《建筑結(jié)構(gòu)選型》（第二版）課件第四章

1、第四章 高層建筑結(jié)構(gòu)的其它設(shè)計方法第一節(jié) 高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況第二節(jié) 選擇有效的房屋形式以控制側(cè)移第三節(jié) 結(jié)構(gòu)選型與建筑體型的相互配合第四節(jié) 多層與高層地下室的設(shè)置與基礎(chǔ)類型第五節(jié) 轉(zhuǎn)換層在多、高層建筑中的應(yīng)用第六節(jié) 高層建筑塔樓旋轉(zhuǎn)餐廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計第七節(jié) 高層建筑的防火第一節(jié) 高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況*我國高層建筑主要采用什么材料？所用結(jié)構(gòu)體系有哪一些？主要采用的結(jié)構(gòu)體系是什么？為什么？（重點(diǎn)）1）我國高層建筑主要采用鋼筋混凝土材料。2）所采用的結(jié)構(gòu)體系有框架、框-剪、全剪、框筒、筒中筒、巨型框架。3）主要采用剪力墻體系，不僅經(jīng)濟(jì)合理，而且還可以大量使用滑模施工。*. 高層建筑的特點(diǎn)有哪些？1

2、）在相同的建設(shè)場地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決地價高漲的問題。但高層建筑太多、太密集也會對城市帶來熱島效應(yīng)，玻璃幕墻過多可能造成光污染。2）建筑高層建筑可留下更多的空閑地面，用作綠化和休息場地。3）可縮小城市平面規(guī)模，縮短城市道路和各種公共管線的長度，節(jié)約城市建設(shè)和管理的投資；但人口過份密集也會造成交通擁擠，出行困難。 4）高層建筑要有電梯且防火要求較高，其工程造價及運(yùn)行成本較高。5）高層建筑的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計較復(fù)雜（風(fēng)荷載和地震荷載在高層建筑分析設(shè)計中起重要作用）。高層建筑設(shè)計要點(diǎn) 不僅需要較大的承載力，而且需要較大的剛度，抗震設(shè)計中，還應(yīng)具有延性。 因為：舒適感（

3、特別是風(fēng)荷載下）過大側(cè)面變形會引起填充墻、裝修出裂、損壞，電梯軌道變形，影響使用或修復(fù)費(fèi)用高。主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，甚至損壞使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至引起倒塌 因此：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為關(guān)鍵。高層建筑所采用的材料有哪些? 1.鋼結(jié)構(gòu)：鋼材強(qiáng)度高，韌性大，易于加工，施工方便，工期短，結(jié)構(gòu)斷面小，自重輕，抗震性能好，造價高，耐火性能差。適用于軟基、抗震要求高的高層、超高層建筑。 2.鋼筋砼結(jié)構(gòu)：造價低，材料來源豐富，可塑性好，剛度大，防火性能好，經(jīng)合理設(shè)計，可獲得較好的抗震性能。斷面大，自重大，施工周期長。西爾斯大廈-鋼結(jié)構(gòu) 鋼材強(qiáng)度高、韌性大、易于加工。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在工廠加工，縮

4、短了現(xiàn)場施工工期，施工方便。高層鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)斷面小、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，高層鋼結(jié)構(gòu)用鋼量大，造價高，而且鋼材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐處理，增加了工程工期和造價。 3.混合結(jié)構(gòu)（鋼+鋼筋砼）兩種組合方式：1，鋼骨（或型鋼）混凝土構(gòu)件，鋼管混凝土2，部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)，另一部分用鋼筋砼（或鋼骨砼）結(jié)構(gòu)綜合上述兩者優(yōu)點(diǎn)。鋼骨混凝土和鋼管混凝土將型鋼布置在構(gòu)件內(nèi)部，外部由鋼筋混凝土做成，或者是在鋼管內(nèi)部填充混凝土，做成鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。此種形式使上述兩種結(jié)構(gòu)材料優(yōu)勢互補(bǔ)，結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性能，建造高度可與鋼結(jié)構(gòu)相當(dāng)。經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能優(yōu)良的鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，是

5、目前的發(fā)展趨勢。目前世界最高建筑吉隆坡的石油大廈，就是這種結(jié)構(gòu)形式。 高層建筑發(fā)展的里程碑1）1885年：磚墻，鑄鐵柱，鋼梁；家庭保險大樓2）1889年：鋼框架：埃菲爾鐵塔（電梯）3）1903年：鋼筋混凝土框架（Ingalls大樓）4）20世紀(jì)初：鋼框架+支撐（紐約帝國大廈）5）二次大戰(zhàn)后：鋼筋混凝土+剪力墻，鋼筋混凝土剪力墻，預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（焊接）6）20世紀(jì)五十年代：鋼框架+鋼筋混凝土核心筒，鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（高強(qiáng)螺栓）7）20世紀(jì)60年代末和70年代初：框筒，束筒，懸掛，結(jié)構(gòu)，偏心支撐和帶縫剪力墻板框架（世界貿(mào)易 大廈等-風(fēng)洞試驗，壓型鋼板組合樓板，輕質(zhì)防火隔墻，粘彈性阻尼器減輕風(fēng)

6、振效應(yīng)）8）20世紀(jì)80年代：巨型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)（主動控制技術(shù)和混合控制技術(shù)）9）20世紀(jì)80年代中期：被動耗能結(jié)構(gòu)，主動控制結(jié)構(gòu)，混合控制結(jié)構(gòu)很多專家通過觀看大樓倒塌的錄像認(rèn)為，雖然飛機(jī)沖撞對大樓確實(shí)造成了一定的破壞，但隨后燃起的大火才是造成樓房倒塌的直接原因。清華大學(xué)教授吳煥加在接受記者采訪時說，冉冉烈火使大樓的鋼鐵支架幾近熔化，最終導(dǎo)致大樓失去支撐而轟然倒塌。他說：“即便是飛機(jī)猛撞向大樓，它也不至于倒塌。不過，飛機(jī)上載有數(shù)量巨大的汽油，燃起的大火使樓墻中的部分鋼筋熔化了?！?*. 高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是什么？1）新材料的開發(fā)與應(yīng)用：混凝土的強(qiáng)度等級不斷得到改善；高強(qiáng)且可焊

7、性好的厚鋼板及耐火鋼材FR鋼出現(xiàn)。2）高層建筑的高度將出現(xiàn)突破。3）利用組合結(jié)構(gòu)的高層將增多：包混凝土組合柱、鋼管混凝土組合柱、外包混凝土的鋼管混凝土雙重組合柱、巨型組合柱。4）新型結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用將增多：桁架筒體、巨型框架體系、多束筒體系。5）耗能減震技術(shù)的應(yīng)用將得到發(fā)展：被動減震及主動減震；被動耗能減震有耗能支撐，帶豎縫耗能剪力墻、被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、油阻尼器。主動減震則是計算機(jī)控制的，由各種作動器的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動控制或混合控制的各種作用過程。第二節(jié) 選擇有效的房屋形式以控制側(cè)移*控制側(cè)移的房屋形式有哪一些？ 外柱傾斜的房屋形式；上窄下寬的房屋形式；圓形或橢圓形的房屋形式；三角形

8、的房屋形式；新月形的房屋形式；第三節(jié) 結(jié)構(gòu)選型與建筑體型的相互配合在側(cè)向力作用下，框架和剪力墻的自由變形不同，但由于各層樓面在其自身平面上的剛度很大，這就迫使剪力墻與框架在每層樓面標(biāo)高處的側(cè)移要相等。在房屋的上面部分，剪力墻被框架往后拉，而在房屋下面部分，剪力墻被框架向前推，使整個組合體系的最后變形為一平緩的S形曲線，房屋的側(cè)移就大為減少。 巴黎臺方斯大門梅田大廈石油大廈中環(huán)大廈帝王大廈同濟(jì)大學(xué)圖書館第四節(jié) 多層與高層地下室的設(shè)置與基礎(chǔ)類型*為什么多層和高層房屋應(yīng)設(shè)置地下室？（難點(diǎn)）1）一種出于使用要求。地下室可作為停車場和汽車庫，倉庫、機(jī)房、配電間等一系列附屬用房可設(shè)于地下，還有人防方面的考

9、慮。2)更主要的是出自結(jié)構(gòu)的考慮和需要，因為設(shè)置地下室可以減輕地基壓力，提高房屋層數(shù)增加房屋抗傾覆能力和改善房屋的抗震性能。* 高層建筑地下室的作用是什么？1）利用土體的側(cè)壓力防止水平力作用下結(jié)構(gòu)的滑移、傾覆。2）減少土的重量，降低地基的附加壓應(yīng)力。3）提高地基土的承載力。4）減少地震作用對上部結(jié)構(gòu)的影響。如何確定高層建筑基礎(chǔ)的有效埋深?筏形基礎(chǔ)箱形基礎(chǔ)樁基人工挖孔樁*選擇基礎(chǔ)形式要考慮哪一些因素？1）上部結(jié)構(gòu)的層數(shù)與荷載情況是決定形式的重要因素。2）上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系也直接影響基礎(chǔ)形式的選擇。3）地基條件，如地基的土層分布，各土層的強(qiáng)度與變形性質(zhì)，地下水位情況等，是選擇基礎(chǔ)形式的最

10、根本依據(jù)。4) 經(jīng)濟(jì)上合理，施工技術(shù)上可能和方便，也是選擇基礎(chǔ)形式必需加以重視的重要因素。第五節(jié) 轉(zhuǎn)換層在多、高層建筑中的應(yīng)用*.轉(zhuǎn)換層的定義 轉(zhuǎn)換層屬于水平結(jié)構(gòu)體系，用它去改變下方樓層柱子的排列,或者過渡上下層剪力墻的不同布置，以此獲得特別的樓層柱網(wǎng)-創(chuàng)造大空間并將上部荷載傳遞到下面相對少而大的幾根柱或幾片墻上。一般來說，轉(zhuǎn)換層中的大梁很大，可以達(dá)到一兩個樓層高。*轉(zhuǎn)換層大梁的基本特點(diǎn)是什么？（重點(diǎn)）1）大梁與支承柱聯(lián)結(jié)處應(yīng)力高度集中、復(fù)雜，容易引起震害，應(yīng)有專門的構(gòu)造處理。2）豎向荷載很大，成為設(shè)計控制因素。3）由于跨度大，大梁的垂直撓度成為嚴(yán)格控制的目標(biāo)。4）截面尺寸大，自重大，耗費(fèi)材料

11、多，造價昂貴。5) 連續(xù)施工的勞動強(qiáng)度大，施工過程復(fù)雜。*轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)置形式和轉(zhuǎn)換層的形式有哪一些？1）底層要求大空間。（1）轉(zhuǎn)換層設(shè)置的位置有承托式（底層）和懸挑式（頂層）兩種，對每一種又有橋式結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換層中部支承在一個強(qiáng)勁的筒體上，而四面向外懸桃兩種形式。（圖4-15）（2）轉(zhuǎn)換層的形式有傳力梁、傳力桁架、傳力墻梁、間接的拱作用、有叉梁的柱和傳力拱。（圖4-16）2）任意層上要求敞開空間或改變柱列的情況。轉(zhuǎn)換層可分段布置，可形成大框架套小框架結(jié)構(gòu)，間隔布置，托掛兼可。（圖4-17）*。轉(zhuǎn)換層大梁在平面上的布置。1。擴(kuò)大底層入口，過渡上下層柱列的疏密不一。（a,b)2。內(nèi)部要求盡量敞開自由

12、空間。（c,d,e,f,g,h)3。圍繞巨大芯筒在底層四周自由敞開。（i,j,k)*。傳遞豎向荷載的轉(zhuǎn)換層大梁體系 通過具有大空間樓層的豎向荷載傳經(jīng)下部柱網(wǎng)（a），桁架體系（b,c)、實(shí)體墻梁體系（d,e）等常規(guī)的平面體系。可以是很大的空間體系-格構(gòu)式體系（f）、筒體體系（g,h）、箱形體系、甚至可以是多箱組合體系（j） 。*。如何選擇轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系？必須綜合考慮各個因素，做到既安全又經(jīng)濟(jì)，有關(guān)的主要因素是：建筑使用功能，結(jié)構(gòu)方案（包括選用材料，受力特點(diǎn)），以及施工條件與技術(shù)等。它們之間應(yīng)盡量兼顧考慮，有時候也許只顧及突出矛盾的一面而忽略相對次要的因素。*。舉例說明轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的選擇1.用于懸掛

13、的，多考慮輕質(zhì)高強(qiáng)而便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝的鋼桁架及其空間形式；2.對于希望成為較好使用空間的，多考慮使用鋼筋混凝土空腹桁架；3.在剪力墻體系中，應(yīng)采用實(shí)腹式墻梁，形成框支剪力墻4.跨度及荷載較小者，可采用實(shí)腹式大梁。5.對于跨度大的，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土大梁。*如何計算轉(zhuǎn)換層大梁？1）未能明確支座復(fù)雜應(yīng)力分布和傳遞時，可采用簡支梁的計算方法。2）對于連續(xù)梁，其內(nèi)力計算可用有限元法，考慮剪切變形的彎矩分配法或其他根據(jù)彈性理論計算所得的圖表求得。3） 對于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的空間工作分析，可利用電子計算機(jī)進(jìn)行。第六節(jié) 高層建筑塔樓旋轉(zhuǎn)餐廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計旋轉(zhuǎn)餐廳旋轉(zhuǎn)餐廳第七節(jié) 高層建筑的防火*. 如何考慮結(jié)構(gòu)防火？

14、（重點(diǎn)）火災(zāi)因素：限制可燃材料在建筑裝修和家具中的用量?；馂?zāi)控制：建筑物間隔不小于一定的距離，或用外部防火墻將它們隔開；用耐火墻體或耐火樓蓋將建筑分成若干區(qū)段，采用自動滅火設(shè)備。消防通道：有一定高度、寬度和承載力的安全通道；有規(guī)定尺寸和容量的消防栓。高層建筑火災(zāi)救護(hù)工作：安全疏通通道應(yīng)盡可能不受氣體和煙霧的影響。結(jié)構(gòu)防火方式被動防火措施：在火災(zāi)中保持建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的措施；在水平和垂直兩個方向?qū)⒔ㄖ飫澐譃榭煽刂频娜舾蓞^(qū)段；布置疏通通道。主動防火措施：火警裝置、煙火探測器；自動滅火裝置。*. 防火措施的目的有哪些？ 人身保護(hù)和防止建筑物和毗鄰財產(chǎn)的物質(zhì)損失。*.什么是防火有效時間？結(jié)構(gòu)防火的措施只須在一個有限的時間內(nèi)保持有效，如：疏散通道應(yīng)在建筑物內(nèi)所有人員來得及撤離之前保持安全通行；防火墻和重要的承重構(gòu)件應(yīng)