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1、第十一章 高层建筑结构,2,第十一章 高层建筑结构,第一节 高层建筑结构概述,一、高层建筑的概念,3,第十一章 高层建筑结构,二、高层建筑的特点 节约用地； 减少市政基础设施投资； 美化城市环境； 工程造价高； 结构在水平力作用下的内力和侧移大； 技术水平要求高。,第二节 高层建筑结构体系,一、框架结构 可应用于单、多层及小高层建筑中。 一）、特点： 1、建筑特点： 布置灵活，根据使用功能对空间的要求确定柱网。多用于公建。 2、结构特点： 1）、梁、柱刚性连接。2）、延性好，有利于抗震。条件是设计成延性框架。例如不能出现短柱等。 3）、抗侧刚度小，变形大。层数要控制在16层以下为宜。12层左右
2、最经济。,4,第十一章 高层建筑结构,二）、框架结构的类型：,1、根据施工工艺分为： 1）、现浇整体式框架：梁、板、柱所有构件均在现场现浇而成。特点是整体性好，但模板用量大。,2）、半现浇式框架： 梁、柱结构构件为现浇，板为预制构件。或者柱为现浇，梁、板为预制构件。特点是整体性稍差。但可减少现场现浇工作，,3）、装配式框架： 梁、板、柱等结构构件均为预制构件，在现场装配而成。特点是整体性较差。但可减少现场繁重的搭脚手架、支模、绑钢筋、搅拌混凝土、浇筑、养护等工作，特别是现场场地条件受限制时，更具有优越性。采用装配式框架结构施工工艺，其工期比较短。,4）、装配整体式框架： 梁、柱、楼板均为预制，
3、在吊装就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，并在现场浇捣混凝土，形成框架节点，将梁、柱及楼板连成整体。 装配整体式框架既具有良好的整体性和抗震能力，又可采用预制构件，减少现场浇捣混凝土工作量，且可省去接头连接件，用钢量少，因此，它兼有现浇式框架和装配式框架的优点，但节点施工复杂。,2、根据形式分为：,1）、全框架：,2）、半框架,3）、底层框架,三）、框架结构的刚性结点的形成 1、现浇框架和半现浇框架,2、装配式框架刚结点的形成,1）、明牛腿式装配式框架刚结点,焊接,焊接,预埋钢筋,2）、暗牛腿式装配式框架刚结点,3）、装配式框架柱与柱的连接,3、装配整体式框架,四）、框架结构的布置方案,1、横向框架
4、,2、纵向框架,3、纵横向框架,4、柱网尺寸,框架结构的柱网布置通常要满足一下几个方面的要求： (1)柱网布置应满足生产工艺流程的要求： 根据各生产工艺的要求，厂房的平面布置有以下几种。 内廊式柱网：常为对称三跨，边跨跨度(房间进深)常为6m、66m、69m，中间跨为走廊，宽度常为24m、27m、30m。,等跨式柱网适用于需较大空间布置生产工艺的厂房、仓库、商店，其进深常为6m 75m，9m，12m等，开间常为6m。,对称不等跨柱网常用于平面宽度较大，工艺呈环状布置的厂房，常用的柱网有(58+62+62+58)m60m、(75+75+120+75+75)m60m、 (80+120+80)m60
5、m等数种。,(2)柱网布置应满足建筑平面布置的要求。,对于办公、旅馆、商业等不同功能的建筑物，结构布置应满足建筑功能及建筑造型的要求。建筑内部柱网的布置应与建筑分隔墙布置相协调，建筑周边柱子的布置应与建筑外立面造型要求相协调。,1）、各构件内力分配合理均匀 2）、充分发挥结构才料的受力性能 当房间开间小时，可以考虑隔开间设柱，成为纵横向承重框架,(3)柱网布置要使结构受力合理,(4)柱网布置应使施工方便,1）、施工工艺要求：现浇或装配 2）、模数要求，特别是装配框架；现浇框架也会对模数有要求，以减少模板的制作。 3）、构件规格计量统一。,五）、框架结构布置注意事项,1、注意柱网尺寸与开间的协调
6、,2、注意墙、柱关系,忽视梁柱对空间的影响,3、注意墙、梁关系,六）、框架结构构件断面尺寸,考虑强度与刚度的需要，框架横梁及柱的截面尺寸可参照下列数字取值。 梁高：框架梁一般取1/101/12，现在，随着材料性能的提高以及设计理念的变化，梁可以取的再小些。比如美国通常取1/15。梁宽按第一章的要求确定。 柱断面：根据受力确定。在建筑初步设计时，可根据层高、跨度及估算的荷载初定柱界面尺寸。民用房屋方柱较多，400600较为常见。当两方向的跨度差别较大时也经常用矩形柱，如400x600。工业厂房通常用矩形柱400600x700900等。工业厂房装配式框架柱通常用“工”形柱，宽度通常为400，柱的断
7、面高度可达1200,七）、高层框架结构设计注意事项： 1、控制总高度：非地震设防区不超过60米，地震区不超过50米 。 2、由于刚度小，非结构的填充墙和装饰面层采用抵抗变形大的材料，并采用柔性连接。例如外墙装饰面砖不直接用水泥砂浆粘接。,5,第十一章 高层建筑结构,八）、实例： 1）、84年建成的美国加州太平洋公园广场公寓，31层，94.6米,5,第十一章 高层建筑结构,2）国内最高钢筋混凝土框架：北京长城饭店。18层，82.85米。 3）国内最高钢框架：北京长富宫饭店，27层，94.08米。,6,第十一章 高层建筑结构,7,第十一章 高层建筑结构,二.剪力墙结构体系 1、组成 由纵、横向钢筋
8、混凝土剪力墙组成的结构体系。,8,第十一章 高层建筑结构,2、特点： 1）、适用于小空间，如宾馆、高层住宅等 2）、刚度大，竖向和水平方向承载力都很高，所以房屋的最大层数、高度均比框架结构有很大提高。 3）、在抗震区，通过延性设计，来改善其抗震性能（不同于提高其抗震能力）。-主要通过控制墙体截面高度，相应地增加延性钢筋来实现。,二.剪力墙结构体系,9,第十一章 高层建筑结构,3、剪力墙的类型： 1）、整体剪力墙。 2）、小开口剪力墙。 3）、联枝剪力墙。 4）、壁式框架。 4、剪力墙的形式与布置,二.剪力墙结构体系,布置原则：尽量纵横相连，互为翼缘。,10,第十一章 高层建筑结构,5、剪力墙结
9、构体系的应用 1）、普通剪力墙结构。 h/b8的剪力墙结构都是普通剪力墙结构。 2）、短肢剪力墙结构。 8h/b5的剪力墙结构。 3）、异形柱结构。 h/b5时称为异形柱结构。 三种结构在规范中对其要求是不同的，因此使用时要明确是哪一种体系。,二.剪力墙结构体系,11,第十一章 高层建筑结构,6、框支剪力墙结构 在高层剪力墙结构中，为了使底部一层或数层获得大的空间，通常在下部设置少量剪力墙，而是采用框架来支撑上部的剪力墙结构，从而形成框支剪力墙结构。 设计注意事项： 1）、加强框支层的刚度。相邻两层刚度比要满足 规范要求。 2）、转换构件的设置。（大梁、厚板、桁架。）,二.剪力墙结构体系,12
10、,第十一章 高层建筑结构,二.剪力墙结构体系,大梁；b) 桁架；c) 墙梁；d) 间接拱；e) 有叉形端的柱；f) 拱,13,第十一章 高层建筑结构,1、组成 在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。,三.框架剪力墙结构体系,14,第十一章 高层建筑结构,三.框架剪力墙结构体系,2、特点 具有框架结构和剪力墙结构共同的特点。 3、适用建筑 公共建筑和办公楼等建筑中得到广泛应用。 4、在这种结构体系中，剪力墙的数量一般很少即可满足要求，关键是布置要合理。,15,第十一章 高层建筑结构,四.筒体结构体系,1、组成 由竖向筒体为主组成的结构体系。,16,第十一章 高层建筑结构,2）特点 空
11、间受力性能好；承载力和 刚度大；抗弯、抗扭性能良好。,3）分类 框架核心筒结构； 筒中筒结构； 成束筒,框架内单筒； b) 单筒外移式框架单筒； c）框架外单筒； d) 筒中筒；e) 束筒,17,第十一章 高层建筑结构,18,第十一章 高层建筑结构,五.巨型框架结构体系 由若干个“巨大”的竖向支撑结构（如组合柱、角筒体等）作为柱并与梁式或桁架式转换楼层结合形成的结构体系。,19,第十一章 高层建筑结构,20,第十一章 高层建筑结构,第三节 高层建筑结构体系选型的原则,一、从建筑设计的角度 .满足建筑使用功能的要求 满足建筑造型艺术的要求 适应未来发展与灵活改造的需要,常用结构体系所能提供的内部
12、空间,高层住宅建筑结构体系选型的特点： 高层住宅建筑由于其使用功能上的特点，要求在 平面布置中有许多纵、横内隔墙，剪力墙结构能很好 地适应这种要求，加上它施工较为方便，技术经济指 标较好，抗震性能可靠，所以剪力墙结构体系就成为 高层住宅建筑结构体系选型的首选方案。而框架结构 体系的梁、柱楞角露出于屋内，影响美观和使用，且 框架结构体系与剪力墙结构体系相比，适应高度相对 较低，施工相对复杂，抗震性能相对薄弱，所以我国 各地在高层住宅中较少采用框架结构体系。,高层旅馆及公寓建筑结构体系选型的特点： 高层旅馆按其建筑功能一般可分为客房部分及公 共部分。高层旅馆的客房部分与公寓一般要求较密的 隔墙，与
13、住宅建筑比较类似，宜主要选用剪力墙结构 体系。而公共部分一般是大厅、会议室或公共娱乐场 所，要求较大空间，宜主要选用框架或框架剪力墙 结构体系。,不同条件下高层旅馆及公寓适宜采用的结构体系,高层公共建筑结构体系选型的特点： 高层公共建筑包括的范围很广，例如：机关办公楼、商贸写字楼、医院病房楼、学校教学楼、图书馆、商场及公共娱乐场所等。按其建筑功能的要求，需要较大空间，能适应灵活布置。,25,第十一章 高层建筑结构,二.从结构设计的角度 符合现行有关规范 正确的结构概念设计 先进的结构理论概念 合理的传力途径 合理的应力分布 合理的破坏机制 抗风的有效性与合理性 抗震的可靠性与安全性(保证抗震设
14、防目标一小震不坏，大震不倒，中震可修),1、高层建筑结构设计的主要特点： （1）、水平荷载在高层建筑结构设计中起控制作用 在多层建筑中控制结构设计的是以重力为代表的竖向荷载，而在高层建筑中，即使重力荷载仍然对结构设计具有重要的影响， 但起控制作用的则是水平荷载 (风荷载和地震作用)。 通常在竖向荷载作用下竖向构件中的轴力N随结构高度H呈线性关系的增长，而水平荷载作用下的结构底部弯矩M则是随结构高度H的二次方关系而急剧增长的，如下式所示:,26,第十一章 高层建筑结构,（2）、侧向位移在高层建筑结构设计计算中必须加以限制。 随着建筑高度H的增大，水平荷载作用下结构的侧向位移急剧增大。结构顶点侧移
15、凸与建筑高度H呈四次方的关系，为下式所示：,竖向荷载、水平荷载、顶点位移与高度的关系示意图：,（3）、轴向变形在高层建筑的侧移中占有重要的份额,20层双肢剪力墙位移计算结果比较,2、非地震区高层建筑结构体系 （1）、风荷载作用在非地震区高层建筑结构设计中起控制作用。 在风荷载作用下高层建筑可能出现：(a)层间位移过大，导致高层建筑的承重构件(梁、柱、墙等)或非承重构件(填充墙等)出现不同程度的损坏；(b)摆动幅度过大，使在高层建筑中居住和工作的人感到不舒服。因此高层建筑不但要满足承载能力的要求，同时高规也提出了高层建筑的层间位移限值和顶点位移限值。,30,第十一章 高层建筑结构,(2)、非地震
16、区高层建筑抗风结构体系选型的基本原则 a宜选用有利于抗风作用的高层建筑体型。 实际来讲就是宜选用风压较小的建筑体型状，比如圆形、椭圆形等流线型体型。 法国巴黎的法兰西大厦，体型为椭圆形，计算表明，其风荷载数值比相应采用矩形平面体型的减少27。一般来说，圆形平面比同一尺度矩形平面体型约可减少风荷载2040，结构的风振加速度也相应减小。 因此，应对所设计的建筑体型系数有所了解。,31,第十一章 高层建筑结构,b在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称，以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的不利影响。 c在高层建筑的抗风设计中，不仅要考虑总体风荷载的作用，而且还要
17、考虑局部风荷载对某些部位、某些构件(例如：阳台、雨篷、遮阳板等悬挑构件，或外墙挂板、玻璃幕墙等围护构件)的不利作用，并进行必要的验算。 为了减轻高层建筑在竖向楞角部位的局部风压集中，对于矩形及三角形平面的高层建筑可在其转角部位切角或形成圆角。 d. 控制最大高度 e. 控制高宽比,32,第十一章 高层建筑结构,f在设计中可将高层建筑的某层、或某几层形成通透，对风荷载的作用就如同设置了排风口，可使风荷载作用下迎风面的气流从透空层泄出，以减小风荷载对结构的作用。,下图为设置透空层的日本NEC大楼，它是通过风洞试验对气流的研究而设计的。这种处理在建筑造型上也取得了很好的效果。,33,第十一章 高层建
18、筑结构,3、地震区高层建筑结构体系,(1)、基本概念 a、基本烈度 基本烈度是指一个地区今后一定时间内(一般指100年)，在一般场地条件下可能遭遇的最大烈度，是抗震设防的基本依据。 b、建筑重要性分类 为了针对重要性不同的建筑，相应采取不同的抗震设防标准，建筑抗震设计规范将各种建筑物按其重要性之不同划分为甲、乙、丙、丁四类。 c、设防标准和设防烈度。大多数情况下，建筑物的设防烈度为本地区的基本烈度。 d、抗震设防目标：“三水准”的抗震设防目标。,34,第十一章 高层建筑结构,e、抗震等级 高规(JGJ32002)规定， 应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用结构抗震等级。抗震等级的划分体现了对
19、不同结构构造措施的严格程度，并相应地体现了不同的设计计算方法。 一级要求最严，二级次之，三级再次之，四级最低。,35,第十一章 高层建筑结构,（2）、高层建筑结构体系震害的主要特点： a、地震引起山崩、滑坡、地陷、地面裂缝或错位等地面变形，造成高层建筑破坏。 b、在地下水位较高、砂层埋深较浅的平原地区，地震引起砂土液化，造成高层建筑不均匀下沉、整体倾斜或开裂破坏。 c、在软弱地基地区，特别是在具有深厚软弱冲积土层的场地上，高层建筑的破坏率显著增高。土层越厚，土质越软，表土层的自振周期越长，当与建在这种土质上高层建筑的自振周期相近时，所引起的共振将大大加剧高层建筑的震害。所以，地基土质条件从根本
20、上影响着高层建筑的动力特性和地震反应，从而也影响着高层建筑的震害。,36,第十一章 高层建筑结构,d、从当前我国高层建筑中最广泛应用的三大结构体系在地震中的震害程度而言，以框架结构体系相对较重，剪力墙结构体系较轻，框架剪力墙结构体系居中。 e、柔弱底层且沿竖向刚度突变的底层空旷高层建筑(例如框支剪力墙等)往往在地震中震害较重，甚至有倒塌的。 f、屋顶局部突出，且沿竖向刚度突变的高层建筑，由于鞭梢效应的影响，往往在地震中出现顶部塔楼破坏。顶层空旷对抗震不利，地震时易生震害。,37,第十一章 高层建筑结构,g、建筑平面过于复杂，质量中心与刚度中心偏离过大，往往在地震中由于扭转效应的影响而遭到较重的
21、震害。 h、建筑平面及竖向体型复杂的高层建筑震害破坏率显著提高。 i、防震缝宽度不足，缝两侧的建筑在地震中发生碰撞而遭到破坏。 j、采用无梁楼盖的板柱结构体系在地震中往往由于楼层侧移过大，出现柱顶、柱脚破坏、楼板冲切破坏、各层楼板坠落等破坏。,38,第十一章 高层建筑结构,(3)、地震区高层建筑设计基本原则： a、选场地。当有条件选择建筑场地时，宜选择对抗震有利的地段；避开对抗震不利地段；当没有条件选择建筑场地，无法避开对抗震不利地段时，应采取适当的抗震措施。不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。 b、选基础型式。根据上部结构情况、工程地质、施工条件等因素综合考虑确定，选用整体性较好的箱形、筏形
22、或交叉梁式基础。如地基土质较差，采用上列各种类型基础不能满足设计要求，或经过经济比较采用天然地基造价较高时，可考虑选用桩基础。,39,第十一章 高层建筑结构,c选结构体系。 具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力(或对重力荷载的承载能力)； 具有必要的强度和刚度，良好的变形能力和吸能能力，结构体系的抗震能力表现在强度、刚度和变形能力恰当的统一； 具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。,40,第十一章 高层建筑结构,d、注意限值和规则。 限制最大高度 限制高宽比
23、 符合层间位移限值和顶点位移限值要求。 地震区高层建筑结构的平面布置避免不规则： 平面宜简单、规则、对称、减少偏心，否则应考虑由于扭转对结构受力的不利影响。 平面长度，及结构平面外伸部分长度l均不宜过长，否则会由于地震作用下各部分振动相位差异而导致复杂的空间振动，对结构抗震不利。,41,第十一章 高层建筑结构,地震区高层建筑结构的竖向布置，符合以下要求的高层 建筑可按竖向规则建筑进行抗震分析。 立面收进部分的尺寸比值 B1B075 沿竖向，结构的侧向刚度变 化较均匀，构件截面由下至上逐 渐减小，不突变。当某些楼层的 刚度小于上层时，应不小于相邻 的上层刚度的70；连续三层刚 度逐层降低后，不小
24、于降低 前刚度的50。 e、 合理设缝。 通过合理的计算模型，构造措施和施工措施尽量不设缝或少设缝，必须设时，应满足要求。,44,第十一章 高层建筑结构,四.从建筑设备的角度: 便于设备的安装与检修 便于管道、线路的布设与穿越 保证设备的正常运行,三.从建筑施工的角度 有利于建筑工业化 有利于施工操作 有利于控制质量 有利于缩短工期 .有利于降低造价,45,第十一章 高层建筑结构,五.从建筑材料的角度: 轻质高强材料的应用 -有利于减小构件截面、减轻结构自重 新型建筑材料的应用 -有利于利用工业废料、节约能源 组合结构体系的应用 -有利于充分发挥各自材料之长处,46,第十一章 高层建筑结构,六
25、.从综合技术经济指标的角度: 单位面积的自重 单位面积的材料用量 单位面积的造价 单位面积的用工量 施工工期 节能技术经济指标 七.其他 人防 消防,47,第十一章 高层建筑结构,第四节 高层建筑结构布置实例,48,第十一章 高层建筑结构,广东国际大厦位于广州市环市东路，是一幢综合性的大型建筑，总建筑面积约18万平方米，由三个塔楼和环绕的裙房组成，总平面示意如图。主塔楼63层，两个副塔楼分别为33层和30层，裙房5层。,广东国际大厦,49,第十一章 高层建筑结构,主塔楼结构平面,广东国际大厦,50,第十一章 高层建筑结构,圆塔形方案,上海新锦江饭店,51,第十一章 高层建筑结构,矩形方案,上海
26、新锦江饭店,52,第十一章 高层建筑结构,三角形方案,上海新锦江饭店,53,第十一章 高层建筑结构,最终方案,上海新锦江饭店,54,第十一章 高层建筑结构,立面,广州白天鹅宾馆,55,第十一章 高层建筑结构,标准层平面,广州白天鹅宾馆,56,第十一章 高层建筑结构,剖面,深圳外贸中心大厦,57,第十一章 高层建筑结构,首层平面,深圳外贸中心大厦,58,第十一章 高层结构房屋,标准层平面,深圳外贸中心大厦,59,第十一章 高层建筑结构,首层结构平面,深圳中国银行大厦,60,第十一章 高层建筑结构,主塔楼结构平面,深圳中国银行大厦,61,第十一章 高层建筑结构,结构平面,汇丰银行,62,第十一章 高层建筑结构,正立面,汇丰银行,63,（a）上海金茂大厦,（b）马来西亚吉隆坡双塔大厦,第十一章 高层建筑结构,64,（c）上海扬浦大桥,（d） 上海电视塔,第十一章 高层建筑结构,65,第十一章 高层建筑结构,美国西尔斯大厦,66,第十一章 高层建筑结构,美国西尔斯大厦,67,第十一章高层建筑结构,美国西尔斯大厦,68,第十一章 高层结构房屋,美国西尔斯大厦,