改变结构形式可以大大提高刚度。,如下图所示，设塔楼平面尺寸相同，边长均为5.2m，结构截面面积均为4m2。
2、,方案1：,方案2：,方案3：,方案4：,3.关于刚度的进一步探讨,7,若将内部楼电梯间井筒或整个外墙做成筒状钢筋混凝土抗侧力构件（筒体），则可获得更加强大的抗侧移刚度。,8,2.2 高层建筑的结构体系,常用结构体系,框架结构 剪力墙结构 框架剪力墙结构 筒体结构,一、框架结构,：由立柱和横梁在节点刚结所构成的结构。,9,框架结构的优缺点： 由于框架柱的抗侧移刚度较小，因此，框架结构主要用在层数不多、水平荷载较小的情况。 框架中的墙体属填充墙，一般采用轻质材料填充，起保温、隔热、分割室内空间作用，因此它的平面布置灵活，可提供较大的室内空间。 框架结构的适用范围： 框架结构适用于各种多层工业厂房
3、和仓库及大多数民用建筑，如办公楼、旅馆、医院、学校、商店及住宅。,10,剪力墙示意图,剪力墙结构平面示意图,二、剪力墙结构：由底部与基础固结的纵横向钢筋混凝土墙体组成的结构。,11,剪力墙结构的优缺点： 由于剪力墙结构的抗侧移刚度较大，可承受较大的水平荷载。所以，当高层房屋的层数较多，水平荷载较大时，可考虑采用剪力墙结构。 剪力墙结构中受力墙体（剪力墙）较多，难于布置面积较大的房间，因此它主要用于住宅、公寓、旅馆等对室内面积要求不大的建筑物。 对于旅馆建筑中的门厅，休息厅、会议室等大空间部分，可通过附建裙房加以解决，对于必须在高层底部布置大空间的结构，可将剪力墙结构底部一层或几层取消部分剪力墙
4、，代之以框架及其它转换结构（如厚板等转换层）构成框支剪力墙结构体系。这种结构体系由于刚度突变导致应力集中，震害调查表明此部位结构破坏严重，因此，底部被取消的剪力墙数量不应过多。,12,三、框架剪力墙结构：在框架中适当部位设置剪力墙的结构。,框架剪力墙结构,框架剪力墙结构综合了框架和剪力墙结构的优点，既具有较大的抗水平力能力，又可提供较大的室内空间和较灵活的平面布置。 适用于办公楼、旅馆、公寓、住宅等建筑。,13,一般筒体有两种形式,剪力墙内筒（核心筒）:由电梯间、楼梯间及设备管井组成， 底端固定于基础顶面，呈竖向放置的薄壁悬臂梁。 框筒：由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗裙梁 组成。,
5、四、筒体结构：由一个或多个筒体组成的结构称为筒体结构。,14,筒体结构包括,框架核心筒 框筒 筒中筒 成束筒,框架剪力墙,核心筒,框架核心筒,（应按剪力墙考虑）,15,框筒受力特点：,存在“剪力滞后”现象,理想筒体在水平力作用下截面保持平面，正应力沿腹板直线分布，沿翼缘正应力均匀分布；而框筒则不再保持平截面变形，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，翼缘框架柱的轴力也不是均匀分布，靠近角部的柱子轴力大，远离角部的柱子轴力小。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为“剪力滞后”。,16,17,成束筒结构,18,19,A 级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）,注：1 表中框架不含异形柱框架； 2 部
6、分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构； 3 甲类建筑，6、7、8 度时宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合本表的要求， 9 度时应专门研究； 4 框架结构、板柱-剪力墙结构以及9 度抗震设防的表列其他结构，当房屋高度超 过本表数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效的加强措施。,20,B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）,注: 1 部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构； 2 甲类建筑，6、7 度时宜按本地区设防烈度提高一度后符合本表的要求，8 度 时应专门研究； 3 当房屋高度超过表中数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效的加强措 施。,21,
7、22,悬挂结构是以筒体、桁架等作为主要受力结构，全部楼盖均以钢丝束或预应力混凝土吊杆悬挂在上述主要受力结构上，一般每段吊杆悬挂10层左右。这种结构体系为敞开底部或其它部位空间创造了有利条件。,23,香港汇丰银行 悬挂结构，平面为72m55m，高180m，地面以上43层，采用巨型桁架，分五层悬挂在八根巨型格构式柱上。,24,巨型框架结构是将房屋沿高度以每10层左右为一段，分为若干段，每段设一巨大的传力梁（梁高一般为12层楼高），与巨大的房屋角柱形成一级巨型框架，承受主要的水平和竖向荷载，其余的楼面梁、柱组成二级结构，二级结构只将楼面荷载传到一级结构上，这样二级结构的梁、柱截面尺寸可以减小，增加了
8、有效使用面积。巨型横梁下的楼层可以不设中间小柱，便于布置需要大空间的房间，如会议室、餐厅、游泳池等。,25,巨型桁架结构是由巨型立柱和斜向支撑形成的空间巨型桁架作为建筑物的主要受力骨架，这种体系的抗倾覆力矩大，桁架斜杆可有效传递水平力，提高了房屋的抗侧移刚度，使材料强度得到充分利用。,26,27,带刚性加强层的结构主要用在房屋高宽比较大的框架筒体结构中，通过刚性加强层可使外围的框架柱与核心筒共同抵抗侧向力，以达到减小核心筒底部弯矩及减小房屋侧移的目的。,28,29,一、结构平面布置 1.原则：结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。否则会产生过大的
9、偏心，导致扭转过大。,2.3高层建筑的结构布置,30,平面尺寸及突出部位尺寸的比值限值,2.平面尺寸及突出部位尺寸的比值限值,31,马那瓜中央银行大厦(1972年8度地震时严重破坏）,32,马那瓜美洲银行 (1972年8度地震时轻微损坏）,33,位移比限值：,楼层竖向构件最大的水平位移以及层间位移，A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.5 倍； B级高度高层建筑的位移比限值详见高规。,结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期 T1之比，A 级高度高层建筑不应大于0.9； B 级高度高层建筑的周期比限值详见高规。,周期比限值：,为减少扭转效应
10、的不利影响，应对位移比、周期比加以控制。,位移比限值为1.2 倍时， 相当于最大位移是最小位移的1.5倍； 位移比限值为1.5 倍时， 相当于最大位移是最小位移的3倍；,目的是限制结构的抗扭刚度不 能太弱。当两者接近时，由于 振动耦联的影响，结构的扭转 效应明显增大。,34,二、结构竖向布置,结构沿竖向抗侧移刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀连续，尽量减少突变。在实际工程中，是通过改变抗侧移构件的截面尺寸及混凝土强度等级来实现刚度的递减，但改变次数不宜过多。,35,当H1/H0.2时，B1/B0.75,要求B1/B 1.1,且a4m,结构外挑、内收示意图,抗震设计时，对框架结构，楼层与其相邻上
11、层的侧向刚度比值不宜小于0.7，与相邻上部三层侧向刚度平均值的比值不宜小于0.8； 对框架-剪力墙和板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中 筒结构，楼层与其相邻上层的侧向刚度比值不宜小于0.9，当本层层高大于相邻上层层高的1.5 倍时，该比值不宜小于1.1，对结构底部嵌固层，该比值不宜小于 1.5。,36,限制高宽比的目的：为了从宏观上控制结构的刚度、整体 稳定、承载能力和经济合理性。,高宽比限值,钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比,楼层质量沿高度宜均匀分布，楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍。,37,1) 顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋
12、率； 2) 顶层加强保温隔热措施，外墙设置外保温层； 3) 每3040m 间距留出施工后浇带，带宽8001000mm，钢 筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在45d后浇筑； 4) 采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适 宜的外加剂； 5) 提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构。,三、高层建筑的变形缝（包括伸缩缝、沉降缝、防震缝）,1.伸缩缝,伸缩缝的最大间距,当采用有效的构造措施和施工措施减少温度和混凝土收缩对结构的影响时，可适当放宽伸缩缝的间距。这些措施主要包括下列方面：,38,北京京伦饭店长度达138米未设伸缩缝,39,2.沉降缝 对带有裙房的高层建筑沉降观测表明：地基沉降曲
13、线在高低层连接处是连 续的，不会出现突变。高层主楼地基下沉，由于土的剪切传递，高层主楼以外 的地基随之下沉。因此，裙房与主楼连接处不会出现突变的差异沉降，而是在 裙房若干跨内产生连续的差异沉降。现在全国各地高层主楼与裙房之间根据使 用功能要求多数不设永久缝。 高层建筑的基础和与其相连的裙房的基础，若采取有效措施的，或经过计 算差异沉降量引起的抗弯承载力满足要求的，裙房与主楼连接处可以不设沉降 缝。,40,高层建筑的基础和与其相连的裙房的基础，设置沉降缝时，应考虑高层主楼基础有可靠的侧向约束及有效埋深。,41,防震缝的最小宽度,框架 当H15m时，=100mm 设防烈度为 6 7 8 9度 H每增加 5m 4m 3m 2m 防震缝宽度增加20mm 框架-剪力墙，缝宽为框架的70% 剪力墙，缝宽为框架的50% 缝宽均应100mm,对于体型复杂、平立面特别不规则的建筑，为减少震害，可以考虑设置防震缝，使其形成多个较规则的单元。防震缝的最小宽度是根据地震中缝两侧的房屋不发生碰撞的条件确定的。,3.防震缝,H按缝两侧较低的房屋高度确定;当缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度按不利体系考虑。 在地震区，当高层建筑设有伸缩缝或沉降缝时，其缝宽应按防震缝宽度确定。,